新型船用七氟丙烷氣體滅火裝置研究

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(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

七氟丙烷(HFC-227ea)是一種新型的潔凈氣體滅火劑。七氟丙烷對大氣臭氧層沒有破壞作用，無色、無臭、不導電、不擊穿電子電器設備、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性良好、液相儲存穩(wěn)定。其滅火機理既有物理作用(冷卻火焰溫度)，又有化學作用(中斷鏈式反應)，滅火速度快，滅火效能高，非常適合保護電氣、機電設備、磁介質(zhì)等設備。其滅火后無固、液相殘留物，對保護的物品無損害，滅火濃度低，噴射到防護區(qū)內(nèi)后能立即閃蒸成氣態(tài)，可應用于全淹沒氣體系統(tǒng)。因七氟丙烷釋放壓力小、無毒，滅火后對現(xiàn)場人員影響小，故七氟丙烷系統(tǒng)受到美國NFPA(潔凈氣體滅火劑及滅火系統(tǒng)設計規(guī)范)、UL(美國保險商試驗室)等認可，并由美國環(huán)保署(EPA)同意可以使用在有人員工作的場所，七氟丙烷潔凈滅火氣體是國際公認的對人體無害的滅火藥劑，已成為取代哈龍1301的一種較好滅火劑，在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用。

七氟丙烷滅火劑的主要特點。

1)環(huán)保。臭氧耗損潛能值(ODP)為零，不會破壞大氣臭氧層，滅火后無殘渣，對設備無污損。

2)安全。七氟丙烷的未觀察到不良反應濃度NOAEL值為9%，可觀察到不良反應最小濃度(LOAEL)為10.5%，而一般七氟丙烷的滅火設計濃度為7%～9%，最大不超過10%，對人體無害。

七氟丙烷滅火劑的物理性能見表1[1]。

表1 七氟丙烷滅火劑的物理性能

七氟丙烷作為哈龍?zhí)娲那鍧嵏咝缁饎?，技術已比較成熟。但我國船用七氟丙烷滅火裝置開發(fā)不多。本文介紹一種新型船用七氟丙烷氣體滅火裝置。

1 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)主要由3個彼此獨立又相互聯(lián)系的部分組成：①火災探測系統(tǒng)；②火災報警及滅火控制系統(tǒng)；③氣體滅火執(zhí)行系統(tǒng)。

火災探測系統(tǒng)應對發(fā)生在防護區(qū)內(nèi)的火災具有自動探測的功能。

火災報警及滅火控制系統(tǒng)包括火災報警器及滅火控制器，在火災探測器動作的情況下，能夠發(fā)出火災警報，并能夠向控制單元發(fā)出聯(lián)動信號和滅火信號。

氣體滅火執(zhí)行系統(tǒng)由滅火劑瓶組、啟動空氣系統(tǒng)、滅火劑輸出噴射設備、壓力反饋裝置等組成，包括滅火劑容器瓶、容器閥組件、啟動氣瓶、三通分配閥、氣動球型開關閥、單向閥、高壓軟管、滅火劑釋放管路、壓力信號器、噴嘴等。根據(jù)使用要求，可組成獨立單元系統(tǒng)或組合分配系統(tǒng)，實施對單區(qū)或多區(qū)的消防保護。

火災探測系統(tǒng)和火災報警及滅火控制系統(tǒng)可以系統(tǒng)集成，本文著重介紹氣體滅火執(zhí)行系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

防護區(qū)一旦發(fā)生火災，火災探測器動作，火災報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，滅火控制器發(fā)出啟動信號，或啟動現(xiàn)場接通箱，使滅火劑投入。原理如下。

啟動氣瓶內(nèi)充滿4.5 MPa的壓縮空氣，當接到啟動信號后，三通分配閥動作，其入口與工作口連通，壓縮空氣由啟動空氣瓶經(jīng)三通分配閥一路進入球形開關閥使其打開，主管路貫通，另一路進入滅火裝置的啟動釋放控制閥，打開容器閥，滅火劑通過高壓軟管、單向閥、氣動球形開關閥、輸送管、噴頭等進入被保護區(qū)域。與此同時，斷開通風裝置并關閉通風閥來密封艙室。通過向著火區(qū)域釋放大量的滅火劑來抑制燃燒的化學反應和降低空氣中的含氧量和溫度，使可燃物的燃燒終止或逐漸窒息，實現(xiàn)滅火。在滅火劑進入到輸送管路壓力達到0.4 MPa時，壓力信號器動作，向控制設備反饋“化學滅火系統(tǒng)已啟動”信號。

當滅火控制器自動和遙控啟動均失效的情況下，可手動開啟現(xiàn)場接通箱，或直接開啟三通分配閥，通過壓縮空氣把球形開關閥和容器閥打開來啟動滅火設備，還可手動啟動釋放控制閥和球形開關閥來啟動該滅火裝置，實施人工啟動滅火。滅火系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 氣體滅火系統(tǒng)原理示意

氣體滅火系統(tǒng)工作程序見圖2。

圖2 氣體滅火系統(tǒng)工作程序示意

3 主要性能參數(shù)

主要技術參數(shù)如下[2]。

系統(tǒng)滅火方式：全淹沒。

工作溫度范圍：0～50 ℃；

滅火裝置最大工作壓力(50 ℃)：5.3 MPa；

滅火裝置額定工作壓力(20 ℃)：4.2 MPa；

滅火劑瓶容積：40、70、90、120 L；

系統(tǒng)工作電源：AC220 V 50 Hz，DC24 V；

增壓氣體：氮氣或空氣；

充裝密度：950 kg/m3；

啟動氣體：壓縮空氣；

啟動氣體壓力(20℃)：4.0～4.5 MPa；

系統(tǒng)噴射時間：≤10 s；

系統(tǒng)啟動方式：自動、遙控、手動。

4 系統(tǒng)設計

4.1 滅火濃度

七氟丙烷滅火系統(tǒng)最小滅火濃度為7%，未觀察到不良反應最大濃度(NOAEL)9%，可觀察到不良反應最小濃度(LOAEL)10.5%，根據(jù)保護場所可燃物類型以及火災場景類型，其滅火設計濃度一般設計為8%～9%，最大可設計為10%。

4.2 噴頭布置

在保護區(qū)內(nèi)，噴頭流量均應按同一滅火設計濃度、同一噴放時間進行設計。噴頭保護高度最大不宜大于6.5 m，最小不應小于0.3 m；噴頭安裝高度小于1.5 m時，保護半徑不宜大于4.5 m；噴頭安裝高度不小于1.5 m時，保護半徑不應大于7.5 m。噴頭宜貼近防護區(qū)頂面安裝，距頂面最大距離不宜大于0.5 m。噴頭的布置應滿足噴放后氣體滅火劑在防護區(qū)內(nèi)均勻分布的要求。

4.3 噴放壓力

系統(tǒng)一般采用氮氣增壓輸送，由于艦船氮氣獲取相對困難，也可使用壓縮空氣進行增壓輸送，儲存容器的增壓壓力一般為4.2 MPa(20 ℃)，因此容器閥噴放壓力就是4.2 MPa(20 ℃)。

4.4 噴放時間

七氟丙烷滅火時遇熱分解產(chǎn)生氟化氫(HF)對人體呼吸系統(tǒng)有刺激作用，并腐蝕電子設備。試驗證明滅火劑釋放越快，防護區(qū)內(nèi)達到滅火濃度的時間越短，分解物會越少，只要噴射時間和滅火時間能按要求得到控制，滅火過程中只有少量七氟丙烷分解并形成氫氟酸(HF)，不足以損壞電子儀器及和貴重物品，也不會對人呼吸道產(chǎn)生刺激作用。因此七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設計，要求火災發(fā)現(xiàn)早，滅火劑釋放時間短，縮短七氟丙烷系統(tǒng)噴放時間可有效提高系統(tǒng)滅火效能，減少滅火過程中HF的生成濃度。

目前我國氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范中規(guī)定的七氟丙烷系統(tǒng)噴放時間不大于10 s，在艦船上噴放時間一般也不超過10 s，當然，縮短噴放時間對滅火更有利，但由于縮短噴放時間需要系統(tǒng)提供更高壓力的增壓氣體，增加通道直徑等，以提高七氟丙烷噴放速率，這會增加系統(tǒng)設計和產(chǎn)品設計的難度，尤其對于遠離儲瓶間的防護區(qū)，其難度會更大一些。

4.5 啟動方式

七氟丙烷滅火系統(tǒng)包含三種啟動方式：自動啟動、半自動啟動和人工應急啟動。通常情況下，系統(tǒng)應處于自動啟動狀態(tài)；系統(tǒng)在失去火災自動探測與報警的情況下應能完成半自動啟動和人工應急啟動。

1)自動啟動。將滅火控制器上控制方式選擇鍵撥到“自動”位置時，滅火系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。此時，系統(tǒng)具有延時啟動功能。當防護區(qū)有火災發(fā)生，火災探測器發(fā)現(xiàn)火情后，信息上傳到火災報警及滅火控制系統(tǒng)，發(fā)出聲、光報警信號，同時發(fā)出聯(lián)動指令，關閉連鎖設備(如停電、停止通風機及關閉通風閥等)，經(jīng)過約0～30 s后，發(fā)出滅火指令，接通三通分配閥，繼而打開容器閥和球形開關閥，釋放七氟丙烷實施滅火。在自動控制狀態(tài)下，也可實現(xiàn)手動控制。

2)半自動啟動(手動控制)。將滅火控制器上控制方式選擇鍵撥到“手動”位置時，滅火系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)。當保護區(qū)發(fā)生火情，即可按下滅火控制器上的啟動按鈕，或按下現(xiàn)場接通箱上的啟動按鈕，仍按上述程序?qū)嵤缁稹?/p>

在自動啟動和半自動啟動情況下，若已經(jīng)發(fā)出火災警報，在延時時間內(nèi)而發(fā)現(xiàn)有異常情況，需要停止啟動滅火系統(tǒng)時，可按下現(xiàn)場接通箱或火災報警及滅火控制器上的緊急停止按鈕，即可阻止控制器發(fā)出滅火指令。

3)人工緊急啟動(應急操作)。當火災報警系統(tǒng)或滅火控制系統(tǒng)發(fā)生故障、不能投入工作時，若保護區(qū)發(fā)生火情，欲啟動滅火系統(tǒng)，應先通知有關人員撤離防護區(qū)，手動啟動“關閉聯(lián)動設備”，再開啟三通分配閥，把球形開關閥和容器閥打開，啟動滅火設備；也可手動啟動釋放控制閥和球形開關閥來啟動該滅火裝置，實施滅火。

5 關鍵組件

5.1 滅火劑容器瓶

滅火劑容器瓶用于盛裝七氟丙烷滅火劑和增壓氣體。其公稱工作壓力5.3 MPa，額定工作壓力4.2 MPa(20 ℃)，最大工作壓力5.3 MPa(50℃)，滅火劑瓶容積有40、70、90、120 L等規(guī)格，根據(jù)保護區(qū)容積可選取適當?shù)囊?guī)格進行匹配。七氟丙烷一般呈液態(tài)形式存在于容器瓶下部，上部是增壓氣體(氮氣或空氣)與七氟丙烷飽和蒸氣的混合物。在容器瓶的內(nèi)部有一根虹吸引管，一直通到容器瓶的底部，當釋放滅火劑時，瓶內(nèi)增壓氣體把藥劑通過虹吸引管壓出。

5.2 充注閥

充注閥是給滅火劑容器瓶內(nèi)充裝藥劑和增壓氣體的組件。當需要給容器瓶內(nèi)充注藥劑和增壓氣體時，充注閥被藥劑頂開，充注完成后，自動關閉。

5.3 壓力顯示單元

壓力顯示單元由壓力表及壓力表閥組成，正常情況下，能夠?qū)崟r顯示容器瓶內(nèi)的壓力，當壓力表需要維修或校驗時，只需把壓力表擰下更換即可，壓力表閥自動關閉，不影響系統(tǒng)工作。

5.4 安全泄放閥

在容器閥上及驅(qū)動氣體管路上分別裝有安全泄放閥。泄放閥采用爆破膜片式結構，密封性好，動作可靠。安全閥設定動作壓力為7.1±0.4 MPa，當系統(tǒng)超過該設定壓力時，安全泄放閥動作，排出系統(tǒng)內(nèi)的氣體。需要說明的是，安全泄放閥動作后，滅火劑直接排到室外，無法回收。

5.5 啟動釋放控制閥

啟動釋放控制閥裝于容器閥上，是用于自動或手動啟動滅火裝置的機構。控制閥上有驅(qū)動氣體接口，當驅(qū)三通分配閥動作后，驅(qū)動氣體進入啟動釋放控制閥，釋放掉容器閥內(nèi)的背壓，容器閥打開，滅火劑被釋放掉。啟動釋放控制閥還可以通過拔出保險，手動轉(zhuǎn)動手輪來啟動滅火裝置。

5.6 容器閥

容器閥位于滅火劑容器瓶之上，與充注閥、啟動釋放控制閥、安全泄放閥及壓力顯示單元等組成容器閥組件，具有封存藥劑、壓力顯示、藥劑釋放、藥劑充裝及超壓排放等功能。

容器閥結構上采用直流式出口，阻力小；采用差壓式密封技術，重復操作性好，密封可靠，更能耐久儲存。利用容器閥滑閥上下作用面的面積差，以增壓氣體的作用使之產(chǎn)生壓差來壓緊滑閥，從而達到密封的目的。與傳統(tǒng)的機械壓緊密封相比，差壓式密封的作用力是恒定的。

開啟方式采用背壓釋放開啟。啟動釋放控制閥在驅(qū)動氣體或手動作用下，釋放掉容器閥的背壓，在增壓氣體壓力的作用下打開主閥，藥劑隨即噴出。

5.7 氣動球形開關閥

氣動球形開關閥安裝在滅火系統(tǒng)管路上，作為滅火劑的截止裝置。發(fā)生火災時，驅(qū)動氣體進入氣動球形開關閥的伺服機構，將閥門打開。

該閥由主閥和伺服機構組成。

氣動球形開關閥可以氣動開啟和關閉，緊急情況下，也可用手動打開或關閉。

主要設計參數(shù)如下。

公稱通徑：65 mm；

公 稱 壓 力:6.4 MPa；

工作介質(zhì):滅火劑；

控制方式:氣動控制、手動控制；

伺服機構工作介質(zhì):3.0～4.5 MPa壓縮空氣。

5.8 三通分配閥

三通分配閥是整個滅火系統(tǒng)的啟動控制機構，安裝在啟動空氣瓶的出口管路上，接受滅火控制器的啟動指令，驅(qū)動氣體通過三通分配閥進行各管路的分配，打開氣動球形開關閥和容器閥，進而釋放滅火劑實施滅火。該閥可以自動控制也可手動應急操作。

三通分配閥主要技術參數(shù)如下。

工作介質(zhì)：空氣；

工作壓力：3.0～4.5 MPa；

電源電壓：DC24或AC220 V；

通電時間：連續(xù)通電。

工作原理：當通電時，動鐵心吸合，關閉先導孔，氣體推動滑塊運動，使工作口與入口相通；當斷電時，先導孔打開，氣體推動滑塊運動，工作口與排空口相通，實現(xiàn)氣體分配的功能。該閥還可以手動應急操作。原理見圖3。

圖3 三通分配閥工作原理示意

5.9 充注裝置

為了便于艦船保障，系統(tǒng)配備一套充注裝置。在艦船甲板上設有氣體滅火設備專用接口，直接通往氣體滅火設備艙，當滅火劑容器瓶內(nèi)缺少藥劑或增壓氣體壓力較低時，不需要將氣體滅火設備拆下，可以使用該裝置通過這些接口直接為滅火裝置充注藥劑和增壓氣體。這樣不會中斷對防護區(qū)的保護，整個過程簡易方便。

6 技術特點

1)容器閥采用差壓式結構，密封可靠，重復密封性好。

2)容器閥采用直流出口，口徑大，阻力小。

3)壓力顯示單元采用專用閥結構，維修更換不影響系統(tǒng)正常運行。

4)一般氣體滅火系統(tǒng)控制管路上設有低壓自動排氣閥，防止啟動瓶微量泄漏造成容器瓶誤動作。采用三通分配閥控制技術，分配閥工作口與排空口在備便狀態(tài)下始終接通，即使有微量泄漏，也不會使容器閥意外啟動，簡化了系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)可靠性和安全性。

5)備有專用充注裝置，實現(xiàn)了藥劑的快速在線充注。采用專用充注裝置不但可以避免拆卸，更重要的是不會中斷對防護區(qū)的保護，解決了藥劑罐需拆除后返回工廠離艦充注的問題，縮短了保障時間。整個過程簡易方便。

6)環(huán)保性能好，使用安全。

7 適用范圍和應用場所

7.1 適用范圍

七氟丙烷滅火系統(tǒng)適用于撲救固體表面火災(A類火災)、液體火災或可熔化的固體火災(B類火災)、滅火前能切斷氣源的氣體火災(C類火災)及電氣設備火災；不能用于撲救自身含氧化劑的化學制品及混合物火災(如硝化纖維)、活潑金屬火災(如鉀、鈉、鎂)、能自行分解的化學物質(zhì)火災(如過氧化氫)等。

7.2 應用場所

主要應用場所包括：機爐艙、輔機艙、舵機艙、輔推裝置艙、減搖裝置艙、發(fā)電機艙、電站、機庫、電子設備艙室、配電間、特種艙室(彈藥艙)以及燃油貯存艙等，系統(tǒng)主要通過全淹沒滅火方式為上述艙室提供消防保護。

[1] 中華人民共和國公安部.氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[2] 中華人民共和國公安部.氣體滅火系統(tǒng)及部件[S].北京：中國標準出版社，2011.