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七氟丙烷FM200、混合氣體IG541和氮氣IGl00三種常用氣體滅火系統的比較

時間:2017-08-01 08:49:58 來源:未知

    氣體滅火系統是由滅火劑儲存裝置在規定的時間內通過系統管網和噴頭向保護區噴射氣體滅火劑,使保護區內達到設計所要求的滅火設計濃度,并能將該氣體濃度保持一定的浸漬時間,以達到撲滅火災,并不再復燃的滅火系統。

1、幾種常用氣體滅火系統簡介

    為了確保盡可能地減少對人類賴以生存的環境的干擾和破壞,人們舍棄了滅火性能和人身安全均為最佳的哈龍滅火技術,在全球范圍內推出多種滅火技術,目前比較常用的氣體滅火系統有七氟丙烷FM200、混合氣體IG541和氮氣IGl00等。如下表:

 

名稱/項目

七氟丙烷HFC227ea

混合氣體IG541

氮氣IG100

化學組成

CH3CHFCH3

52%N2,40%Ar,8%CO2

N2

貯存壓力

2.5/4.2MPa

15MPa

20/30MPa

減壓機構

不需要

減壓孔板

減壓器

配管壓力

2.5/4.2MPa

15MPa

6MPa

輸送距離

30m

150m

200m

 

1.1 FM200七氟丙烷滅火系統

    FM200又稱七氟丙烷或HFC227ea,是HFC的一種。其滅火機理:通過化學抑制作用終止燃燒的連鎖反應,滅火速度快。FM200滅火過程中會分解出氫氟酸,對人和財產有害,而且噴放距離十分有限。

1.2 IG541混合氣體滅火系統

    IG541混合氣體是由氮氣、氬氣和二氧化碳以52:40:8的體積比例混合而成的一種滅火劑。其滅火機理為稀釋燃燒區內氧氣,達到窒息滅火的目的。其中的二氧化碳會刺激人體呼吸加速,使人體吸入更多燃燒產物如CO,SO2等有害氣體和煙塵,而毒煙正是火災中致人死亡的第一大殺手。而隨著滅火濃度的增大,保護區內的CO2的含量接近于4%時,會對人體造成更大的危險。

1.3 1G100氮氣滅火系統

    氮氣(N2)又稱IG100,采用占大氣78%的氮氣為滅火劑,充分融合了新時代滅火系統的設計理念,使產品成功的具備了保護環境與高效滅火的功能。它具有保護地球生態環境、安全衛生無妨視野、無滅火劑產生的污損、滅火效力持久等特點。氮氣可以從空氣中分離制取,來源廣泛,充裝費用低廉。其滅火機理為稀釋燃燒區內氧氣,達到窒息滅火的目的。

    氣體滅火系統的選取,應遵循國家有關方針和政策,做到安全可靠,技術先進,經濟合理。以安全為本,要求必須達到預期目的;“技術先進”,則要求火災報警、滅火控制及滅火系統設計科學,采用設備先進、成熟;“經濟合理”,則是在保證安全可靠、技術先進的前提下,做到節省工程投資費用。我國在2002年發布了GA400《氣體滅火系統及零部件性能要求和試驗方法》2011年更新發布了GB25972《氣體滅火系統及部件》,以上兩個標準都明確了惰性氣體滅火系統的使用包括有:氬氣(IG01)滅火系統、氮氣(IG100)滅火系統、氬氣氮氣(IG55)滅火系統、混合氣體(IG541)滅火系統。全球各個地域廠家推廣的惰性氣體產品不太相同,如美國(Tyco)的IG541,英國(Kidde)的IG55,歐洲(Rotarex、Siemens、Minimax)和日本則使用更加環保經濟的IG100。在國際上氮氣滅火系統已經有幾十年的應用經驗,技術非常成熟。我國氮氣滅火系統的應用相對較晚,推廣比較少,廣東省在2005年發布了《IG100氣體滅火系統設計、施工及驗收規范》,湖南省在2009年發布了《氮氣IG100滅火系統設計規范》,包括上海等各省市也都在積極制訂氮氣滅火系統設計規范。隨著近幾年各個地方標準的制訂、實施,我國氮氣滅火系統的工程案例應用也逐漸增多,在許多典型的項目中使用了IG100滅火系統,如上海東方明珠、上海博物館、上海國際航運服務中心、長江隧橋工程、珠海國稅辦公樓、廣州中醫藥大學等。隨著氮氣滅火系統更加廣泛的應用,我們國家必將會制訂氮氣滅火系統設計規范,這是目前氣體滅火系統發展的必然趨勢。

 

2.為什么選擇氮氣滅火系統:

2.1環境因素

環境因素主要體現在以下幾個方面:

a臭氧耗減潛能值ODP(ozone depression potential)

以CFC-11為基準,設其ODP值為1。ODP值越小,環境特性越好。

b全球變暖潛能值GWP(global warning potential)

用于表示和比較消耗臭氧層物質對全球氣候變暖影響能力的大小。以二氧化碳的GWP值為1,其余氣體與二氧化碳的比值作為該氣體GWP值。

c大氣存留時間ALTA(atmospheric lifetime)

表示在進入大氣后到被清除之前在大氣中停留的平均時間,以年為單位。

三種氣體滅火劑的環境特性參數見下表:

分析值名稱

七氟丙烷HFC-227ea

混合氣體IG-541

氮氣IG100

ODP

0

0

0

GWP

2050

0.08

0

ALTA

31—42年

0

0

 
    FM200滅火劑對臭氧層不產生破壞,但在大氣中存活壽命長, 同時大量FM200進入空氣中, 由于其高全球變暖潛能值,對全球溫室效應有很大的影響,歐洲各國和日本等國家已經禁止了FM200的使用。隨著人們對于環保意識的加強,FM200最終必會被其他更加環保的滅火劑取代。IG541滅火劑中含有二氧化碳,具有溫室效應。IG1OO滅火劑取自來自大氣又回歸大氣, 對環境沒有任何影響, 不存在溫室效應, 不破壞臭氧層, 無殘留物, 無熱分解物,是真正意義上的綠色滅火劑。

2.2對生命和財產保護

2.2.1對生命的保護

對生命的保護主要要求滅火劑毒性低,對人體無影響,有利于保護區人員的安全疏散等。

 

三種滅火劑的毒性參數

名稱

七氟丙烷HFC227ea

混合氣體IG541

氮氣IG100

NOAEL濃度

9.00%

43%

43%

LOAEL濃度

>10.5%

52%

52%

其中:無毒性反應濃度(NOAEL 濃度) NOAEL concentration:觀察不到由滅火劑毒性影響產生生理反應的滅火劑最大濃度。
         有毒性反應濃度(LOAEL 濃度) LOAEL concentration:能觀察到由滅火劑毒性影響產生生理反應的滅火劑最小濃度。

 

    七氟丙烷最小設計濃度為7.5%,無毒性反應的最高濃度(NOAEL)為9%,有毒性反應的最低(LOAEL)為10.5%,該三個值比較接近。事實上,當保護區內七氟丙烷的濃度在5%~9%時,人員可停留時間為1min。而濃度高于9%時只能用于無人停留區域,而圖書館、檔案室等保護區七氟丙烷的設計濃度為10%,七氟丙烷在圖書館和檔案室使用非常不合適。此外七氟丙烷在滅火過程中的高溫條件下裂解有劇毒物氫氟酸產生,散發著刺鼻的氣味,有一定的腐蝕性。這也是滅火時七氟丙烷必須在8-10s內釋放完畢的關鍵原因。此外,七氟丙烷以液態儲存,噴射時有較強烈氣化及吸熱效應,致使空氣冷凝出現濃霧,影響人員逃生。

    IG541中由于含有8%的CO2,隨著噴放過程中滅火濃度的增高,保護區中的CO2含量隨之增大。特別是對于圖書館、檔案館類火災來說,紙張中的碳與O2反應會產生CO2,能使IG541滅火后CO2的含量更高,甚至超過4%接近5%,有可能對人體產生危害。而人在3%的二氧化碳濃度下有輕微的頭痛癥狀,在5%的二氧化碳濃度下,人會有危險,必須逃離。二氧化碳濃度的增加會促進人的呼吸加速,從而吸入更多的有害氣體CO,SO2和煙塵。如CO中毒,CO最輕度的中毒會表現為頭痛、頭暈、失眠、視物模糊、耳鳴、惡心、嘔吐、全身乏力、心動過速、短暫昏厥,影響心臟、大腦、肌肉機能,產生后遺癥。

    IG100由100%氮氣構成,在滅火劑噴放過程中或噴放之后,有人員在防護區的話,噴放出來的氮氣也可以沖淡空氣中的有毒物質的濃度。科學研究證明,在這種環境下,人體會自動減慢呼吸頻率減少吸入有害物質。以下為IG100滅火系統滅火前后各個氣體組分的變化圖表,可以看到CO2列濃度沒有任何增加,不會引起保護區內人員呼吸加速從而沒有吸入更多有害物的危險。

 

氣體滅火前后空氣比較

 

2.2.2對財產的保護

    七氟丙烷是以液態儲存的滅火劑,噴放時會使保護區內的溫度在短時間內有所下降,使空氣中的水蒸氣大量凝結,產生嚴重的結露現象而損壞財物。七氟丙烷在滅火過程在高溫條件下還會裂解產生HF等酸性分解物,從而產生結露,對設備造成損害。

    IG541內含有8%左右的CO2,CO2中易混入水等雜質,且鋼瓶的清洗過程中也易混入水分,而CO2易與水結合為碳酸,本身碳酸是弱酸,但在長時間高壓狀態下,會對鋼瓶有腐蝕作用,使鋼瓶壁厚減薄,從而發生鋼瓶爆炸事故。各地IG541鋼瓶爆炸的事件時有發生,2011年5月13日,杭州市檔案館氣體鋼瓶間發生了IG541鋼瓶爆炸事故,室內玻璃全部被震碎,兩扇門被炸開,墻體也被炸出了一個50公分的大洞,造成了重大安全事故。

 

IG541混合氣體滅火系統發生爆炸

 

 

    IG100完全由氮氣構成,貯存狀態穩定,噴放時不會產生霧化,可以非常清楚地看到緊急出口位置,人員能有條不紊的安全離開保護區,在高溫條件下甚至與火焰接觸也不會分解產生有毒或有腐蝕性的分解物,IG100滅火系統對生命和財產絕對安全。

2.3 滅火效率

    滅火系統的滅火時間和滅火浸漬時間指標綜合反映了滅火劑的滅火效率。

2.3.1 滅火時間

    各種系統的滅火時間是和滅火劑的噴放時間直接相關的。不同的氣體滅火系統,噴放時間的規定不同。各個國家的消防規范,如NFPA(美國防火協會)、ISO(國際標準化組織)、VDS(德國專業安全協會)和GB(中國國家標準)等相關消防標準規范中規定七氟丙烷滅火系統設計噴放時間不應大于10s,惰性氣體如IG541、IG100滅火系統設計噴放時間不應大于60s 且不應小于48s。七氟丙烷滅火系統因噴放時間要求較短(小于10s),而其儲存壓力較小,管網管徑較大,極大地限制了保護區域的范圍和距離。

2.3.2 滅火浸漬時間

    氣體滅火系統的滅火效果是由浸漬時間來保證的,各個系統在圖書館類保護區的滅火浸漬時間都為20min。系統設計時重要的是不但要達到滅火劑的設計濃度,而且應維持足夠長的浸漬時間,以便有關人員采取有效的緊急措施來消除危險。這一點非常重要,因為持續的點火源(如電弧、熱源或陰燃火災)在氣體滅火劑一旦消散后極有可能復燃。對于圖書館、檔案館類火災,陰燃的書籍等極有可能導致復燃和陰燃蔓延,應特別注意保證滅火浸漬時間。

    IG541由于含有40%的氬氣(Ar),52%的氮氣(N2),8%的二氧化碳(CO2)分子量分別為40、28和44,在噴放后的一段時間內可以保持均勻混合,但一旦失壓,由于各氣體分子量差異較大,各氣體組分分離,即失去了IG541混合氣體的本應保持的浸漬濃度而較難維持足夠長的浸漬時間,從而影響滅火效果。

    IG100相對空氣密度為0.97(IG541相對空氣密度為1.17),滅火劑和空氣的密度相近,所以進行全淹沒滅火時,IG100滅火劑可以與周圍的空氣很好地進行混合,保證了保護區內的空氣穩定。這就可以保證,在噴放后20分鐘的浸漬時間內,保護區仍保持設計的滅火濃度,有效防止了復燃的產生。

2.4 工程造價

    在保證滅火能力、不破壞環境、確保生命和財產安全的前提下,應盡量減少投資,提高鋼瓶間利用率,提高氣體滅火系統的性能價格比。

2.4.1 工程造價

    圖書館、檔案館、博物館、數據中心、通信機房類保護區通常體積較大,輸送距離較遠,保護區數量較多。以一套氣體滅火系統共保護6個保護區,最大保護區為體積為3000m3,主管道通徑DN150,平均傳輸距離80m為例,如下表格為分別采用IG541滅火系統和IG100滅火系統的成本對比。由于七氟丙烷傳輸距離較短,不適宜長距離、大空間和多保護區保護,不作對比。

 

 

對比項名稱

IG541

IG100

鋼瓶用量(瓶)

129

101

鋼瓶占地面積(m2

11.61

9.09

主管道總重量(噸)

2.04

1.33

工程造價成本系數

1.4-1.5

1

 
    由上表可以看出,由于IG100使用了20MPa鋼瓶,鋼瓶數量減少了25%左右,并且鋼瓶占地面積減少了2.52m2,計入操作空間面積,實際鋼瓶間至少可減少6m2,有效節省鋼瓶間面積20%左右。管網方面,IG541使用了孔板減壓技術,其減壓不穩定,后續零部件的最大工作壓力為15MPa,后續管網應使用外徑168mm×壁厚11mm的厚壁管。而IG100滅火系統使用了減壓器技術,管網等后續零部件最高工作壓力為6MPa,管網可使用外徑168mm×壁厚7mm的薄壁管,管網壁厚的減薄有效降低了35%的管網成本。

2.4.2 維護保養費用

    滅火系統的造價除了設備器材安裝投資外,還應包括后期的日常維護保養費用,滅火系統的維護保養費用主要是滅火劑的二次填充費用。工程實例表明,七氟丙烷鋼瓶泄漏后,必須對鋼瓶進行檢漏,鋼瓶內藥劑重新灌裝并計算大量的損耗,而七氟丙烷藥劑費用昂貴,后期費用非常大。IG541充裝工藝復雜,必須嚴格控制各個組分的百分比(各個氣體組分不正確會嚴重影響滅火系統的滅火效果),具有充裝資質的廠家也比較少,所以充裝很不方便,長途運輸鋼瓶的費用也十分昂貴,較難保證滅火系統充裝恢復工作時間要求。而IG100來源廣泛,工業生產的氮氣純度較高,無需額外提純成本,全國各地都有氮氣的充裝點,充裝非常方便,成本低廉。

 

 

 

參考文獻:

[1] GB25972-2010 《氣體滅火系統及其零部件》
[2] GB50370-2005 《氣體滅火系統設計規范》
[3] IS014520-1 《氣體滅火系統》 
[4] NFPA2001 《清潔氣體滅火系統》
[5] VDS2380 《德國VDS氣體滅火系統》



另外可參考設計規范:

1、《氣體消防系統選用、安裝與建筑滅火器配置圖集07S207》
批準:中華人民共和國建設部
施行:2007年6月

2、《CECS 292 : 2011氣體消防設施選型配置設計規程》
發布:中國工程建設協會標準
施行:2011年8月

3、《廣東DBJ15-47-2005 IG-100氣體滅火系統設計、施工及驗收規范》
發布:廣東省建設廳
施行:2005年9月

4、《氮氣滅火系統湖南地標》
發布:湖南省質量技術監督局
施行:2009年7月份

 

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