气体灭火系统设计工程技术报告

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国际社会为保护大气臭氧层而签署的《保护臭氧层维也纳公约》、《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书(修订本)》等国际公约于2005年在我国生效，对大气臭氧层具有极强的破坏作用的卤代烷(Halon)“1301”和“1211”灭火系统被禁止使用。哈龙替代品和替代技术研究迅速发展，高、低压二氧化碳、七氟丙烷、混合气体IG541(以下简称IG541)、热气溶胶、三氟甲烷等气体灭火系统相继出现。本文就目前三种常用的气体灭火系统的组成、性能、特点、适用范围等方面进行分析比较，希望能给同行在气体灭火系统设计中提供参考。

1．灭火剂的组成

七氟丙烷和三氟甲烷的组成如下：要求的质量比纯度最 小99.6%,酸的含量相当于HCL的重量当量不大于3ppm，水的重量含量最 大以10ppm为佳，无效的剩余杂质最 大为0.01%质量比，没有悬浮或沉淀物。

IG541：是由52%的氮气N2、40%的氩气Ar和8%的二氧化碳CO2组成，其混合气体的组成如下：N2-52%±4%、Ar-40%±4%、CO2-8%＋1%-0%、水的重量含量小于0.005%，没有悬浮或沉淀物。

2．灭火剂性能

七氟丙烷分子式为CF3CHFCF3，HFC-227ea，NOAEL浓度为9.0%，LOAEL浓度是大于10.5%，LC50（有50%的试验小鼠致死在暴露4h的灭火浓度）为大于80%，设计灭火浓度为7.5%～10%，其储存压力有3种，2.4MPa、4.2MPa和5.6MPa，一般其输送距离不宜大于30米，当采用4.2MPa时，输送距离不大于45米，当采用5.6MPa时，输送距离不大于65米。

三氟甲烷分子式为CHF3，HFC-23，NOAEL（未观察到在生理上或毒性反应上产生影响的最 高浓度）浓度为50%，LOAEL（可观察到在生理上或毒性反应上产生影响的最 低浓度）浓度是大于50%，LC50（有50%的试验小鼠致死在暴露4h的灭火浓度）为大于65%，设计灭火浓度不低于16.0%，其系统在20℃时的储存压力为4.2MPa，最 高工作压力(50℃)为13.7MPa，其输送距离不宜大于60米。

IG541的NOAEL浓度为43%，LOAEL浓度是大于52%。但气体目前的储存压力有两种规格，一是15.0MPa，另一种是20.0MPa，目前这种气体的储存压力较高，系统管网计算复杂，最 大输送距离不宜大于150米。

3．灭火特点

七氟丙烷

1)保护环境：七氟丙烷是无色、无味的气体，其臭氧耗损潜能值（ODP）为零，在ISO认可的洁净气体灭火剂中，其洁净性最 好，具有清洁、低毒、电绝缘性能好、灭火效率高的特点。

2)保护生命安全：七氟丙烷的未观察到不良反应浓度NOAEL值为9%，而一般七氟丙烷的灭火设计浓度为10%以下，对人体基本无害。

三氟甲烷

1)保护环境：三氟甲烷是一种人工合成的无色、几乎无味、不导电气体，对臭氧层的耗损潜能值（ODP）为零，符合国家政策和环保要求，是公安部消防局和国家环保总局首推的哈龙灭火剂替代物之一，密度为空气的2.4倍。

2)保护生命安全：三氟甲烷的未观察到不良反应浓度NOAEL值为50%，对人体无害。

3)工作温度范围大。在标准大气压下，三氟甲烷的沸点为-82.0℃，其工作温度范围为－20℃～＋50℃。

IG541

1)保护环境：IG541灭火系统采用的IG541混合气体灭火剂是由大气层中的氮气（N2）、氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）三种气体以52%、40%、8%的比例混合而成，故它的释放只是将这些天然的气体放回大气层，对臭氧耗损潜能值（ODP）为零、温室效应潜能值（GWP）为零，且此灭火剂在灭火时不会发生化学反应，不污染环境、无毒、无腐蚀、电绝缘性能好。

2)保护生命安全：IG541混合气体是一种无色透明的气体，喷放时不会形成浓雾而影响视野，利于逃生，且防护区内的工作人员仍能正常地呼吸，便于火灾发生后能及时扑救，减少损失。

3)保护财产安全：IG541混合气体以压缩气体的形式储存，喷放时温度变化很小，不会对保护设备构成伤害。

4．灭火机理

七氟丙烷是化学灭火（伴随冷却作用），通过惰化火焰中的活性自由基,实现断链灭火。三氟甲烷是以物理和少量的化学方式灭火的，它主要是降低空气中氧气含量，使空气不能支持燃烧，从而达到灭火的目的；同时，在灭火过程中伴有化学反应，即灭火剂分离有破坏燃烧链反应的自由基，实现断链灭火。IG541是物理方式灭火（冷却及窒息灭火），通过降低防护区内的氧气浓度（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。应用方式均为全淹没灭火。

5．适用范围

三种灭火系统均可用于扑救下列火灾：电气火灾（如各种带电导线火灾、电子仪器火灾）；液体火灾（如各种石油制品类、甘油等）或可熔化的固体火灾（如硫、磷、石蜡、沥青、松香、高分子材料的热塑性塑料等）；固体表面火灾（如木材、木炭、纸张、棉、麻、毛、丝、以及铜、铁、钨等）；灭火前应能切断气源的气体火灾（如煤气、氢气、液化石油气、甲烷等）。

三种灭火系统均适用于保护封闭空间的场所，其典型火灾危险场所分别为：

七氟丙烷：有爆炸危险的气体、液体类火灾的防护区；图书、档案、票据和文物资料库等；油浸变压器、带油开关的配电室和自备发电机房等；通讯机房和电子计算机房等。

三氟甲烷：有爆炸危险的气体、液体类火灾的防护区；图书、档案、票据、文物资料库、国家重点文物保护单位等；油浸变压器室、带油开关的配电室和自备发电机房、电力控制室等；通讯机房、电子计算机房、电话局交换室、UPS室等。

IG541：电气和电子设备室；通讯设备室；国家保护文物中的金属、纸绢质制品和音像档案库；易燃和可燃液体储存间；喷放灭火剂之前可切断可燃、助燃气体气源的可燃气体火灾危险场所；经常有人工作的防护区。

6．防护区

三种灭火系统都要在一个相对较为封闭的场所内才能发挥其应有的作用。在平时的设计中我们一般设置的防护分区应在100m2～800m2之间，体积在500m3～3600m3之间，用相对密闭的墙体分隔开，由于气体比空气重，所以下沉在紧贴地面的空间里，墙的高度应位于防护区建筑层高的2/3以上，一般取值范围在1.86-2.66m之间。防护区需要开设泄压口，设在外墙或屋顶，并应位于防护区净高2/3以上。

7．设计用量

七氟丙烷和IG541灭火剂设计用量在《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005规范中已详尽规定，下面只简单介绍三氟甲烷的设计用量计算。

①防护区灭火设计用量：W=1/S[C/(100-C)]V

式中W－三氟甲烷灭火设计用量（Kg）

V－防护区的净容积（m3）

C－三氟甲烷的灭火设计浓度（%）

S－三氟甲烷过热蒸汽在101kPa和防护区最 低环境温度下的比容(m3/Kg)，按下式计算：

S=0.3164+0.0012T

式中T－防护区环境温度（℃）；

②管网及容器瓶内的剩余量按设计用量的1%～2%考虑。

③系统的灭火剂用量，应为防护区灭火设计用量与系统中喷放不尽的剩余量之和。

④部分可燃物及火灾危险场所灭火剂设计浓度参照表1、2。

⑤三氟甲烷灭火时，扑灭固体火灾时，浸渍时间不宜小于10min。扑灭液体火灾时，浸渍时间不宜小于1min。

8.优缺点

七氟丙烷也是目前应用最 多、技术相对最 成熟的洁净气体灭火系统。

七氟丙烷和三氟甲烷的分解产物较多，主要成分为HF，它对人体是有伤害的；与空气中的水蒸气结合形成氢氟酸，还会对精密设备有浸蚀损害。但可以提高灭火设计浓度和增压减少分解产物。比较而言，三氟甲烷药剂毒性低于七氟丙烷，产生的氢氟酸量也小于七氟丙烷，对人的安全性较高，最 适宜保护人员经常活动或人员密集的场所。另外，三氟甲烷灭火效率较高，灭火剂输送能力强于七氟丙烷。灭火效果和环保性能介于七氟丙烷和IG541之间，其灭火剂合成比较容易，价格低于七氟丙烷，其灭火浓度和灭火剂储瓶数量远低于IG541，工程造价相对最 低。

IG541药剂本身无毒性，也不会产生毒性分解物，其环保性能和对设备的安全性能在气体灭火系统中也最 佳，特别适宜对环保要求高的场所和保护精密设备和珍贵财物。另外，IG541系统压力高(20℃压力15MPa)、气相高程阻力小，输送距离远(可达150m)、垂直输送能力强(可达30m)，对防护区分散、管网复杂、输送距离远、垂直落差大的工程尤其适用。

但IG541的灭火机理为物理灭火方式，灭火效率低，需要更多的药剂用量和贮存钢瓶、更粗的喷放管道、工程造价相对最 大；由于其灭火剂密度和空气接近，不能用于局部应用，也不能扑救固体物质深位火灾和高温封闭空间(400℃)。另外，IG541对人员有一定伤害，在人员密集场所慎重使用。

总之，气体灭火系统作为扑救特殊部位火灾的重要方式之一，设计人员在工程设计中要从以人为本、安全适用的角度出发，充分结合实际情况，综合考虑各方面因素，选择技术先进、经济合理的气体灭火系统。

表1部分可燃物火灾的三氟甲烷参考灭火浓度和设计浓度

燃料

灭火浓度(%)

最 小设计浓度(%)

A类物体表面

15

19.5

庚烷

12.9(NFPA2001-200)

16.8

12(ISO15420)

15.6

丙酮

12.0

15.6

甲醇

16.3

21.2

甲苯

9.2

12.0

表2部分可场所的三氟甲烷参考设计灭火浓度

火灾危险场所

灭火浓度(%)

图书、档案、票据、文物资料库、

国家重点文物保护单位

19.5

油浸变压器室、带油开关的配电室、

自备发电机房、电力控制室

16.8

通讯机房、电子计算机房、电话局交换室、UPS室

16.8