简介： 此气体灭火系统选择报告对常用灭火气体进行技术经济比较分析，根据工程情况选择适合的灭火介质．对不同工程有参照意义．
关键字：气体灭火 灭火剂 二氧化碳 CO2
1、概述
1.1工程概述
1.2 本工程消防设计内容
本工程消防设计的内容为扩建厂区及设施的消防给水系统、室内外系统、固定水消防系统、泡沫灭火系统、气体灭火系统、移动式配置、火灾自动报警系统。
2 设置气体灭火系统的场所
本期工程有一座集中控制楼，2台机组共用一个集控楼。
根据《火力发电厂与变电所设计防火规范》（GB50229—96）的规定，本工程需在集中控制楼内的下列房间设气体灭火系统：
● 单元控制室（属有人场所）
● 工程师站（属有人场所）
● SIS功能站/机房
● 电子装置室
● 电子设备间
● 热控配电间
3 气体灭火系统的类型与选择
气体灭火系统的类型较多，通常按应用方式、系统结构特点、储存压力等级、管网布置形式进行分类，详见表3—1。
表3—1
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分类方式 |
系统类型 |
灭火剂 |
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按应用方式分类 |
全淹没灭火系统 |
CO2、FM200、烟烙尽 |
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局部应用灭火系统 |
CO2 |
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按系统结构特点分类 |
管网系统 |
组合分配系统 |
CO2、FM200、烟烙尽 |
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单元独立系统 |
CO2、FM200、烟烙尽 |
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无管网装置 |
CO2、FM200 |
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按储存方式分类 |
高压系统 |
CO2、FM200、烟烙尽 |
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低压系统 |
CO2 |
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按管网布置形式分类 |
均衡管网系统 |
CO2、FM200、烟烙尽 |
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|
非均衡管网系统 |
CO2、FM200、烟烙尽 |
||
注：灭火剂仅以二氧化碳（CO2）、FM200、烟烙尽为例。
在设计火电厂控制楼的气体灭火系统时，根据规范要求、防护区的特点及灭火剂的类型，通常采用组合分配或单元独立的全淹没灭火系统，并按均衡管网布置。本工程的气体灭火系统采用组合分配式全淹没灭火系统，设各自独立的灭火系统，按均衡管网布置设计。
4 气体灭火剂的类型与选择
4.1 气体灭火剂的类型
在各种气体灭火剂中，卤代烷（Halon）“1211”和“1301” 灭火剂以其灭火效率高、安全洁净、毒性低、腐蚀性小、存储时间长、适用性广等优点而得到了广泛和长期的应用。但由于卤代烷灭火剂以及氯氟烃（CFC）制冷剂、喷雾剂、发泡剂等对大气臭氧层造成了明显的耗损破坏，为了保护大气臭氧层，在世界环保组织的推动下，联合国环境规划署组织召开了多次国际会议，从1985年起，先后通过了多项关于保护臭氧层的国际条约。目前，卤代烷灭火剂已在美国和很多发达国家停止生产和使用，我国拟订于2005年停止生产和使用卤代烷1211灭火剂、2010年停止生产和使用卤代烷1301灭火剂，国内外的科学家和工程技术人员现在正在积极研究开发新型环保灭火剂，并继续发展和完善原有惰性气体灭火系统。
当前，在诸多的卤代烷替代物中，以CO2、FM200、烟烙尽在火电厂工程设计中应用较多，本工程拟选择这三种气体灭火剂及相应系统作比较。三种气体灭火剂与卤代烷“1301”性能参数的综合比较详见表4.1—1。
4.2 气体灭火剂的特性及系统设计概要
4.2.1 二氧化碳（CO2）
在常温条件下，CO2以无色、无味的气体存在，根据其物理特性，有二种储存方式：⑴以常温储存于压力容器内，即高压储存（在20℃气温下，储存压力为5.17MPa），相应的灭火系统称为高压系统；⑵在所控制的低温条件下将CO2储存于压力容器内，即低压储存（在-18℃时储存压力为2.07 MPa），相应的灭火系统称为低压系统。
CO2灭火作用主要用于窒息，其次是冷却，为物理反应。在众多的卤代烷灭火系统的替代系统中，以CO2灭火系统技术最为成熟，应用也最广泛。在国内，以高压系统最为普遍，近几年，低压CO2灭火系统应用技术发展也很快。CO2灭火系统较为经济，能输送较远距离，但其较高的灭火浓度对人非常危险，不宜用于有人场所。另外，一些资料表明，在释放过程中的冷凝现象可能会对电子元件造成损害。
表4.1—1
|
参数项 |
二氧化碳 （CO2） |
七氟丙烷 （FM200） |
烟烙尽 （Inergen） |
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化学式 |
CO2 |
CF3CHFCF3 |
注1 |
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|
分子量 |
44 |
170 |
34 |
|
|
储存压力（20℃）MPa |
5.17 |
2.5 |
15 |
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|
最小设计灭火浓度％，v/v |
34 |
7 |
37.5. |
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|
ODP（臭氧耗损潜能值）CFC11=1.0 |
0 |
0 |
0 |
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|
GWP（温室效应潜能值相对于CO2） |
1 |
2050 |
0 |
|
|
毒性 数据 |
NOAEL％，v/v |
34％浓度使人窒息 |
9 |
43 |
|
LOAEL％，v/v |
10.5 |
52 |
||
|
大气中存活寿命（年） |
35 |
|||
注1：含N252％；Ar40％；CO28％。
本工程采用全淹没灭火系统，将被保护房间划分为六个保护区，CO2的设计用量按下式计算：
M=Kb(K1A+ K2V)
式中：M—CO2设计用量（kg）；
Kb—物质系数；
K1—面积系数（kg/m2）,取0.2 kg/m2；
K2—体积系数（kg/m3）,取0.7 kg/m3；
A—折算面积（m2）；
V—防护区的净容积（m3）；
各防护区的划分情况及设计用量详见表4.2—1。按《二氧化碳灭火系统设计规范》（GB50193—93）的规定，依据各防护区可燃物的类型，其设计浓度应为47％，物质系数为1.50。
表4.2—1
|
项目 |
建筑几何尺寸 （L×B×H） |
总表面积（m2） |
体积（m3） |
设计浓度％ |
灭火剂设计用量（kg） |
|
单元控制室 |
13.5×21×5.2 |
925.8 |
1474.2 |
47 |
1826 |
|
工程师站 |
4.6×8×5.2 |
204.64 |
191.36 |
47 |
262 |
|
SIS功能站/机房 |
4.6×8×5.2 |
204.64 |
191.36 |
47 |
262 |
|
电子装置室 |
（21×21－4.6×16）×5.2 |
1219.44 |
1910.48 |
47 |
2372 |
|
电子设备间 |
4.6×21×5.2 |
459.44 |
502.32 |
47 |
665 |
|
热控配电间 |
7×12.1×5.2 |
368.04 |
440.44 |
47 |
573 |
对于组合分配系统，CO2的储存量不应小于最大一个防护区的储存量，本工程以电子装置室所需的灭火剂用量（2372kg）为最大，按此进行设计。由于总用量不大，因此设计考虑采用高压灭火系统，该系统由储存装置、选择阀与喷头、管道及其附件等组成，系统储存量为2562 kg，需容量为70L、充装率取0.60 kg/L的储瓶组61套。本期工程集中控制楼中，设二套高压CO2灭火系统（一备一用）。
4.2.2 七氟丙烷（FM200）
七氟丙烷（美国商标名称为FM200）灭火剂是一种无色、几乎无味、不导电的气体，密度大约为空气的6倍，采用高压液化储存。
七氟丙烷（FM200）的灭火机理为抑制化学链反应，其灭火机理及灭火效率与卤代烷“1301”相类似，为主动灭火，在几种替代物中是较为有效的一种。
七氟丙烷（FM200）是毒性较低、无色、无味、无二次污染的气体，对人体产生不良影响的体积浓度临界值为9％，其最小设计灭火浓度为7％，因此，正常情况下对人体不会产生不良影响，可用于经常有人活动的场所，特别是它不破坏大气臭氧层，符合环境要求。由于灭火浓度较低，因而储瓶数量较少，占地面积也较小，而且各项指标较为合理，系统功能完善、工作准确可靠，长期储存不泄露。但其灭火系统也有自身的弱点：输送距离短，因为灭火剂的释放必须在十秒种之内完成，达到灭火浓度，否则产生的酸性分解物对人体有害，对被保护设施也有腐蚀性，用于组合分配系统时，各防护区位置应相对集中。另外灭火剂价格也较高。
七氟丙烷（FM200）只用于全淹没系统，其灭火设计用量按下式计算：
W=（KV/S）·C/（100－C）
式中：W—七氟丙烷（FM200）设计用量（kg）；
C—设计灭火浓度（％）；
V—防护区的净容积（m3）；
K—海拔高度修正系数，取K=1.0；
S—七氟丙烷（FM200）过热蒸汽在101Kpa和防护区最低环境温度下的比容（m3/ kg）；
七氟丙烷（FM200）不同温度下的过热蒸汽比容，应按下式计算：
S=K1+K2×T
式中：T—温度（℃）取20℃；
K1—0.1269；
K2—0.000513；
S=0.1372 m3/ kg；
各防护区的几何尺寸及设计用量详见表4.2—2。
表4.2—2
|
项目 |
建筑几何尺寸 （L×B×H） |
体积（m3） |
设计浓度％ |
灭火剂设计用量（kg） |
|
单元控制室 |
13.5×21×5.2 |
1474.2 |
8 |
934 |
|
工程师站 |
4.6×8×5.2 |
191.36 |
8 |
121 |
|
SIS功能站/机房 |
4.6×8×5.2 |
191.36 |
8 |
121 |
|
电子装置室 |
（21×21－4.6×16）×5.2 |
1910.48 |
8 |
1211 |
|
电子设备间 |
4.6×21×5.2 |
502.32 |
8 |
318 |
|
热控配电间 |
7×12.1×5.2 |
440.44 |
8 |
279 |
集控楼该层各个房间布置较为紧凑，因此各房间自身为一防护区，设一套六组组合分配系统，其储存量按最大一个防护区的储存量考虑，本工程以电子装置室所需的灭火剂用量（1211 kg）为最大，采用储瓶容积为70L的17个（容量70L，充装量75 kg，充装压力2.5MPa）FM200气体钢瓶及6个气体启动钢瓶，总储量为1275 kg。系统由储存装置、气体灭火控制器、控制阀、压力释放阀、喷头、管道及其附件等组成。本期工程集中控制楼设一套组合分配系统。
4.2.3 烟烙尽（IG—541）
烟烙尽灭火剂由52％氮、40％氩、8％二氧化碳三种气体组成，比空气略重，属于惰性气体灭火剂，以气态储存，其储存压力为15MPa。
烟烙尽的灭火机理是通过降低防护区中的氧气浓度（由空气正常含氧量的21％降至12.5％），使其不能维持燃烧而达到灭火的目的，为物理反应，属被动灭火。
烟烙尽是一种绿色环保型灭火剂，在灭火时不会发生任何化学反应，不污染环境，无毒、无腐蚀，具有良好的电绝缘性能，不会对被保护设备构成危害，也无须延迟喷放，这是其它灭火剂所不具备的特点。IG541混合气体灭火剂在42.8％的灭火浓度下，人或者动物不会感到不适应，这是由于此时保护区内的二氧化碳含量在4％～5％之间，提高了人或动物的呼吸频率，这样可以使人或动物氧气的摄入量与在正常空气下氧气摄入量保持一致。另外，混合气体以设计浓度和空气混合后，可以在较长的时间内保持这一灭火浓度，即使保护区没有采取特别的密封措施，系统也能在20分钟后保持灭火所需的浓度。另外灭火剂价格便宜，输送距离也很长，这对于保护相距较远的保护区十分有利，由于灭火气体可充分与空气混合，故能有效防止复燃。但因是被动灭火，其灭火效果略差，其高压气态储存方式带来了储瓶数量大，占地面积大，系统造价高的缺点。
烟烙尽只用于全淹没系统，其灭火设计用量按下式计算：
W=2.303V/S［lg100/（100－C）］VS·β
式中：W—烟烙尽设计用量（m3）；
S=0.65799+0.00239T；
T—防护区内最低温度℃；
C—烟烙尽容积百分比浓度（％）；
V—防护区的净容积（m3）；
VS—20℃时比容，VS=0.707 m3/kg；
β—海拔高度修正系数，取β=1.0；
各防护区的几何尺寸及设计用量详见表4.2—3。
表4.2—3
|
项目 |
建筑几何尺寸 （L×B×H） |
体积（m3） |
设计浓度％ |
灭火剂设计用量（m3） |
|
单元控制室 |
13.5×21×5.2 |
1474.2 |
37.5 |
741 |
|
工程师站 |
4.6×8×5.2 |
191.36 |
37.5 |
96 |
|
SIS功能站/机房 |
4.6×8×5.2 |
191.36 |
37.5 |
96 |
|
电子装置室 |
（21×21－4.6×16）×5.2 |
1910.48 |
37.5 |
960 |
|
电子设备间 |
4.6×21×5.2 |
502.32 |
37.5 |
252 |
|
热控配电间 |
7×12.1×5.2 |
440.44 |
37.5 |
221 |
对于组合分配系统，烟烙尽的储存量不应小于最大一个保护区的储存量，本工程以电子设备间所需的灭火剂用量960 m3为最大，按此进行设计。该系统为高压系统，由储存装置、选择阀与喷头、减压孔板、管道及其附件等组成。本工程在集中控制楼设一套烟烙尽灭火系统，每套系统设有12.4m3容量的储瓶组78套，储存灭火剂量967.2m3.
4.3 灭火系统选择比较
根据以上确定的各灭火系统，初步计算出几种灭火系统的设备器材价格，详见表4.3—1。
表4.3—1
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项目 |
高压CO2灭火系统 |
FM200灭火系统 |
烟烙尽灭火系统 |
|
设计灭火浓度（％） |
47 |
8 |
37.5 |
|
灭火剂储量 |
2562 kg |
1275 kg |
967.2m3 |
|
储存装置数量（套） |
61 |
17 |
78 |
|
储存压力（20℃Pa） |
5.75 |
2.5 |
15 |
|
储瓶间面积比例（％） |
6（高压） |
2 |
6 |
|
设备器材价（万元） |
168 |
121 |
134 |
注：CO2灭火系统备用量等于储存量2562 kg，其气体及相应设备价格取成套设备的0.7。
5 结论
通过上述的技术经济比较可以看出，虽然CO2灭火系统在单位价格上相对较低，但根据《二氧化碳灭火系统设计规范》（GB50166—92）中3.1.5条规定：当组合分配系统保护5个及以上的防护区或保护对象时，或者在48h内不能恢复时，二氧化碳应有备用量，备用量不应小于系统设计的储存量。因此，二氧化碳灭火系统造价最高，而且考虑到本工程各防护区的特点（六个防护区中有四个为有人场所）设计不采用CO2灭火系统。FM200有很好的灭火效果，并被美国环境保护署推荐，得到美国NFPA2001及ISO的认可。FM200灭火系统与烟烙尽灭火系统比较，前者在灭火效果上和系统造价方面略有优势，因此，本阶段设计推荐采用FM200灭火系统。