北京国金管理咨询有限公司    申凤华

摘要：中国国家博物馆作为代表国家形象的大型重点文化殿堂，其改扩建工程建筑设计的体量大、标准高，建成后国家博物馆内将储藏大量的国内外文物精品，还设有大量重要的电气设备，如何保障文物、电气设备的安全可靠，使其免受水、火侵害，是博物馆改扩建工程中的重中之重。在本篇论文中，作者对国内主要洁净气体灭火系统型式及其特点，从灭火剂的灭火效果、安全性、环保型和造价等方面进行对比分析，结合中国国家博物馆的特点，论述国博工程采用IG541气体灭火系统的必要性；通过对气体灭火系统的设计、施工、调试等过程的管理，对气体灭火系统设计流程进行了简要分析，并简述国博工程气体灭火系统的灭火方式、组成、控制方式、安装调试中要点难点、工程造价等内容。

关键词：国家博物馆    气体灭火    灭火剂    IG541气体    环保性   安全性

一、工程概述

中国国家博物馆（以下称“国博”）是集文物征集、收藏、研究、展示、考古于一体的具有丰富文物藏品和深厚文化内涵并向大众开放的文化机构。它的基本职能是通过常设或 专题陈列展览的方式，向国内外全面展示与宣传中华民族的伟大历史进程和辉煌文化，介绍世界文明与优秀文化，并通过高水平的历史学、文物学、博物馆学、考古学的研究，不断丰富和深化人们对历史文化的理解与认识，推动这一领域学术事业的发展。

建成后的中国国家博物馆面积为19.2万平方米，将成为至今世界上单体建筑面积最大的博物馆。-12.80m层设有4个文物库区，约80个库房，博物馆内文物数量之多，价值之高，将位于世界博物馆前列；-12.80m层设总变配电室、+1.4层设安防楼控消防控制中心等重要设备室，因此，对大量文物和重要电气设备的保护在国博工程中居于特殊重要的地位。

二、灭火剂的选择

众所周知，有些场所是绝对不能采用水来灭火的，即使灭火剂中含少量的水也不行，这是因为在这些场所中放置的设备和物品是忌水的。如大型计算机房、邮电通讯机房、广播电视通信机房、资料档案库、图书馆珍藏库、博物馆保管库、金融机构保管库等，一旦采用水或其他含水的灭火介质，其中存放的精密设备和珍贵物品，可能虽未被大火损坏，却会被灭火时所大量使用的水所毁坏，其结果与火灾的损失是相同的，有时甚至更为严重。因此，国家博物馆的文物库房、重要电气设备室采用气体灭火系统予以保护是毋庸置疑的，同时基于我国是1987年9月意大利蒙特利尔公约协定书的签字国，为切实履行国际公约，更重要的是国家博物馆的位置的特殊性和影响的重要性，都要求中国博物馆必须采用洁净气体作为灭火剂。

所谓洁净气体灭火剂，应该不导电，很容易挥发，并且在挥发后无任何残留物。目前我国用于有人环境的洁净气体灭火剂主要有七氟丙烷、三氟甲烷和IG541惰性混合气体（其体积成分比为52%的氮气、40%的氩气、8%的二氧化碳，以下简称IG541气体）等，通过工程案例调研，并查阅大量技术资料，对以上3种灭火剂进行灭火效果、环保性、安全性和工程造价等方面比较如下：
1、 灭火效果

灭火效果一般从灭火浓度和灭火速度两个方面进行衡量，灭火机理是决定灭火浓度和灭火速度的主要因素。根据燃烧理论分析，灭火分物理方式和化学方式，物理灭火又分为：窒息、冷却、隔离燃烧物三种方式；化学灭火主要是指灭火剂通过化学催化作用和化学净化作用大量扑捉、消耗火焰中的自由基，抑制燃烧的链式反应，化学灭火浓度低、速度快。

上述3种灭火系统中，七氟丙烷、三氟甲烷均以化学灭火方式为主，属液化气体，喷放时对着火区有一定的冷却作用，同时三氟甲烷对稀释氧浓度作用也比较明显；IG 541是以物理方式灭火，仅以稀释防护区氧气浓度的窒息作用实施灭火。灭火效果对比如表１

表１　灭火效果对比

灭火剂	灭火机理	灭火浓度	设计浓度范围	喷射时间	综合评价
七氟丙烷	化学抑制	6.4%	8% ～ 10%	10ｓ	好
IG541气体	窒息	35.5%	37.5% ～ 42.8%	60ｓ	一般
三氟甲烷	窒息化学抑制	12.4%	14.9% ～ 19.5%	10ｓ	较好

2  环保性能

目前国际上衡量环保性的主要指标是对臭氧耗损潜能值(ODP)、温室效应值(GWP)、大气中的存活寿命(ALT)。从保护臭氧层的角度考虑，首先要求所使用的灭火剂ODP值小于0.05或为0，其次要求GWP和ALT值越小越好。

 七氟丙烷、三氟甲烷虽然ODP值为0，但GWP值较高、大气存活寿命也比较长，有一定温室效应影响，而且与二氧化碳一起被京都会议决议《气候变化框架公约》纳人受控范畴，但由于其灭火剂用量很少，整体环境影响不大，没有引起人们过多的关注。IG 541灭火剂由氮气、氩气和少量二氧化碳气体组成，受热不会发生分解，灭火剂来源于大气，又释放回归于大气，对环境没有任何影响，称得上是真正的“绿色”环保产品。环保性能对比如表２。

表２　环保性能对比

灭火剂	ODP值	GWP值	ALT值	综合评价
七氟丙烷	0	0.6	31～42年	好
IG541气体	0	0	0	最好
三氟甲烷	0	2.6	280年	好

3  对保护对象的安全性

大多数气体灭火系统基本都具有不导电、腐蚀性小、无浸渍、灭火后不留痕迹的特点，总体来说对大多数保护对象，包括电气设备、仪器仪表、图书档案等都是安全的。但是由于酸性分解物的产生、高压气流的冲击和液化气体挥发引起的“结露”、“冷激”、“冷淬”现象，对保护对象的丝织品、书画、铜器等文物表面，以及电气设备的电路板、芯片等会产生不同程度的损害，在保护珍贵文物和精密设备时应特别关注。

七氟丙烷、三氟甲烷灭火剂均属于含氟化合物，明焰下会受热分解产生氢氟酸(HF)，对保护对象的金属、玻璃表面会产生腐蚀，生成氢氟酸的多少与药剂本身、火灾的大小、灭火时间长短有关。由于上述两种系统设计喷放时间都很短，灭火速度很快，酸性分解物的量一般很小，对大部分保护对象的腐蚀影响不大。IG541灭火剂成分均为惰性气体，受热也不会发生反应，只要减压孔板和管网设计合理、采用径向或挡板喷头，避免高压气流的冲击，IG541对保护对象是安全的。对保护对象安全性对比如表3。

表3  对保护对象安全性能对比

灭火剂	腐蚀性分解物	残留物	其他影响	综合评价
七氟丙烷	37～175×10-4	无	无	较好
IG541气体	无	无	无	最好
三氟甲烷	20～30×10-6	无	轻微冷激	好

4  对人员的安全性

  灭火剂威胁人员安全主要来源于三个方面：缺氧、中毒、影响逃生。能否引起人员窒息主要决定于灭火浓度和二氧化碳浓度，灭火浓度越高，灭火剂释放后，防护区内氧浓度越低(低于12％时)，越容易发生人员缺氧，二氧化碳浓度过高(超过10％)会影响人的正常呼吸，产生危险，浓度超过25％，会很快引起中毒反应，造成缺氧窒息。药物毒性来源于药剂本身的毒性和分解物的毒性。影响逃生主要体现在起雾或粉尘，降低防护区的能见度。

 七氟丙烷、IG541、三氟甲烷允许使用在有人场所。IG541药剂本身无毒性，也不会产生毒性分解物，其中含有8％二氧化碳，可起到在缺氧条件下，刺激呼吸加速，满足人体在缺氧条件下的氧气需求量，对人体是相对安全的，但由于系统压力高，喷放时会产生一定的噪音。

七氟丙烷、三氟甲烷药剂本身毒性不大，但其产生的氢氟酸分解物有一定的毒性，有强烈的辛辣气味，刺激人的呼吸和眼睛，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。对人员安全性对比如表4。   

表4  人员安全性对比

灭火剂	毒性	安全系数	其他影响	综合评价
七氟丙烷	低毒	+1.0	无	较好
IG541气体	无度	+1.1	无	好
三氟甲烷	微毒	+2.8	轻微冷激	较好

5    工程造价

气体灭火系统包含药剂成本、设备造价、管网造价、维护费用四大部分，衡量一个系统的造价，应考虑综合造价。

七氟丙烷和三氟甲烷灭火剂价格较高且需要定期更换，药剂成本和维护费用较大，但由于灭火剂用量少、系统压力低，其设备造价和管网造价相对较低。 IG541混合气体药剂便宜，但由于灭火剂用量大、系统压力高、储瓶数量多，其设备造价、管网造价相对较高。

通过以上多方面对比，由于 IG541气体灭火的环保性和对保护对象、人员的安全性在气体灭火系统中最佳，综合考虑国博工程的位置特殊性和被保护文物、设备的重要性，经专家论证选用IG541气体灭火系统。

三、IG541气体灭火系统的设计计算流程

1、划分和确定IG541气体灭火系统的保护区域；
2、在同一保护区域中根据情况划分和确定不同的保护空间；
3、计算保护区域或保护空间的体积；
4、确定保护区域或保护空间的预期最低环境温度和预期最高环境温度和正常工作环境温度；
5、按最低环境温度和最小设计浓度确定设计淹没系数；
6、根据保护区域或保护空间的体积、设计淹没系数计算需要最小的IG541气体量；
7、根据保护区域的海拔高度修正IG541气体量；
8、根据需要最小的气体量选择IG541气体的钢瓶数并计算实际使用的气体量；
9、根据实际使用的气体量复核在预期最高环境温度下的实际浓度；
10、根据实际使用的气体量计算在正常工作环境温度下的设计浓度；
11、根据正常工作环境温度下的设计浓度确定IG541气体的喷放时间；
12、根据喷放时间和实际使用的气体量，估算各管段中的设计流量；
13、根据各管段中的流量和管径估算表，估算减压孔板的口径、各管段的管径；
14、根据IG541气体喷嘴的保护距离、保护高度、喷放的流量确定喷嘴的口径和数量；
15、根据系统的情况确定区域选择阀、止回阀、泄气螺塞的口径和数量；
16、确定钢瓶间的位置，布置钢瓶、管道和喷嘴；
17、根据最终管道的布置情况，经详细水力计算后确定管道最后的管径、减压孔板和喷嘴的开孔孔径；

18、根据要求的控制方式和保护区域大小、保护区域出入口数量，确定报警和控制设备的数量；
19、根据钢瓶间中钢瓶的实际布置情况，确定钢瓶支架的形式和数量。

四、国博IG541气体灭火系统

1、保护区域：新馆-12.8m的总变配电室、文物库区的库房、文物管理区部分房间；-6.0m的网络数据中心、演播室配套控制室等重要机房；1.4m文物管理区部分房间；老馆南馆-1.4m档案资料室业主要求气体灭火的房间；-12.80m人防柴油发电机房。

2、 灭火方式：防护区采用全淹没灭火方式，由19套组合分配系统和1套单元独立系统。设计浓度37.5%，灭火时间设为57s内。       

3、 灭火系统组成：

1） 药剂储存和喷放设备：主要包括灭火剂启动瓶、容器瓶、单向阀、分配阀、安全阀、减压装置、压力讯号器、全淹没喷嘴、集污器、装饰盘、钢瓶固定支架等。

2） 报警和控制设备：包括有火灾探测器、控制盘、手拉开关、紧急停止开关、手动/自动选择开关、警铃、蜂鸣器和闪灯、气体释放指示灯、主用/备用选择开关、压力开关等。

3） 管道:控制气管、集流管、高压软管、干管、支管等。

图一  IG541气体灭火系统组成

4、控制方式：

同时具有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式。

1)自动控制：当防护区发生火警时，气体灭火控制器接到防护区两个独立火灾   报警信号后立即发出联动信号（关闭通风空调等）。经过30秒时间延时，气体灭火控制器输出24V直流信号，启动自动灭火系统，IG-541经管网释放到防护区，控制器面板喷放指示灯亮，同时控制器接收压力讯号器反馈信号。防护区内门灯显亮，避免人员误入。  

2)手动控制:当防护区经常有人工作时，可以通过防护区门外的手动／自动转换开关，使系统从自动状态转换到手动状态，当防护区发生火警时，控制器只发出报警信号，不输出动作信号。由值班人员确认火警，按下控制器面板或击碎防护区门外紧急启动按钮，即可立即启动系统，喷放IG-541灭火剂。 

3)应急操作:当自动、手动紧急启动都失灵时，可进入储瓶间内实现机械应急操作启动。只需拔出对应防护区启动瓶上的手动保险销，拍击手动按钮，即可完成系统的启动喷放。

5、 系统安装

1)管路选用无缝厚壁内外镀锌钢管。

2)DN≤80mm管路采用螺纹连接，DN＞100mm管路，将采用法兰连接。

3）瓶组上的压力表应朝向操作面，安装高度和方向应一致。

4）瓶组及管道上的支、框架应固定牢靠，且应采取防腐处理。

5）采用钢管制作的集流管应在焊接后进行内外镀锌处理，安装前应清洗内

6、系统强度试验

管道安装完毕后进行强度试验。本工程进行了气压强度试验。

  试验介质：压缩空气

试验压力：10.5MPa

试验方法：试验前，先用压缩空气进行预试验，试验压力为0.2MPa。试验时逐步缓慢增加压力，当试验压力升至试验压力的50%时，若未发现异状或泄漏，继续按试验压力的10%逐级升压，每级稳压3min，直至试验压力。保压检查管道各处无变形，无泄漏为合格，

气体灭火系统进行强度试验时需注意以下事项：

1） 试压前应检查防护区，所有人员撤出，并看护好出入口，保证人员不进入防护区时，方可进行试压。

2） 喷头处丝堵/盲管的安装应慎重，因每批弯头的丝扣有差异，应现场制作，要紧固到位，防止丝堵崩出发生事故。

3） 当稳压时发现有明显泄漏时，应缓慢泄漏至0.8MPa以下，方可进入防护区进行查漏，查漏的重点是防护区以外管路，应涂刷皂液无气泡溢出为准。

7、系统的调试

1）气体灭火系统的调试宜在系统安装、试压完毕，以及有关的火灾自动报警系统和开口自动关闭装置，通风机械和防火阀等联动设备调试完成后进行。

2）确定调试试验计划时，应首先采取可靠的安全措施，确保人员安全和避免灭火剂的误喷射。

3）调试过程中，对每个防护区进行模拟喷气试验和备用灭火剂贮存容器切换操作试验。

4）调试负责人应由专业技术人员担任，参加调试人员应职责明确。

5）作好调试计划、调试记录、调试总结报告，以备消防监督部门查验。

8、工程造价

本工程共设10个储瓶间，其分布为：-12.80m层共7个，其中6个用于保护文物库房，1个用于保护人防柴油发电机房；-6.0m层设1个，用于保护网络数据中心；1.4米层设3个，分别保护新馆的文物编目库、演播厅和老馆的档案资料室等。

本工程防护区总面积 15074 m2， 防护区总体积80344 m3，共设钢瓶20组，灭火剂启动瓶和储存瓶总计2070 只，灭火剂总用量34776Kg，气体灭火工程总造价为9784826元RMB。