气体灭火系统改造研究

刘建民

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

1 改造必要性分析

某电站仓库采用低压二氧化碳全淹没气体灭火系统用以扑灭保护区的气体、液体、固体火灾。该系统通过组合分配系统对3 个防护区进行保护，防护区分别为仓库一层的恒湿库、二层的恒湿库与恒温恒湿库。在火灾情况下，该系统喷放足够浓度的二氧化碳气体，减少保护区的火灾损失，确保人员安全撤离。系统主要由灭火剂储罐、附属制冷机、主阀、选择阀、机械应急启动装置、安全阀、灭火控制装置、喷嘴和管道等部件组成，可通过自动控制、手动控制或机械应急操作方式灭火。

系统中灭火剂储罐共有9 台，均为额定压力2.0 MPa、容积0.5 m3的立式焊接储罐。自2003 年开始投入运行，目前已接近《气瓶安全技术规程》规定的钢质焊接储罐设计使用年限20 年，且该储罐已停产，无法采购同类型储罐进行更换。灭火剂储罐及其附属制冷系统和相应管线、阀门在运行多年后，出现老化等情况，设备故障频发。对历年来的故障进行统计，主要有以下2 点：

（1）灭火剂储罐高压报警。灭火剂储罐正常运行压力为2.0±0.2 MPa，由于灭火剂储罐的附属制冷系统运行效果差，每年夏季都会有灭火剂储罐出现高压报警情况，当压力超出正常运行压力上限后，还会导致灭火剂储罐安全阀动作，灭火剂从安全阀流失情况。

（2）灭火剂储罐低液位或空罐报警。储罐中灭火剂存量通过安装在储罐内的光电液位仪监测，当灭火剂存量减少10%时显示低液位，灭火剂排空时显示空罐信号。由于灭火剂储罐的气相平衡阀、液相充装阀等边界阀密封不严和储罐高压导致安全阀动作等原因，会出现灭火剂流失的情况，即会导致灭火剂储罐出现低液位或空罐报警。

上述故障严重影响了低压二氧化碳气体灭火系统的安全、稳定运行。

气体灭火系统是减轻火灾事故伤害而采取的防范控制措施，对于消防安全是必要的。现有低压二氧化碳灭火系统继续运行将导致灭火剂储罐超出设计使用年限，同时系统设备故障率较高，存在较大的安全隐患。为保证电站仓库物项、人员的安全，有必要对该系统进行改造。

2 气体灭火系统比选

该电站仓库低压二氧化碳灭火系统的保护区包括2 个恒湿库和1 个恒温恒湿库，其火灾危险性为丙类，耐火等级为一级。选取市场上常见的七氟丙烷气体灭火系统和高压、低压二氧化碳气体灭火系统进行比较。

2.1 七氟丙烷气体灭火系统

七氟丙烷气体灭火系统是一种高效能的灭火设备，其灭火剂HFC-ea 是一种新型高效的灭火剂，为无色、无味、不导电、无二次污染的气体，对臭氧层无破坏，在大气中的残留时间比较短，环保性能优越。七氟丙烷灭火系统灭火浓度低，灭火剂用量较少，钢瓶使用量少，所占空间少。发生火灾时，七氟丙烷灭火系统会自动喷出七氟丙烷气体，七氟丙烷灭火以化学抑制为主，物理窒息和降温为辅。系统装置设计先进、性能可靠，操作简单，环保良好。

2.2 二氧化碳气体灭火系统

根据储存压力的不同，二氧化碳气体灭火系统可分为高压二氧化碳气体灭火系统和低压二氧化碳气体灭火系统。高压二氧化碳灭火系统能够以常温的方式储存灭火剂，降低了日常的维护成本，较高的储存压力使灭火剂允许有较长的输送距离，同时因为压力较高对储存环境的温度要求比较严格。低压二氧化碳气体灭火系统采用制冷系统来降低灭火剂的储存压力，同时也降低了管网的设计压力，由于降低了储存压力，使该系统的输送距离随之降低，对于防护区数量较多的工程增加了灭火系统的数量，且制冷机使用年限较短，制冷效果随着设备老化会大幅减弱，需频繁更换，增加了系统的日常维护成本。

2.3 3种气体灭火系统对比分析

根据《二氧化碳灭火系统设计规范》，低压和高压二氧化碳气体灭火系统设计浓度均为47%，所需灭火剂储存用量为5040 kg。原低压二氧化碳储罐目前已停产，此次改造选择市场上常见的2 个含灭火剂量3000 kg 的储罐，储罐尺寸为L×B×H=4.00 m×1.45 m×1.90 m。原有建筑气瓶间尺寸长×宽×高为6.88 m×6.00 m×3.00 m，在不破坏原有结构的基础上，低压二氧化碳储罐的安装高度极为紧张，并且后续维修难度很大。

对于高压二氧化碳灭火系统，市场上常用的高压二氧化碳灭火剂储瓶规格有40 L 和70 L，本次设计选择70 L 的储瓶。根据《二氧化碳灭火系统设计规范》，高压二氧化碳储瓶数量计算：

式中 Np——高压二氧化碳储瓶数量，只

Mc——二氧化碳储存量，kg

a——充装系数，kg/L

V0——单个储瓶的容积，L

根据式（1）计算，高压二氧化碳储瓶共需120 个。钢瓶布置间距为0.31 m，在钢瓶布置4 排的情况下钢瓶支架总长为9.45 m。原有建筑气瓶间尺寸长×宽为6.88 m×6.00 m，原有气瓶间的空间不能满足设计要求，需将原有气瓶间扩充面积。

根据《气体灭火系统设计规范》，七氟丙烷气体灭火系统设计浓度为10%，经过计算所需灭火剂储存用量为2972 kg，本次设计选取4.2 MPa、120 L 的储瓶，根据药剂总量共需44 只储瓶。钢瓶布置间距为0.38 m，在钢瓶布置4 排的情况下钢瓶支架总长为4.37 m。原有建筑气瓶间尺寸长×宽为6.88 m×6.00 m，可以满足气瓶布置要求。

根据以上计算与分析，3 种气体灭火系统的具体技术比较如表1 所示。

表1 气体灭火系统技术比较

从表1 可以看出，七氟丙烷灭火系统具有以下优点：①适用于有人工作的场所；②灭火效率高，速度快，灭火剂用量小；③洁净环保具有良好的清洁性，在大气中完全汽化不留残渣；④无需对原有建筑气瓶间尺寸进行改造，工程量较少。

综上所述，考虑消防系统安全性和改造工程量因素，恒湿库和恒温恒湿库低压二氧化碳气体灭火系统改造建议选择七氟丙烷气体灭火系统。

3 改造方案

电站仓库的防护区共有3 个，各个防护区面积和体积如表2所示，根据《气体灭火系统设计规范》，适宜采用管网灭火系统。同时根据现有低压二氧化碳气体灭火系统设计和改造成本考虑，设置组合分配系统较为适宜。各防护区选取的七氟丙烷气体灭火设计参数参考图书、档案、票据和文物资料库等防护区，灭火设计浓度选择10%，实际应用浓度不应大于1.1 倍，即11%。

表2 各防护区参数

根据《气体灭火系统设计规范》和各防护区参数表（表2），初步计算得到各防护区需要的药剂量和使用储瓶数量等结果如表3 所示。其中储瓶选用二级增压焊接结构，增压压力4.2 MPa，储瓶容积120 L。

表3 系统设计计算结果

防护区灭火设计用量计算：

式中 W——灭火设计用量，kg

C1——灭火设计浓度，%

S——灭火剂过热蒸汽在101 kPa 大气压和防护区最低环境温度下的比容，m3/kg

V——防护区的净容积，m3

K——海拔高度修正系数

灭火剂过热蒸汽在101 kPa 大气压和防护区最低环境温度下的比容计算：

式中 T——防护区最低环境温度，℃；此次取值20 ℃

K1——海拔高度修正系数，此次取值0.126 9

K2——海拔高度修正系数，此次取值0.000 513

系统储存量计算：

式中 W0——系统储存量，kg

ΔW1——储存容器内的灭火剂剩余量，kg

ΔW2——管道内的灭火剂剩余量，kg；对于均衡管网和只含1 个封闭空间的非均衡管网，其管网内的剩余量均可不计

通过上述计算与论证，将原低压二氧化碳气体灭火系统改造为七氟丙烷气体灭火系统是完全可行的，并且七氟丙烷灭火系统灭火浓度低，钢瓶使用量少，所占空间少，可以不扩充原有气瓶间。同时考虑到二氧化碳气体会导致人员窒息的影响，改造为七氟丙烷灭火系统后的安全性将优于高压、低压二氧化碳气体灭火系统。

4 结语

通过对七氟丙烷气体灭火系统和高压、低压二氧化碳气体灭火系统进行对比分析，对七氟丙烷药剂用量等参数进行计算，给出了某电站仓库气体灭火系统改造的建议方案，可以作为后续系统改造的参考。