新型船用七氟丙烷气体灭火装置研究

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(中国船舶重工集团公司 第七〇三研究所，哈尔滨 150078)

七氟丙烷(HFC-227ea)是一种新型的洁净气体灭火剂。七氟丙烷对大气臭氧层没有破坏作用，无色、无臭、不导电、不击穿电子电器设备、热稳定性和化学稳定性良好、液相储存稳定。其灭火机理既有物理作用(冷却火焰温度)，又有化学作用(中断链式反应)，灭火速度快，灭火效能高，非常适合保护电气、机电设备、磁介质等设备。其灭火后无固、液相残留物，对保护的物品无损害，灭火浓度低，喷射到防护区内后能立即闪蒸成气态，可应用于全淹没气体系统。因七氟丙烷释放压力小、无毒，灭火后对现场人员影响小，故七氟丙烷系统受到美国NFPA(洁净气体灭火剂及灭火系统设计规范)、UL(美国保险商试验室)等认可，并由美国环保署(EPA)同意可以使用在有人员工作的场所，七氟丙烷洁净灭火气体是国际公认的对人体无害的灭火药剂，已成为取代哈龙1301的一种较好灭火剂，在国内外已经广泛应用。

七氟丙烷灭火剂的主要特点。

1)环保。臭氧耗损潜能值(ODP)为零，不会破坏大气臭氧层，灭火后无残渣，对设备无污损。

2)安全。七氟丙烷的未观察到不良反应浓度NOAEL值为9%，可观察到不良反应最小浓度(LOAEL)为10.5%，而一般七氟丙烷的灭火设计浓度为7%～9%，最大不超过10%，对人体无害。

七氟丙烷灭火剂的物理性能见表1[1]。

表1 七氟丙烷灭火剂的物理性能

七氟丙烷作为哈龙替代的清洁高效灭火剂，技术已比较成熟。但我国船用七氟丙烷灭火装置开发不多。本文介绍一种新型船用七氟丙烷气体灭火装置。

1 系统构成

系统主要由3个彼此独立又相互联系的部分组成：①火灾探测系统；②火灾报警及灭火控制系统；③气体灭火执行系统。

火灾探测系统应对发生在防护区内的火灾具有自动探测的功能。

火灾报警及灭火控制系统包括火灾报警器及灭火控制器，在火灾探测器动作的情况下，能够发出火灾警报，并能够向控制单元发出联动信号和灭火信号。

气体灭火执行系统由灭火剂瓶组、启动空气系统、灭火剂输出喷射设备、压力反馈装置等组成，包括灭火剂容器瓶、容器阀组件、启动气瓶、三通分配阀、气动球型开关阀、单向阀、高压软管、灭火剂释放管路、压力信号器、喷嘴等。根据使用要求，可组成独立单元系统或组合分配系统，实施对单区或多区的消防保护。

火灾探测系统和火灾报警及灭火控制系统可以系统集成，本文着重介绍气体灭火执行系统。

2 系统工作原理

防护区一旦发生火灾，火灾探测器动作，火灾报警系统发出报警信号，灭火控制器发出启动信号，或启动现场接通箱，使灭火剂投入。原理如下。

启动气瓶内充满4.5 MPa的压缩空气，当接到启动信号后，三通分配阀动作，其入口与工作口连通，压缩空气由启动空气瓶经三通分配阀一路进入球形开关阀使其打开，主管路贯通，另一路进入灭火装置的启动释放控制阀，打开容器阀，灭火剂通过高压软管、单向阀、气动球形开关阀、输送管、喷头等进入被保护区域。与此同时，断开通风装置并关闭通风阀来密封舱室。通过向着火区域释放大量的灭火剂来抑制燃烧的化学反应和降低空气中的含氧量和温度，使可燃物的燃烧终止或逐渐窒息，实现灭火。在灭火剂进入到输送管路压力达到0.4 MPa时，压力信号器动作，向控制设备反馈“化学灭火系统已启动”信号。

当灭火控制器自动和遥控启动均失效的情况下，可手动开启现场接通箱，或直接开启三通分配阀，通过压缩空气把球形开关阀和容器阀打开来启动灭火设备，还可手动启动释放控制阀和球形开关阀来启动该灭火装置，实施人工启动灭火。灭火系统原理见图1。

图1 气体灭火系统原理示意

气体灭火系统工作程序见图2。

图2 气体灭火系统工作程序示意

3 主要性能参数

主要技术参数如下[2]。

系统灭火方式：全淹没。

工作温度范围：0～50 ℃；

灭火装置最大工作压力(50 ℃)：5.3 MPa；

灭火装置额定工作压力(20 ℃)：4.2 MPa；

灭火剂瓶容积：40、70、90、120 L；

系统工作电源：AC220 V 50 Hz，DC24 V；

增压气体：氮气或空气；

充装密度：950 kg/m3；

启动气体：压缩空气；

启动气体压力(20℃)：4.0～4.5 MPa；

系统喷射时间：≤10 s；

系统启动方式：自动、遥控、手动。

4 系统设计

4.1 灭火浓度

七氟丙烷灭火系统最小灭火浓度为7%，未观察到不良反应最大浓度(NOAEL)9%，可观察到不良反应最小浓度(LOAEL)10.5%，根据保护场所可燃物类型以及火灾场景类型，其灭火设计浓度一般设计为8%～9%，最大可设计为10%。

4.2 喷头布置

在保护区内，喷头流量均应按同一灭火设计浓度、同一喷放时间进行设计。喷头保护高度最大不宜大于6.5 m，最小不应小于0.3 m；喷头安装高度小于1.5 m时，保护半径不宜大于4.5 m；喷头安装高度不小于1.5 m时，保护半径不应大于7.5 m。喷头宜贴近防护区顶面安装，距顶面最大距离不宜大于0.5 m。喷头的布置应满足喷放后气体灭火剂在防护区内均匀分布的要求。

4.3 喷放压力

系统一般采用氮气增压输送，由于舰船氮气获取相对困难，也可使用压缩空气进行增压输送，储存容器的增压压力一般为4.2 MPa(20 ℃)，因此容器阀喷放压力就是4.2 MPa(20 ℃)。

4.4 喷放时间

七氟丙烷灭火时遇热分解产生氟化氢(HF)对人体呼吸系统有刺激作用，并腐蚀电子设备。试验证明灭火剂释放越快，防护区内达到灭火浓度的时间越短，分解物会越少，只要喷射时间和灭火时间能按要求得到控制，灭火过程中只有少量七氟丙烷分解并形成氢氟酸(HF)，不足以损坏电子仪器及和贵重物品，也不会对人呼吸道产生刺激作用。因此七氟丙烷灭火系统的设计，要求火灾发现早，灭火剂释放时间短，缩短七氟丙烷系统喷放时间可有效提高系统灭火效能，减少灭火过程中HF的生成浓度。

目前我国气体灭火系统设计规范中规定的七氟丙烷系统喷放时间不大于10 s，在舰船上喷放时间一般也不超过10 s，当然，缩短喷放时间对灭火更有利，但由于缩短喷放时间需要系统提供更高压力的增压气体，增加通道直径等，以提高七氟丙烷喷放速率，这会增加系统设计和产品设计的难度，尤其对于远离储瓶间的防护区，其难度会更大一些。

4.5 启动方式

七氟丙烷灭火系统包含三种启动方式：自动启动、半自动启动和人工应急启动。通常情况下，系统应处于自动启动状态；系统在失去火灾自动探测与报警的情况下应能完成半自动启动和人工应急启动。

1)自动启动。将灭火控制器上控制方式选择键拨到“自动”位置时，灭火系统处于自动控制状态。此时，系统具有延时启动功能。当防护区有火灾发生，火灾探测器发现火情后，信息上传到火灾报警及灭火控制系统，发出声、光报警信号，同时发出联动指令，关闭连锁设备(如停电、停止通风机及关闭通风阀等)，经过约0～30 s后，发出灭火指令，接通三通分配阀，继而打开容器阀和球形开关阀，释放七氟丙烷实施灭火。在自动控制状态下，也可实现手动控制。

2)半自动启动(手动控制)。将灭火控制器上控制方式选择键拨到“手动”位置时，灭火系统处于手动控制状态。当保护区发生火情，即可按下灭火控制器上的启动按钮，或按下现场接通箱上的启动按钮，仍按上述程序实施灭火。

在自动启动和半自动启动情况下，若已经发出火灾警报，在延时时间内而发现有异常情况，需要停止启动灭火系统时，可按下现场接通箱或火灾报警及灭火控制器上的紧急停止按钮，即可阻止控制器发出灭火指令。

3)人工紧急启动(应急操作)。当火灾报警系统或灭火控制系统发生故障、不能投入工作时，若保护区发生火情，欲启动灭火系统，应先通知有关人员撤离防护区，手动启动“关闭联动设备”，再开启三通分配阀，把球形开关阀和容器阀打开，启动灭火设备；也可手动启动释放控制阀和球形开关阀来启动该灭火装置，实施灭火。

5 关键组件

5.1 灭火剂容器瓶

灭火剂容器瓶用于盛装七氟丙烷灭火剂和增压气体。其公称工作压力5.3 MPa，额定工作压力4.2 MPa(20 ℃)，最大工作压力5.3 MPa(50℃)，灭火剂瓶容积有40、70、90、120 L等规格，根据保护区容积可选取适当的规格进行匹配。七氟丙烷一般呈液态形式存在于容器瓶下部，上部是增压气体(氮气或空气)与七氟丙烷饱和蒸气的混合物。在容器瓶的内部有一根虹吸引管，一直通到容器瓶的底部，当释放灭火剂时，瓶内增压气体把药剂通过虹吸引管压出。

5.2 充注阀

充注阀是给灭火剂容器瓶内充装药剂和增压气体的组件。当需要给容器瓶内充注药剂和增压气体时，充注阀被药剂顶开，充注完成后，自动关闭。

5.3 压力显示单元

压力显示单元由压力表及压力表阀组成，正常情况下，能够实时显示容器瓶内的压力，当压力表需要维修或校验时，只需把压力表拧下更换即可，压力表阀自动关闭，不影响系统工作。

5.4 安全泄放阀

在容器阀上及驱动气体管路上分别装有安全泄放阀。泄放阀采用爆破膜片式结构，密封性好，动作可靠。安全阀设定动作压力为7.1±0.4 MPa，当系统超过该设定压力时，安全泄放阀动作，排出系统内的气体。需要说明的是，安全泄放阀动作后，灭火剂直接排到室外，无法回收。

5.5 启动释放控制阀

启动释放控制阀装于容器阀上，是用于自动或手动启动灭火装置的机构。控制阀上有驱动气体接口，当驱三通分配阀动作后，驱动气体进入启动释放控制阀，释放掉容器阀内的背压，容器阀打开，灭火剂被释放掉。启动释放控制阀还可以通过拔出保险，手动转动手轮来启动灭火装置。

5.6 容器阀

容器阀位于灭火剂容器瓶之上，与充注阀、启动释放控制阀、安全泄放阀及压力显示单元等组成容器阀组件，具有封存药剂、压力显示、药剂释放、药剂充装及超压排放等功能。

容器阀结构上采用直流式出口，阻力小；采用差压式密封技术，重复操作性好，密封可靠，更能耐久储存。利用容器阀滑阀上下作用面的面积差，以增压气体的作用使之产生压差来压紧滑阀，从而达到密封的目的。与传统的机械压紧密封相比，差压式密封的作用力是恒定的。

开启方式采用背压释放开启。启动释放控制阀在驱动气体或手动作用下，释放掉容器阀的背压，在增压气体压力的作用下打开主阀，药剂随即喷出。

5.7 气动球形开关阀

气动球形开关阀安装在灭火系统管路上，作为灭火剂的截止装置。发生火灾时，驱动气体进入气动球形开关阀的伺服机构，将阀门打开。

该阀由主阀和伺服机构组成。

气动球形开关阀可以气动开启和关闭，紧急情况下，也可用手动打开或关闭。

主要设计参数如下。

公称通径：65 mm；

公 称 压 力:6.4 MPa；

工作介质:灭火剂；

控制方式:气动控制、手动控制；

伺服机构工作介质:3.0～4.5 MPa压缩空气。

5.8 三通分配阀

三通分配阀是整个灭火系统的启动控制机构，安装在启动空气瓶的出口管路上，接受灭火控制器的启动指令，驱动气体通过三通分配阀进行各管路的分配，打开气动球形开关阀和容器阀，进而释放灭火剂实施灭火。该阀可以自动控制也可手动应急操作。

三通分配阀主要技术参数如下。

工作介质：空气；

工作压力：3.0～4.5 MPa；

电源电压：DC24或AC220 V；

通电时间：连续通电。

工作原理：当通电时，动铁心吸合，关闭先导孔，气体推动滑块运动，使工作口与入口相通；当断电时，先导孔打开，气体推动滑块运动，工作口与排空口相通，实现气体分配的功能。该阀还可以手动应急操作。原理见图3。

图3 三通分配阀工作原理示意

5.9 充注装置

为了便于舰船保障，系统配备一套充注装置。在舰船甲板上设有气体灭火设备专用接口，直接通往气体灭火设备舱，当灭火剂容器瓶内缺少药剂或增压气体压力较低时，不需要将气体灭火设备拆下，可以使用该装置通过这些接口直接为灭火装置充注药剂和增压气体。这样不会中断对防护区的保护，整个过程简易方便。

6 技术特点

1)容器阀采用差压式结构，密封可靠，重复密封性好。

2)容器阀采用直流出口，口径大，阻力小。

3)压力显示单元采用专用阀结构，维修更换不影响系统正常运行。

4)一般气体灭火系统控制管路上设有低压自动排气阀，防止启动瓶微量泄漏造成容器瓶误动作。采用三通分配阀控制技术，分配阀工作口与排空口在备便状态下始终接通，即使有微量泄漏，也不会使容器阀意外启动，简化了系统，提高了系统可靠性和安全性。

5)备有专用充注装置，实现了药剂的快速在线充注。采用专用充注装置不但可以避免拆卸，更重要的是不会中断对防护区的保护，解决了药剂罐需拆除后返回工厂离舰充注的问题，缩短了保障时间。整个过程简易方便。

6)环保性能好，使用安全。

7 适用范围和应用场所

7.1 适用范围

七氟丙烷灭火系统适用于扑救固体表面火灾(A类火灾)、液体火灾或可熔化的固体火灾(B类火灾)、灭火前能切断气源的气体火灾(C类火灾)及电气设备火灾；不能用于扑救自身含氧化剂的化学制品及混合物火灾(如硝化纤维)、活泼金属火灾(如钾、钠、镁)、能自行分解的化学物质火灾(如过氧化氢)等。

7.2 应用场所

主要应用场所包括：机炉舱、辅机舱、舵机舱、辅推装置舱、减摇装置舱、发电机舱、电站、机库、电子设备舱室、配电间、特种舱室(弹药舱)以及燃油贮存舱等，系统主要通过全淹没灭火方式为上述舱室提供消防保护。

[1] 中华人民共和国公安部.气体灭火系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006.

[2] 中华人民共和国公安部.气体灭火系统及部件[S].北京：中国标准出版社，2011.