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消防资讯

三种常用气体灭火系统的比较

来源:气体灭火维保  时间:2018-11-12 11:06:34

气体灭火系统是由灭火剂储存装置在规定的时间内通过系统管网和喷头向保护区喷射气体灭火剂,使保护区内达到设计所要求的灭火设计浓度,并能将该气体浓度保持一定的浸渍时间,以达到扑灭火灾,并不再复燃的灭火系统。

1、几种常用气体灭火系统简介

为了确保尽可能地减少对人类赖以生存的环境的干扰和破坏,人们舍弃了灭火性能和人身安全均为最佳的哈龙灭火技术,在全球范围内推出多种灭火技术,目前比较常用的气体灭火系统有七氟丙烷FM200、混合气体IG541和氮气IGl00等。如下表:

 

名称/项目

七氟丙烷HFC227ea

混合气体IG541

氮气IG100

化学组成

CH3CHFCH3

52%N2,40%Ar,8%CO2

N2

贮存压力

2.5/4.2MPa

15MPa

20/30MPa

减压机构

不需要

减压孔板

减压器

配管压力

2.5/4.2MPa

15MPa

6MPa

输送距离

30m

150m

200m


 

1.1 FM200七氟丙烷灭火系统

FM200又称七氟丙烷或HFC227ea,是HFC的一种。其灭火机理:通过化学抑制作用终止燃烧的连锁反应,灭火速度快。FM200灭火过程中会分解出氢氟酸,对人和财产有害,而且喷放距离十分有限。

1.2 IG541混合气体灭火系统

IG541混合气体是由氮气、氩气和二氧化碳以52:40:8的体积比例混合而成的一种灭火剂。其灭火机理为稀释燃烧区内氧气,达到窒息灭火的目的。其中的二氧化碳会刺激人体呼吸加速,使人体吸入更多燃烧产物如CO,SO2等有害气体和烟尘,而毒烟正是火灾中致人死亡的第一大杀手。而随着灭火浓度的增大,保护区内的CO2的含量接近于4%时,会对人体造成更大的危险。

1.3 1G100氮气灭火系统

氮气(N2)又称IG100,采用占大气78%的氮气为灭火剂,充分融合了新时代灭火系统的设计理念,使产品成功的具备了保护环境与高效灭火的功能。它具有保护地球生态环境、安全卫生无妨视野、无灭火剂产生的污损、灭火效力持久等特点。氮气可以从空气中分离制取,来源广泛,充装费用低廉。其灭火机理为稀释燃烧区内氧气,达到窒息灭火的目的。

气体灭火系统的选取,应遵循国家有关方针和政策,做到安全可靠,技术先进,经济合理。以安全为本,要求必须达到预期目的;“技术先进”,则要求火灾报警、灭火控制及灭火系统设计科学,采用设备先进、成熟;“经济合理”,则是在保证安全可靠、技术先进的前提下,做到节省工程投资费用。我国在2002年发布了GA400《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》,2011年更新发布了GB25972《气体灭火系统及部件》,以上两个标准都明确了惰性气体灭火系统的使用包括有:氩气(IG01)灭火系统、氮气(IG100)灭火系统、氩气氮气(IG55)灭火系统、混合气体(IG541)灭火系统。全球各个地域厂家推广的惰性气体产品不太相同,如美国(Tyco)的IG541,英国(Kidde)的IG55,欧洲(Rotarex、Siemens、Minimax)和日本则使用更加环保经济的IG100。在国际上氮气灭火系统已经有几十年的应用经验,技术非常成熟。我国氮气灭火系统的应用相对较晚,推广比较少,广东省在2005年发布了《IG100气体灭火系统设计、施工及验收规范》,湖南省在2009年发布了《氮气IG100灭火系统设计规范》,包括上海等各省市也都在积极制订氮气灭火系统设计规范。随着近几年各个地方标准的制订、实施,我国氮气灭火系统的工程案例应用也逐渐增多,在许多典型的项目中使用了IG100灭火系统,如上海东方明珠、上海博物馆、上海国际航运服务中心、长江隧桥工程、珠海国税办公楼、广州中医药大学等。随着氮气灭火系统更加广泛的应用,我们国家必将会制订氮气灭火系统设计规范,这是目前气体灭火系统发展的必然趋势。

2.为什么选择氮气灭火系统:

2.1环境因素

环境因素主要体现在以下几个方面:

a臭氧耗减潜能值ODP(ozone depression potential)

以CFC-11为基准,设其ODP值为1。ODP值越小,环境特性越好。

b全球变暖潜能值GWP(global warning potential)

用于表示和比较消耗臭氧层物质对全球气候变暖影响能力的大小。以二氧化碳的GWP值为1,其余气体与二氧化碳的比值作为该气体GWP值。

c大气存留时间ALTA(atmospheric lifetime)

表示在进入大气后到被清除之前在大气中停留的平均时间,以年为单位。

三种气体灭火剂的环境特性参数见下表:

分析值名称

七氟丙烷HFC-227ea

混合气体IG-541

氮气IG100

ODP值

0

0

0

GWP值

2050

0.08

0

ALTA值

31—42年

0

0


 
FM200灭火剂对臭氧层不产生破坏,但在大气中存活寿命长, 同时大量FM200进入空气中, 由于其高全球变暖潜能值,对全球温室效应有很大的影响,欧洲各国和日本等国家已经禁止了FM200的使用。随着人们对于环保意识的加强,FM200最终必会被其他更加环保的灭火剂取代。IG541灭火剂中含有二氧化碳,具有温室效应。IG1OO灭火剂取自来自大气又回归大气, 对环境没有任何影响, 不存在温室效应, 不破坏臭氧层, 无残留物, 无热分解物,是真正意义上的绿色灭火剂。

2.2对生命和财产保护

2.2.1对生命的保护

对生命的保护主要要求灭火剂毒性低,对人体无影响,有利于保护区人员的安全疏散等。

三种灭火剂的毒性参数

名称

七氟丙烷HFC227ea

混合气体IG541

氮气IG100

NOAEL浓度

9.00%

43%

43%

LOAEL浓度

>10.5%

52%

52%


其中:无毒性反应浓度(NOAEL 浓度) NOAEL concentration:观察不到由灭火剂毒性影响产生生理反应的灭火剂最大浓度。
有毒性反应浓度(LOAEL 浓度) LOAEL concentration:能观察到由灭火剂毒性影响产生生理反应的灭火剂最小浓度。

七氟丙烷最小设计浓度为7.5%,无毒性反应的最高浓度(NOAEL)为9%,有毒性反应的最低(LOAEL)为10.5%,该三个值比较接近。事实上,当保护区内七氟丙烷的浓度在5%~9%时,人员可停留时间为1min。而浓度高于9%时只能用于无人停留区域,而图书馆、档案室等保护区七氟丙烷的设计浓度为10%,七氟丙烷在图书馆和档案室使用非常不合适。此外七氟丙烷在灭火过程中的高温条件下裂解有剧毒物氢氟酸产生,散发着刺鼻的气味,有一定的腐蚀性。这也是灭火时七氟丙烷必须在8-10s内释放完毕的关键原因。此外,七氟丙烷以液态储存,喷射时有较强烈气化及吸热效应,致使空气冷凝出现浓雾,影响人员逃生。

IG541中由于含有8%的CO2,随着喷放过程中灭火浓度的增高,保护区中的CO2含量随之增大。特别是对于图书馆、档案馆类火灾来说,纸张中的碳与O2反应会产生CO2,能使IG541灭火后CO2的含量更高,甚至超过4%接近5%,有可能对人体产生危害。而人在3%的二氧化碳浓度下有轻微的头痛症状,在5%的二氧化碳浓度下,人会有危险,必须逃离。二氧化碳浓度的增加会促进人的呼吸加速,从而吸入更多的有害气体CO,SO2和烟尘。如CO中毒,CO最轻度的中毒会表现为头痛、头晕、失眠、视物模糊、耳鸣、恶心、呕吐、全身乏力、心动过速、短暂昏厥,影响心脏、大脑、肌肉机能,产生后遗症。

IG100由100%氮气构成,在灭火剂喷放过程中或喷放之后,有人员在防护区的话,喷放出来的氮气也可以冲淡空气中的有毒物质的浓度。科学研究证明,在这种环境下,人体会自动减慢呼吸频率,减少吸入有害物质。以下为IG100灭火系统灭火前后各个气体组分的变化图表,可以看到CO2列浓度没有任何增加,不会引起保护区内人员呼吸加速从而没有吸入更多有害物的危险。

 

气体灭火前后空气比较

 

2.2.2对财产的保护

七氟丙烷是以液态储存的灭火剂,喷放时会使保护区内的温度在短时间内有所下降,使空气中的水蒸气大量凝结,产生严重的结露现象而损坏财物。七氟丙烷在灭火过程在高温条件下还会裂解产生HF等酸性分解物,从而产生结露,对设备造成损害。

IG541内含有8%左右的CO2,CO2中易混入水等杂质,且钢瓶的清洗过程中也易混入水分,而CO2易与水结合为碳酸,本身碳酸是弱酸,但在长时间高压状态下,会对钢瓶有腐蚀作用,使钢瓶壁厚减薄,从而发生钢瓶爆炸事故。各地IG541钢瓶爆炸的事件时有发生,2011年5月13日,杭州市档案馆气体钢瓶间发生了IG541钢瓶爆炸事故,室内玻璃全部被震碎,两扇门被炸开,墙体也被炸出了一个50公分的大洞,造成了重大安全事故。

IG100完全由氮气构成,贮存状态稳定,喷放时不会产生雾化,可以非常清楚地看到紧急出口位置,人员能有条不紊的安全离开保护区,在高温条件下甚至与火焰接触也不会分解产生有毒或有腐蚀性的分解物,IG100灭火系统对生命和财产绝对安全。

2.3 灭火效率

灭火系统的灭火时间和灭火浸渍时间指标综合反映了灭火剂的灭火效率。

2.3.1 灭火时间

各种系统的灭火时间是和灭火剂的喷放时间直接相关的。不同的气体灭火系统,喷放时间的规定不同。各个国家的消防规范,如NFPA(美国防火协会)、ISO(国际标准化组织)、VDS(德国专业安全协会)和GB(中国国家标准)等相关消防标准规范中规定七氟丙烷灭火系统设计喷放时间不应大于10s,惰性气体如IG541、IG100灭火系统设计喷放时间不应大于60s 且不应小于48s。七氟丙烷灭火系统因喷放时间要求较短(小于10s),而其储存压力较小,管网管径较大,极大地限制了保护区域的范围和距离。

2.3.2 灭火浸渍时间

气体灭火系统的灭火效果是由浸渍时间来保证的,各个系统在图书馆类保护区的灭火浸渍时间都为20min。系统设计时重要的是不但要达到灭火剂的设计浓度,而且应维持足够长的浸渍时间,以便有关人员采取有效的紧急措施来消除危险。这一点非常重要,因为持续的点火源(如电弧、热源或阴燃火灾)在气体灭火剂一旦消散后极有可能复燃。对于图书馆、档案馆类火灾,阴燃的书籍等极有可能导致复燃和阴燃蔓延,应特别注意保证灭火浸渍时间。

IG541由于含有40%的氩气(Ar),52%的氮气(N2),8%的二氧化碳(CO2)分子量分别为40、28和44,在喷放后的一段时间内可以保持均匀混合,但一旦失压,由于各气体分子量差异较大,各气体组分分离,即失去了IG541混合气体的本应保持的浸渍浓度而较难维持足够长的浸渍时间,从而影响灭火效果。

IG100相对空气密度为0.97(IG541相对空气密度为1.17),灭火剂和空气的密度相近,所以进行全淹没灭火时,IG100灭火剂可以与周围的空气很好地进行混合,保证了保护区内的空气稳定。这就可以保证,在喷放后20分钟的浸渍时间内,保护区仍保持设计的灭火浓度,有效防止了复燃的产生。

2.4 工程造价

在保证灭火能力、不破坏环境、确保生命和财产安全的前提下,应尽量减少投资,提高钢瓶间利用率,提高气体灭火系统的性能价格比。

2.4.1 工程造价

图书馆、档案馆、博物馆、数据中心、通信机房类保护区通常体积较大,输送距离较远,保护区数量较多。以一套气体灭火系统共保护6个保护区,最大保护区为体积为3000m3,主管道通径DN150,平均传输距离80m为例,如下表格为分别采用IG541灭火系统和IG100灭火系统的成本对比。由于七氟丙烷传输距离较短,不适宜长距离、大空间和多保护区保护,不作对比。

对比项名称

IG541

IG100

钢瓶用量(瓶)

129

101

钢瓶占地面积(m2

11.61

9.09

主管道总重量(吨)

2.04

1.33

工程造价成本系数

1.4-1.5

1


 
    由上表可以看出,由于IG100使用了20MPa钢瓶,钢瓶数量减少了25%左右,并且钢瓶占地面积减少了2.52m2,计入操作空间面积,实际钢瓶间至少可减少6m2,有效节省钢瓶间面积20%左右。管网方面,IG541使用了孔板减压技术,其减压不稳定,后续零部件的最大工作压力为15MPa,后续管网应使用外径168mm×壁厚11mm的厚壁管。而IG100灭火系统使用了减压器技术,管网等后续零部件最高工作压力为6MPa,管网可使用外径168mm×壁厚7mm的薄壁管,管网壁厚的减薄有效降低了35%的管网成本。

2.4.2 维护保养费用

    灭火系统的造价除了设备器材安装投资外,还应包括后期的日常维护保养费用,灭火系统的维护保养费用主要是灭火剂的二次填充费用。工程实例表明,七氟丙烷钢瓶泄漏后,必须对钢瓶进行检漏,钢瓶内药剂重新灌装并计算大量的损耗,而七氟丙烷药剂费用昂贵,后期费用非常大。IG541充装工艺复杂,必须严格控制各个组分的百分比(各个气体组分不正确会严重影响灭火系统的灭火效果),具有充装资质的厂家也比较少,所以充装很不方便,长途运输钢瓶的费用也十分昂贵,较难保证灭火系统充装恢复工作时间要求。而IG100来源广泛,工业生产的氮气纯度较高,无需额外提纯成本,全国各地都有氮气的充装点,充装非常方便,成本低廉。

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