配电室气体灭火系统的选型比较

刘小川 陈安琪

(中国人民武装警察部队学院研究生四队,河北 廊坊)

摘要:气体灭火系统采用气体做灭火介质,电绝缘性高、灭火速度快、清洁无污染,在配电室的气体灭火系统应用越来越广泛。本文以某大厦配电室为例,从安全性、稳定性、经济性三方面考虑,对比分析二氧化碳气体灭火系统,FM200(七氟丙烷灭火系统)和IG541气体灭火系统三种哈龙替代气体灭火系统各自的优缺点,对配电室的气体灭火系统选型有一定指导意义。

关键词:哈龙替代气体灭火系统;配电室;七氟丙烷;灭火剂

1 引言

考虑到哈龙灭火设备基本已经被淘汰,针对配电室的气体灭火系统,现如今常用气体灭火系统包括二氧化碳,FM200(七氟丙烷)和IG541三种。CO2是一种无色无味不导电的惰性气体,主要通过窒息作用来灭火,并且CO2释放时由压缩液态转化为常压气态吸取大量热量,能够降低火场温度。七氟丙烷同样无色无味,且热稳定性和化学稳定性良好,发生火灾时喷射七氟丙烷,一方面灭火剂释放游离基,阻碍燃烧过程中链反应持续进行,利用化学作用灭火,另一方面气化也能降低环境温度。IG541是由三种惰性气体混合而成—52%氮气、40%氩气和8%的CO2,由气体组成成分可得该种灭火剂对环境污染几乎为零,它的灭火原理主要是窒息作用。

下面从安全性,稳定性和经济性三个方面来讨论高压二氧化碳气体灭火系统,FM200(七氟丙烷)和IG541三种气体灭火系统的优势与不足。

2 安全性

2.1 对人体的毒害性

本文通过对比三种气体在变配电室的设计浓度和各自的LOAEL、NOAEL两种毒性指标,对比分析三种气体灭火系统动作时对人体是否产生明显的毒害作用。并且,我们知道火场温度较高,高温下气体灭火剂的性质也会发生改变,对未及时逃离的被困人员的毒害性也可能不同,具体情况如表1所示。

表1 三种气体对人体毒害性

① 一般认为CO2浓度达到20%即对人体毒害作用明显
  注:1.LOAEL为观察到毒性学或者生理反应的最低浓度;
  2.NOAEL为观察到无不良反应的最高浓度

CO2在配电室的设计气体浓度远高于对人体的致死浓度,所以在系统设计时需要考虑提前疏散人群。对于FM200而言,设计浓度接近于其LOAEL的浓度指标,且在真实应用中,七氟丙烷会在高温火场内产生HF气体,HF具有刺激性气味且有一定腐蚀性。IG541灭火剂三种组分都是来自大气中的惰性气体,在人体健康影响方面相对其他两种灭火剂来说是较安全的灭火剂,其设计浓度低于两项毒性指标;虽然它降低了火场的氧气浓度,但是灭火剂中含有的CO2会加强人体呼吸作用,这样就在抑制火灾同时保证人体机能处于较安全的生理水平。

2.2 对环境的影响

气体灭火剂对环境的影响主要在温室效应和对臭氧层的破坏方面。我们利用温室效应潜能值(GWP)表征对温室效应的影响,利用对大气臭氧层损耗潜能值(ODP)来表征臭氧破坏能力,ALT是三种气体在大气中存留寿命。具体数据如表2所示。

表2 三种气体对环境的影响

三种灭火剂都属于哈龙替代灭火剂产品,在对臭氧层的破坏方面均克服了哈龙系列灭火剂的缺点,对臭氧层几乎没有影响。但在促进温室效应的方面,CO2在大气中会产生较强的温室效应,并且存留时间也最长;七氟丙烷温室效应对比前者较弱,存留时间为31年;IG541灭火剂成分属于大气本身组成成分,属于绿色无污染产品。

2.3 对保护物的影响

三种气体灭火后在防护区内基本无残留,但是具体情况下,还是会对防护区内物品产生一定的影响。

CO2在释放过程中由于气化吸热,周围环境会出现“激冷”现象,空气中水冷凝在一些精密仪器或者电子设备上会有一定的破坏作用;另外,CO2在高压充装时,压力能达到15MPa,释放过程中气体的冲击力可能损坏周围围护物。

七氟丙烷同样采用高压液化贮存,使用过程中也存在“激冷”现象,但相对CO2较弱;同时七氟丙烷在火场中会产生一定量的HF,氢氟酸虽然是弱酸,但是其特殊的属性使得它对玻璃等一些特定材质物体腐蚀性较强。

IG541没有腐蚀性,它是以气体的状态存储,也不存在“激冷”现象;但它同CO2一样,贮存时压力较高(通常达到20MPa),故对周围物体有较强的冲击破坏作用。

3 稳定性

3.1 系统自身的可靠性

系统自身可靠性指的是系统在待工作状态下,保持自身管路无泄漏、气瓶压力正常的能力,这些指标很大程度取决于三种系统的贮存压力和贮存设备选择情况。

由表3可知,压力最高的为IG541系统,充装的压力越大,在环境温度升高时,气瓶内压力升高越快,气瓶的稳定性越差;另外,高压气体对管路材质及连接方式提出更高的要求。

表3 三种灭火剂贮存情况

3.2 灭火效果

气体灭火系统的喷射时间决定了气体灭火的速度,一般而言喷射时间越快,意味着防护区内灭火剂越快达到设计浓度,火焰随之熄灭。相对其他灭火系统,气体灭火系统灭火速度快,但火场温度变化小,着火物容易复燃,因此三种灭火系统设置有规定的灭火剂浸渍时间,即灭火剂在空气中维持一定浓度的持续时间。三种系统的喷射和浸渍时间如表4所示。

表4 三种系统的灭火效率

NFPA规定对于CO2喷射时间不大于60s,但在国内一般的变配电场所均设置在10s左右;七氟丙烷在一般场所喷射时间要求是10s以内,通讯机房和电子机房是8s以内;IG541的喷射时间为48s以上60s以内,与前两者相比要长很多,因此其灭火相对较慢。而在浸渍时间方面,七氟丙烷的密度远大于空气,容易沉降到地面,所以浸渍时间小于另外两者,但是由于其存在化学灭火作用,灭火效果相对较强。所以综合来看,IG541的灭火效果在三者中属于最弱。

4 经济性

国内市场上应用的气体灭火系统通常采用组合分配式或者无管网系统。保护区较多时,采用组合分配式能使多个防护区可以共用一套系统,大量节约了设备和材料费用;保护区单一时,无管网系统没有管网和安装费用,经济性最佳。

决定经济性最主要的是设备一次性投入费用,主要包括灭火剂和气瓶的费用。当系统采用无管网时,仅需要考虑设备和材料费用;当采用组合分配式时,IG541系统由于设计浓度和压力都较高,设备附件较多,在灭火剂和气瓶费用与其他系统相同时,总的一次性投入费用比其他系统要高。当计算管线费用,人工费用等,管网投入一般为设备投资的5%左右,人工费用FM200相对最低。

选取某大厦中主楼和北附楼配电室来进行灭火剂和所需要气瓶费用的计算。该大厦主楼于27层有一个变配电所,面积较小且空间封闭性满足条件,单一防护区宜采用无管网系统;北附楼地下一层有一个配电所和一个20kV高压配电室,两防护区均采用气体灭火系统,此时采用组合分配式较为经济。配电室的建筑参数如表5所示。

表5 建筑参数

4.1 无管网式

(1)灭火剂用量计算。不同灭火剂计算方式不同:

① 高压二氧化碳灭火系统设计用量

V=VVVg

式中 Kb —物质系数,变配电场所取值2.0;

K1 —面积系数,kg/m2,数值取0.2;

K2 —体积系数,kg/m3,数值取0.7;

A —折算面积,m2

AV —内表面总面积,m2

A0 —开口面积,m2

VV —防护区净容积,m3

② 七氟丙烷灭火系统设计用量

式中 C —七氟丙烷设计浓度;

S —七氟丙烷过热蒸汽在101kPa防护区最低温度下的比容,经计算取0.13716m3/kg;

K —海拔系数,取1。

③ IG541灭火系统设计用量

式中 C —IG541的设计浓度,对于变配电室一般可采用40%;

S —IG541在101KPa防护区最低温度下的比容,经计算取0.697m3/kg。

结合无锡太湖大厦图纸,本文对三种系统进行大致计算,管网及气瓶内剩余气体忽略不计。按照以上方法计算出三种系统各自的设计灭火剂用量如表6:

表6 三种系统灭火剂用量

(2)费用的计算。按照常见充装形式,CO2和IG541采用70L无缝钢瓶充装,七氟丙烷采用90L普通钢瓶充装。总的费用计算公式为

M=K1ω+K2N

式中 K1K2 —灭火剂单价与气瓶单价;

W —系统所需灭火剂用量

N —系统所需气瓶数量

根据3.11中计算而得的三种系统的灭火剂用量和各个系统的充装率计算如表7。

表7 三种无管网气体灭火系统费用

就单一保护区域而言,灭火剂和设备用量很大程度上就可以决定总的投资,此种情况下七氟丙烷是经济性较好的选择。

4.2 组合分配式

由图纸可得,设计组合分配系统时,灭火剂的用量应该按防护区体量较大的一个来确定,在1#变配电所和20kV高压配电室中按照1#变配电所来计算。

用3.1中同样的方法来确定一次性投入使用费用,总费用估算如表8:

表8 组合分配式系统费用

该组合分配式系统经计算可得,选用七氟丙烷最为经济。

通过文献调研,七氟丙烷系统经济性最好,IG541系统的经济性最差。二氧化碳系统的经济性浮动较大,有的时候会优于七氟丙烷系统,一是由于二氧化碳灭火系统的物质系数KBKB是根据火灾类型不同而不同(从1.0至3.30),这使得灭火剂的用量浮动较大;二是由于在采用组合分配式时,其余两种灭火系统单套系统最大能防护8个防护区,而超过4个防护区时,二氧化碳灭火系统需增设一套,这就使得在防护区较多时,选择二氧化碳灭火系统经济性没有太大优势。

参考文献

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