棉花灘水電站FM-200氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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簡(jiǎn)介： 在棉花灘水電站中央控制樓的設(shè)計(jì)中，首次采用了FM-200氣體滅火系統(tǒng)，通過(guò)工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐，全面地研究了FM-200氣體滅火系統(tǒng)的系統(tǒng)選擇、滅火劑用量計(jì)算、鋼瓶選擇、管路直徑確定、系統(tǒng)組件、泄壓口計(jì)算和布置、水力計(jì)算、噴頭選擇及系統(tǒng)控制等有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。
關(guān)鍵字：滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣體滅火 FM-200 棉花灘水電站

棉花灘水電站運(yùn)行控制方式為“無(wú)人值班”(少人值守)，電站中央控制樓內(nèi)的主要控制設(shè)備均為先進(jìn)的高科技的電子產(chǎn)品及高檔電子計(jì)算機(jī)，因此其滅火系統(tǒng)不宜采用水、泡沫、干粉等滅火介質(zhì)，而以采用氣體滅火介質(zhì)為妥。該氣體滅火系統(tǒng)主要用在中央控制樓內(nèi)的技術(shù)檔案室、電纜夾層、電源室、工程師工作站、計(jì)算機(jī)室、中央控制室、繼電保護(hù)室、通訊電源室、無(wú)線尋呼設(shè)備室、交換機(jī)室、載波機(jī)室和系統(tǒng)交換機(jī)室11個(gè)保護(hù)區(qū)。?

1 氣體滅火介質(zhì)的選擇?

　　棉花灘水電站滅火系統(tǒng)，在初步設(shè)計(jì)時(shí)曾選用化學(xué)滅火介質(zhì)HALON 1301 (CBrF3)（即鹵代烷1301）,其滅火性能好、毒性低，已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，但由于該滅火劑屬于破壞臭氧層較劇的氟氯碳化物（CFC）家族之一，根據(jù)國(guó)際會(huì)議決定自1994年1月1日起HALON滅火劑已全面禁產(chǎn)，2005年后全面禁用，因此棉花灘水電站氣體滅火系統(tǒng)的滅火劑選用了相應(yīng)的替代產(chǎn)品。目前相應(yīng)的替代產(chǎn)品有：大湖公司的FM-200，3M公司的CEA-410，ANSUL公司的INERGEN，杜邦公司的FE-13，NAF公司的NAFS-Ⅲ等。經(jīng)認(rèn)真研究比選，最終選用了FM-200作為氣體滅火介質(zhì)。?

　　FM-200滅火介質(zhì)，在美國(guó)作為新型滅火劑被UL認(rèn)可、FMRC檢測(cè)通過(guò)、符合NFPA標(biāo)準(zhǔn)，還被SNAP批準(zhǔn)容許使用于有人值守的區(qū)域。也通過(guò)了中國(guó)國(guó)家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的檢測(cè)，目前已獲準(zhǔn)使用。?

　　FM-200在中國(guó)稱為七氟丙烷（HFC-227ea）潔凈氣體，目前通過(guò)技術(shù)引進(jìn)已在一些消防設(shè)備廠家生產(chǎn)，價(jià)格約為國(guó)外同類產(chǎn)品的30%～50%。經(jīng)比選，棉花灘電站選用了廣東番禺勝捷消防器材設(shè)備有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。?

2 氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

　　2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)?

　　棉花灘水電站氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是：①《GB50163—92鹵代烷1301滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》；②《七氟丙烷(HFC-227ea)潔凈氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，由于我國(guó)至今尚未出臺(tái)FM-200滅火介質(zhì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此在現(xiàn)階段暫時(shí)按以上兩規(guī)范作為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。?

　　2.2 系統(tǒng)選擇?

　　該水電站的中央控制樓有11個(gè)防護(hù)區(qū)需要采用氣體滅火設(shè)備，若采用獨(dú)立系統(tǒng)，則不僅消防設(shè)備的用量大及所占用空間的增加，而且增大了系統(tǒng)的投資，勢(shì)必造成重復(fù)設(shè)置和浪費(fèi)。因此,電站氣體滅火系統(tǒng)根據(jù)規(guī)范采用全充滿式組合分配系統(tǒng)，即按最大1個(gè)防護(hù)區(qū)的所需滅火介質(zhì)的用量來(lái)進(jìn)行設(shè)備配置，用選擇分配閥通過(guò)管路將滅火介質(zhì)輸送到各相應(yīng)的保護(hù)區(qū)。由于電站的防護(hù)區(qū)有11個(gè)，雖不考慮2個(gè)以上防護(hù)區(qū)同時(shí)發(fā)生火災(zāi)，但根據(jù)上述規(guī)范，當(dāng)防護(hù)區(qū)大于8個(gè)時(shí)，滅火介質(zhì)應(yīng)設(shè)置與設(shè)計(jì)用量相等的備用量。該電站就是按此原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。?

　　2.3 各防護(hù)區(qū)滅火介質(zhì)用量確定?

　　要確定防護(hù)區(qū)的滅火介質(zhì)用量，首先要根據(jù)防護(hù)區(qū)所保護(hù)的對(duì)象選用合適的滅火濃度。為此，先根據(jù)規(guī)范②選取滅火濃度，再按下式計(jì)算出設(shè)計(jì)藥劑量。?

　　式中，w為設(shè)計(jì)藥劑用量，kg；v為防護(hù)區(qū)凈容積，m³；s為蒸氣比容，m³/kg,s=0.126 9+0.000 513 t；c為藥劑設(shè)計(jì)濃度，%；k為氣壓修正系數(shù)；t為防護(hù)區(qū)溫度，℃。取設(shè)計(jì)溫度t=20℃, 則s=0.126 9+0.000 513×20=0.137 16 m³/kg。?

　　2.4 儲(chǔ)氣鋼瓶選擇?

　　對(duì)于獨(dú)立系統(tǒng)，設(shè)備選擇比較簡(jiǎn)單,只要根據(jù)防護(hù)區(qū)的介質(zhì)用量選擇相當(dāng)儲(chǔ)氣量的鋼瓶就可以了。如：計(jì)算出的防護(hù)區(qū)滅火介質(zhì)用量為76.45 kg，再考慮管道剩余量，即可選擇儲(chǔ)氣量為80 kg的鋼瓶1只。由于本系統(tǒng)為組合分配系統(tǒng)，系統(tǒng)中鋼瓶的規(guī)格參數(shù)必須相同，且一只鋼瓶啟動(dòng)后，必須將其內(nèi)的滅火介質(zhì)全部噴出，因此儲(chǔ)氣鋼瓶的選擇，不僅要考慮到技術(shù)上的合理，還要考慮到節(jié)省投資。 

　　由于組合分配系統(tǒng)的這種特殊性，決定了各防護(hù)區(qū)的實(shí)際滅火濃度與設(shè)計(jì)濃度不可能相等，但儲(chǔ)氣鋼瓶的選擇應(yīng)使實(shí)際濃度與設(shè)計(jì)濃度的差值盡可能地小。棉花灘水電站最大一個(gè)防護(hù)區(qū)的滅火介質(zhì)用量計(jì)算值為542.5 kg，考慮到管道剩余量等，按580 kg選用儲(chǔ)氣鋼瓶，可選用充裝量為115 kg的鋼瓶5只，或充裝量為60 kg的鋼瓶10只。各防護(hù)區(qū)滅火介質(zhì)設(shè)計(jì)用量與實(shí)際用量的比較見(jiàn)表1。

　　從表1可知，不論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上，選用5只(115 kg)鋼瓶要比選用10只(60 kg)鋼瓶方案合理得多，因本系統(tǒng)選用充裝量為115 kg的鋼瓶5只。?

　　2.5 滅火總管直徑確定?

　　要確定管路直徑，首先要確定通往各防護(hù)區(qū)的管道流量，要確定管道流量就要知道各防護(hù)區(qū)滅火介質(zhì)的噴射時(shí)間。噴射時(shí)間可根據(jù)規(guī)范②中的規(guī)定進(jìn)行選取，再根據(jù)噴射時(shí)間計(jì)算出管路流量，然后根據(jù)管路流量在規(guī)范②中的水力計(jì)算圖中查出相應(yīng)的管徑。本系統(tǒng)的管路初步選用結(jié)果見(jiàn)表2。?

　　2.6 泄壓口面積計(jì)算?

　　由于需要在10 s內(nèi)將大量的氣體釋放到房間內(nèi)，房間內(nèi)的空氣不能及時(shí)排出，這就使房間內(nèi)的壓力突然增大，如房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足，就會(huì)造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)(通常是最薄弱的窗戶等)的破壞，這時(shí)滅火介質(zhì)也會(huì)迅速逸出圍護(hù)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響滅火效果，因此在房間內(nèi)設(shè)置泄壓口是必要的。但當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不是全密封時(shí)，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)有彈簧門等(當(dāng)壓力大到一定程度時(shí)門會(huì)自動(dòng)打開(kāi))，這種情況可以例外。泄壓口面積的計(jì)算公式如下： 

　　式中，F(xiàn)_x為泄壓口面積，m²；Q為滅火介質(zhì)噴射流量，kg/s；P_f為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐壓強(qiáng)度，Pa，棉花灘水電站房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐壓強(qiáng)度為2 000 Pa，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

　　由于FM-200介質(zhì)的密度比空氣大，在滅火時(shí)滅火介質(zhì)將空氣向上壓，因此泄壓口應(yīng)布置在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的2／3高度以上。泄壓口應(yīng)裝有泄壓閥，在系統(tǒng)啟動(dòng)噴射時(shí)打開(kāi)，噴射完畢后關(guān)閉。棉花灘電站氣體滅火系統(tǒng)的每個(gè)防護(hù)區(qū)均設(shè)有泄壓閥，泄壓閥為電動(dòng)閥，由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制。?

　　2.7 管路布置和水力計(jì)算?

　　(1)管路布置。一般對(duì)于全充滿式組合分配氣體的滅火系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)將除噴頭和輸送管路之外的所有組件布置在1個(gè)固定的房間內(nèi)，通過(guò)管路輸送到各個(gè)防護(hù)區(qū)，儲(chǔ)氣鋼瓶距末端(一般指噴頭)的距離越近越好，彎頭越少越好，不可采用四通，兩個(gè)三通(或三通與彎頭)之間的距離應(yīng)滿足規(guī)程規(guī)定的要求，這樣可以減少壓力損失。棉花灘水電站的氣體滅火設(shè)備布置在一樓的專用房間內(nèi)，通過(guò)管道豎井將滅火介質(zhì)輸送到3到6樓的11個(gè)防護(hù)區(qū)內(nèi)。?

　　(2)水力計(jì)算。FM-200氣體滅火系統(tǒng)的壓力等級(jí)有兩種，一種是2.5 MPa，另一種是4.3 MPa，用戶可根據(jù)自己的要求選取(一般根據(jù)廠家推薦或經(jīng)水力計(jì)算確定)，棉花灘水電站采用4.3 MPa。由于FM-200氣體為儲(chǔ)存在鋼瓶?jī)?nèi)的液態(tài)，釋放后管路中的流態(tài)為氣液二相流，用普通的方法很難準(zhǔn)確計(jì)算，通常采用消防設(shè)備廠家的專用計(jì)算程序計(jì)算。計(jì)算的目的是要算出管路系統(tǒng)的壓力損失，以確定噴頭前的壓力值。根據(jù)管路布置確定管道內(nèi)剩余滅火介質(zhì)量，如果實(shí)際滅火介質(zhì)量減去管道剩余量后，其數(shù)值小于設(shè)計(jì)滅火介質(zhì)量，可能要重新調(diào)整儲(chǔ)氣鋼瓶的充裝量。棉花灘水電站的氣體滅火系統(tǒng)的水力計(jì)算由廠家利用專用程序計(jì)算確定。?

　　2.8 噴頭選擇和布置?

　　在水力計(jì)算完成后就可進(jìn)行噴頭的選擇，噴頭的種類有180°和360°兩種，當(dāng)噴頭靠墻布置時(shí)，選用180°噴頭，布置距墻較遠(yuǎn)時(shí)選用360°噴頭。噴頭形式選好后，就可根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滅火流量選取合適的噴頭數(shù)量。可由房間內(nèi)的總流量和所選用的單個(gè)噴頭的流量來(lái)確定噴頭數(shù)量，噴頭的數(shù)量最好選為偶數(shù)，以便對(duì)稱布置。氣體滅火管路一般布置在房間吊頂內(nèi)，如果房間吊頂較高(根據(jù)規(guī)程中的規(guī)定)，其吊頂內(nèi)也必須裝設(shè)噴頭，噴頭的數(shù)量根據(jù)吊頂內(nèi)所需要的滅火介質(zhì)量確定。棉花灘水電站氣體滅火系統(tǒng)在吊頂內(nèi)和吊頂下均裝設(shè)了噴頭。?

　　2.9 系統(tǒng)組件?

　　電站氣體滅火系統(tǒng)主要由滅火劑鋼瓶組(包括瓶頭閥組)、啟動(dòng)鋼瓶組(一般為氮?dú)?、控制柜 、液體單向閥、連接高壓軟管、噴嘴、安全閥、集流管、壓力信號(hào)器、選擇分配閥、主備用氣控閥 、氣體單向閥、輸送管路及必要的附件所組成，啟動(dòng)采用氣動(dòng)。若采用電磁啟動(dòng)，則可省去啟動(dòng)鋼瓶組和氣體單向閥及控制管路等，但瓶頭閥組中的氣動(dòng)頭需改為電動(dòng)頭。如果是獨(dú)立系統(tǒng)，則選擇分配閥也可省去。?

　　2.10 系統(tǒng)控制?

　　棉花灘水電站的氣體滅火系統(tǒng)有3種控制方式，即：自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)。

　　(1)自動(dòng)控制。其控制順序?yàn)椋?/p>

　?、?當(dāng)感煙探測(cè)器動(dòng)作后，將火災(zāi)信號(hào)發(fā)至消防控制中心，由消防控制中心進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警并顯示相應(yīng)探測(cè)區(qū)；

　?、?當(dāng)同一區(qū)域的感溫探測(cè)器動(dòng)作后，將火災(zāi)信號(hào)發(fā)至消防控制中心，由消防控制中心發(fā)出聯(lián)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉有關(guān)的送排風(fēng)機(jī)和防火閥等；

　　③ 啟動(dòng)儲(chǔ)氣鋼瓶釋放氣體滅火，打開(kāi)泄壓閥并反饋所有信號(hào)，釋放完畢后關(guān)閉泄壓閥。?

　　(2)手動(dòng)控制。其控制順序?yàn)椋?/p>

　　① 當(dāng)感煙探測(cè)器動(dòng)作后，將火災(zāi)信號(hào)發(fā)至消防控制中心，由消防控制中心進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警并顯示相應(yīng)探測(cè)區(qū)；

　?、?經(jīng)值班人員確認(rèn)后，在消防控制中心發(fā)出啟動(dòng)鋼瓶指令，同時(shí)發(fā)出聯(lián)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉有關(guān)的送排風(fēng)機(jī)和防火閥等；

　?、?啟動(dòng)儲(chǔ)氣鋼瓶釋放氣體滅火，打開(kāi)泄壓閥并反饋所有信號(hào)，釋放完畢后關(guān)閉泄壓閥。?

　　(3)機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)方式。其控制順序?yàn)椋?

　?、?當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于事故等原因采用上述兩種方法均無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，可手動(dòng)開(kāi)啟該層警笛并反饋所有信號(hào)；

　?、?手動(dòng)關(guān)閉有關(guān)的送排風(fēng)機(jī)和防火閥等 ；

　?、?用手動(dòng)直接啟動(dòng)儲(chǔ)氣鋼瓶釋放氣體滅火，打開(kāi)泄壓閥并反饋所有信號(hào)，釋放完畢后關(guān)閉泄壓閥 。

　　一般來(lái)說(shuō)，氣體滅火系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器和控制系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，這樣不會(huì)與其他系統(tǒng)發(fā)生相互干擾，以保證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確動(dòng)作。由于棉花灘電站設(shè)有一套完備的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，為使設(shè)備充分利用而避免重復(fù)設(shè)置，經(jīng)各設(shè)備供貨商同意，采用火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行控制，以節(jié)省投資。?

3 結(jié)語(yǔ)?

　　棉花灘水電站將FM-200氣體滅火系統(tǒng)首次應(yīng)用于水電廠中，通過(guò)工程實(shí)踐，今后必將在我國(guó)水電工程中得到廣泛應(yīng)用。FM-200滅火介質(zhì)約在1995年引入我國(guó)，那時(shí)僅有美國(guó)大湖公司獨(dú)家生產(chǎn)，系統(tǒng)造價(jià)也相當(dāng)昂貴，但隨著HALON滅火劑的全面禁用，F(xiàn)M-200又是HALON滅火劑最好的替代品，在我國(guó)的一些消防設(shè)備廠家中引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，目前已具備了生產(chǎn)能力，其價(jià)格與國(guó)外相比也便宜了很多。目前，我國(guó)尚無(wú)FM-200氣體滅火系統(tǒng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，估計(jì)在不久以后將會(huì)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式出臺(tái)，屆時(shí)將會(huì)促進(jìn)該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。