棉花灘水電站FM-200氣體滅火系統設計

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簡介： 在棉花灘水電站中央控制樓的設計中，首次采用了FM-200氣體滅火系統，通過工程設計和實踐，全面地研究了FM-200氣體滅火系統的系統選擇、滅火劑用量計算、鋼瓶選擇、管路直徑確定、系統組件、泄壓口計算和布置、水力計算、噴頭選擇及系統控制等有關技術問題。
關鍵字：滅火系統設計 氣體滅火 FM-200 棉花灘水電站

棉花灘水電站運行控制方式為“無人值班”(少人值守)，電站中央控制樓內的主要控制設備均為先進的高科技的電子產品及高檔電子計算機，因此其滅火系統不宜采用水、泡沫、干粉等滅火介質，而以采用氣體滅火介質為妥。該氣體滅火系統主要用在中央控制樓內的技術檔案室、電纜夾層、電源室、工程師工作站、計算機室、中央控制室、繼電保護室、通訊電源室、無線尋呼設備室、交換機室、載波機室和系統交換機室11個保護區(qū)。?

1 氣體滅火介質的選擇?

　　棉花灘水電站滅火系統，在初步設計時曾選用化學滅火介質HALON 1301 (CBrF3)（即鹵代烷1301）,其滅火性能好、毒性低，已在世界范圍內廣泛應用，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，根據國際會議決定自1994年1月1日起HALON滅火劑已全面禁產，2005年后全面禁用，因此棉花灘水電站氣體滅火系統的滅火劑選用了相應的替代產品。目前相應的替代產品有：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。經認真研究比選，最終選用了FM-200作為氣體滅火介質。?

　　FM-200滅火介質，在美國作為新型滅火劑被UL認可、FMRC檢測通過、符合NFPA標準，還被SNAP批準容許使用于有人值守的區(qū)域。也通過了中國國家固定滅火系統和耐火構件質量監(jiān)督檢測中心的檢測，目前已獲準使用。?

　　FM-200在中國稱為七氟丙烷（HFC-227ea）潔凈氣體，目前通過技術引進已在一些消防設備廠家生產，價格約為國外同類產品的30%～50%。經比選，棉花灘電站選用了廣東番禺勝捷消防器材設備有限公司生產的產品。?

2 氣體滅火系統設計?

　　2.1 設計依據?

　　棉花灘水電站氣體滅火系統設計的主要依據是：①《GB50163—92鹵代烷1301滅火系統設計規(guī)范》；②《七氟丙烷(HFC-227ea)潔凈氣體滅火系統設計規(guī)范》，由于我國至今尚未出臺FM-200滅火介質的國家標準，因此在現階段暫時按以上兩規(guī)范作為參考進行設計。?

　　2.2 系統選擇?

　　該水電站的中央控制樓有11個防護區(qū)需要采用氣體滅火設備，若采用獨立系統，則不僅消防設備的用量大及所占用空間的增加，而且增大了系統的投資，勢必造成重復設置和浪費。因此,電站氣體滅火系統根據規(guī)范采用全充滿式組合分配系統，即按最大1個防護區(qū)的所需滅火介質的用量來進行設備配置，用選擇分配閥通過管路將滅火介質輸送到各相應的保護區(qū)。由于電站的防護區(qū)有11個，雖不考慮2個以上防護區(qū)同時發(fā)生火災，但根據上述規(guī)范，當防護區(qū)大于8個時，滅火介質應設置與設計用量相等的備用量。該電站就是按此原則進行設計的。?

　　2.3 各防護區(qū)滅火介質用量確定?

　　要確定防護區(qū)的滅火介質用量，首先要根據防護區(qū)所保護的對象選用合適的滅火濃度。為此，先根據規(guī)范②選取滅火濃度，再按下式計算出設計藥劑量。?

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

　　2.4 儲氣鋼瓶選擇?

　　對于獨立系統，設備選擇比較簡單,只要根據防護區(qū)的介質用量選擇相當儲氣量的鋼瓶就可以了。如：計算出的防護區(qū)滅火介質用量為76.45 kg，再考慮管道剩余量，即可選擇儲氣量為80 kg的鋼瓶1只。由于本系統為組合分配系統，系統中鋼瓶的規(guī)格參數必須相同，且一只鋼瓶啟動后，必須將其內的滅火介質全部噴出，因此儲氣鋼瓶的選擇，不僅要考慮到技術上的合理，還要考慮到節(jié)省投資。 

　　由于組合分配系統的這種特殊性，決定了各防護區(qū)的實際滅火濃度與設計濃度不可能相等，但儲氣鋼瓶的選擇應使實際濃度與設計濃度的差值盡可能地小。棉花灘水電站最大一個防護區(qū)的滅火介質用量計算值為542.5 kg，考慮到管道剩余量等，按580 kg選用儲氣鋼瓶，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。各防護區(qū)滅火介質設計用量與實際用量的比較見表1。

　　從表1可知，不論在技術上還是在經濟上，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區(qū)的管道流量，要確定管道流量就要知道各防護區(qū)滅火介質的噴射時間。噴射時間可根據規(guī)范②中的規(guī)定進行選取，再根據噴射時間計算出管路流量，然后根據管路流量在規(guī)范②中的水力計算圖中查出相應的管徑。本系統的管路初步選用結果見表2。?

　　2.6 泄壓口面積計算?

　　由于需要在10 s內將大量的氣體釋放到房間內，房間內的空氣不能及時排出，這就使房間內的壓力突然增大，如房間圍護結構的強度不足，就會造成圍護結構(通常是最薄弱的窗戶等)的破壞，這時滅火介質也會迅速逸出圍護結構，嚴重影響滅火效果，因此在房間內設置泄壓口是必要的。但當圍護結構不是全密封時，如圍護結構設有彈簧門等(當壓力大到一定程度時門會自動打開)，這種情況可以例外。泄壓口面積的計算公式如下： 

　　式中，F_x為泄壓口面積，m²；Q為滅火介質噴射流量，kg/s；P_f為圍護結構的耐壓強度，Pa，棉花灘水電站房間圍護結構的耐壓強度為2 000 Pa，計算結果見表3。

　　由于FM-200介質的密度比空氣大，在滅火時滅火介質將空氣向上壓，因此泄壓口應布置在圍護結構的2／3高度以上。泄壓口應裝有泄壓閥，在系統啟動噴射時打開，噴射完畢后關閉。棉花灘電站氣體滅火系統的每個防護區(qū)均設有泄壓閥，泄壓閥為電動閥，由火災報警系統控制。?

　　2.7 管路布置和水力計算?

　　(1)管路布置。一般對于全充滿式組合分配氣體的滅火系統來說，應將除噴頭和輸送管路之外的所有組件布置在1個固定的房間內，通過管路輸送到各個防護區(qū)，儲氣鋼瓶距末端(一般指噴頭)的距離越近越好，彎頭越少越好，不可采用四通，兩個三通(或三通與彎頭)之間的距離應滿足規(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備布置在一樓的專用房間內，通過管道豎井將滅火介質輸送到3到6樓的11個防護區(qū)內。?

　　(2)水力計算。FM-200氣體滅火系統的壓力等級有兩種，一種是2.5 MPa，另一種是4.3 MPa，用戶可根據自己的要求選取(一般根據廠家推薦或經水力計算確定)，棉花灘水電站采用4.3 MPa。由于FM-200氣體為儲存在鋼瓶內的液態(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確計算，通常采用消防設備廠家的專用計算程序計算。計算的目的是要算出管路系統的壓力損失，以確定噴頭前的壓力值。根據管路布置確定管道內剩余滅火介質量，如果實際滅火介質量減去管道剩余量后，其數值小于設計滅火介質量，可能要重新調整儲氣鋼瓶的充裝量。棉花灘水電站的氣體滅火系統的水力計算由廠家利用專用程序計算確定。?

　　2.8 噴頭選擇和布置?

　　在水力計算完成后就可進行噴頭的選擇，噴頭的種類有180°和360°兩種，當噴頭靠墻布置時，選用180°噴頭，布置距墻較遠時選用360°噴頭。噴頭形式選好后，就可根據圍護結構的滅火流量選取合適的噴頭數量。可由房間內的總流量和所選用的單個噴頭的流量來確定噴頭數量，噴頭的數量最好選為偶數，以便對稱布置。氣體滅火管路一般布置在房間吊頂內，如果房間吊頂較高(根據規(guī)程中的規(guī)定)，其吊頂內也必須裝設噴頭，噴頭的數量根據吊頂內所需要的滅火介質量確定。棉花灘水電站氣體滅火系統在吊頂內和吊頂下均裝設了噴頭。?

　　2.9 系統組件?

　　電站氣體滅火系統主要由滅火劑鋼瓶組(包括瓶頭閥組)、啟動鋼瓶組(一般為氮氣)、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，啟動采用氣動。若采用電磁啟動，則可省去啟動鋼瓶組和氣體單向閥及控制管路等，但瓶頭閥組中的氣動頭需改為電動頭。如果是獨立系統，則選擇分配閥也可省去。?

　　2.10 系統控制?

　　棉花灘水電站的氣體滅火系統有3種控制方式，即：自動控制、手動控制和機械應急啟動。

　　(1)自動控制。其控制順序為：

　　① 當感煙探測器動作后，將火災信號發(fā)至消防控制中心，由消防控制中心進行火災報警并顯示相應探測區(qū)；

　?、?當同一區(qū)域的感溫探測器動作后，將火災信號發(fā)至消防控制中心，由消防控制中心發(fā)出聯動信號，關閉有關的送排風機和防火閥等；

　?、?啟動儲氣鋼瓶釋放氣體滅火，打開泄壓閥并反饋所有信號，釋放完畢后關閉泄壓閥。?

　　(2)手動控制。其控制順序為：

　?、?當感煙探測器動作后，將火災信號發(fā)至消防控制中心，由消防控制中心進行火災報警并顯示相應探測區(qū)；

　?、?經值班人員確認后，在消防控制中心發(fā)出啟動鋼瓶指令，同時發(fā)出聯動信號關閉有關的送排風機和防火閥等；

　?、?啟動儲氣鋼瓶釋放氣體滅火，打開泄壓閥并反饋所有信號，釋放完畢后關閉泄壓閥。?

　　(3)機械應急啟動方式。其控制順序為：

　?、?當發(fā)生火災時，由于事故等原因采用上述兩種方法均無法啟動時，可手動開啟該層警笛并反饋所有信號；

　?、?手動關閉有關的送排風機和防火閥等 ；

　?、?用手動直接啟動儲氣鋼瓶釋放氣體滅火，打開泄壓閥并反饋所有信號，釋放完畢后關閉泄壓閥 。

　　一般來說，氣體滅火系統的火災探測器和控制系統應獨立設置，這樣不會與其他系統發(fā)生相互干擾，以保證該系統的準確動作。由于棉花灘電站設有一套完備的火災報警系統，為使設備充分利用而避免重復設置，經各設備供貨商同意，采用火災報警系統對氣體滅火系統進行控制，以節(jié)省投資。?

3 結語?

　　棉花灘水電站將FM-200氣體滅火系統首次應用于水電廠中，通過工程實踐，今后必將在我國水電工程中得到廣泛應用。FM-200滅火介質約在1995年引入我國，那時僅有美國大湖公司獨家生產，系統造價也相當昂貴，但隨著HALON滅火劑的全面禁用，FM-200又是HALON滅火劑最好的替代品，在我國的一些消防設備廠家中引進該項技術，目前已具備了生產能力，其價格與國外相比也便宜了很多。目前，我國尚無FM-200氣體滅火系統的國家標準，估計在不久以后將會有國家標準正式出臺，屆時將會促進該系統的廣泛應用。