王 偉,曹 靜
(1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所,四川成都 610016;2.中水顧問集團成都勘測設(shè)計研究院,四川成都 610072)
中國水電建設(shè)和設(shè)計公司進入國際市場,會面臨很多挑戰(zhàn),比如,使用語言不一致,在交流方面與在中國執(zhí)行合同過程中顯然不一樣;中國設(shè)計單位和建設(shè)單位要在國際上逐漸樹立自己的品牌,贏得國際社會認可;投標與合同執(zhí)行過程中采用新的設(shè)計、建設(shè)標準,要重新了解、學習、掌握國際標準與中國標準的不同,以便在投標、合同談判以及執(zhí)行過程中游刃有余。發(fā)電機滅火標準就是其中的一項。與中國采用水噴霧滅火不同,國外一般執(zhí)行NFPA12標準,采用發(fā)電機CO2滅火。
中國水電站發(fā)電機滅火設(shè)計中采用水噴霧滅火,但國外水電站尤其是美國、歐洲電站或者在歷史上被歐洲殖民過的國家中一般采用發(fā)電機CO2滅火。國外電站一般采用無人值班的方式,當發(fā)電機失火,CO2滅火系統(tǒng)可自動將火災撲滅。中國水電站雖然按照“無人值班”設(shè)計,但實際上一般采用少人值班,達不到“無人值班”,所以,發(fā)電機使用CO2滅火對電站運行人員有一定的危險性。表1列舉水電站發(fā)電機水噴霧滅火與CO2滅火的優(yōu)缺點。
表1 水電站發(fā)電機水噴霧滅火與CO2滅火的優(yōu)缺點
首先,發(fā)電機CO2滅火使用標準要根據(jù)業(yè)主要求,NFPA12或國標GB 50193,標準不同決定了CO2使用量不同。其次,發(fā)電機CO2滅火系統(tǒng)組成要根據(jù)業(yè)主要求,比如全廠設(shè)置發(fā)電機CO2滅火系統(tǒng)數(shù)量,以及主噴放滅火濃度、主噴放時間、延時噴放滅火濃度、維持濃度時間。再次,業(yè)主對于系統(tǒng)動作以及停止的要求。如,感溫探頭探測溫度達到80℃,并有感煙探頭警報,CO2滅火系統(tǒng)收到報警后動作。在機組檢修時,系統(tǒng)可探測發(fā)電機機坑進人門是否打開,如果打開,即使有火災報警,發(fā)電機滅火系統(tǒng)也不動作,保證電站工作人員的人身安全。最后,過壓保護系統(tǒng)。一般認為機坑是一個密閉系統(tǒng)。CO2氣體進入機坑內(nèi)滅火后,抽離裝置未開啟前的基坑壓強雖然不足以將風罩混凝土破壞,但是出于保護發(fā)電機附屬設(shè)備以及基坑蓋板不變形,要設(shè)立過壓保護系統(tǒng)。
以非洲某項目水電站發(fā)電機CO2滅火管路設(shè)計為例。該項目共10臺機組,單機容量187 MW,機坑內(nèi)凈空間按照機坑體積減去定、轉(zhuǎn)子體積(定、轉(zhuǎn)子重量除以銅的密度)來估算,經(jīng)計算機坑內(nèi)凈空間約683.42 m3。主合同要求全廠發(fā)電機共設(shè)置兩套CO2滅火系統(tǒng),即每5臺發(fā)電機共用一套CO2滅火系統(tǒng)。滅火系統(tǒng)分為主噴放和延時噴放兩階段。主噴放階段CO2濃度達到40%,并在60 s內(nèi)噴放完畢。1 min時啟動延時滅火設(shè)備,應(yīng)在20 min內(nèi)保持CO2密度25%。CO2使用70 L、42 kg(每個鋼瓶的重量定義為m)容量鋼瓶儲存,鋼瓶儲存間平均溫度約為20℃,此時鋼瓶內(nèi)壓強為15 MPa。僅考慮一臺發(fā)電機失火情況。
1)主噴放階段CO2鋼瓶數(shù)量
根據(jù)NFPA12中表5.3.3(b)條規(guī)定,在34%的條件下,127.36~1 415 m3空間容積范圍內(nèi),選 1.3 m3/kg,得出需要 CO2滅火劑重量為 683.42/1.3=525.7 kg。
根據(jù)NFPA12第5.3.4條規(guī)定,超過34%的設(shè)計濃度對象,按圖5.3.4增加用量,按主合同要求,初始濃度40%,查表得系數(shù)1.204,則初始設(shè)計用量為
M1=525.7 ×1.204=632.95 kg
N1=M1/m=632.95/42=15.07 瓶
取16瓶。
式中,M1為套發(fā)電機CO2滅火系統(tǒng)主噴放階段所需CO2質(zhì)量;N1為套發(fā)電機CO2滅火系統(tǒng)主噴放階段所需CO2鋼瓶數(shù)量。
2)延時噴放階段CO2鋼瓶數(shù)量
根據(jù)NFPA12中表 A5.5.3(b)條規(guī)定,查表插值得延時系統(tǒng)滅火噴射應(yīng)維持25%濃度20 min的CO2最低估算量為 M2=620.5 kg。
N2=M2/m=620.5/42=14.77 瓶
取15瓶。
式中,M2為一套發(fā)電機CO2滅火系統(tǒng)延時放階段所需CO2質(zhì)量;N2為一套發(fā)電機CO2滅火系統(tǒng)延時放階段所需CO2鋼瓶數(shù)量。
3)過壓保護系統(tǒng)計算
使用公式:理想狀態(tài)氣體公式——P1×V1/T1=P2×V2/T2
分壓定律——在一密閉容器內(nèi)裝有混合氣體,容器內(nèi)的總壓強P等于所有氣體的壓強和。
從啟動CO2滅火系統(tǒng)后,可以分為兩個階段,第一階段是CO2從主噴放鋼瓶及延時噴放鋼瓶中釋放至機坑內(nèi)(初始是氣液兩相,隨時間和溫度的變化,最終變成氣態(tài)),并且CO2溫度由20℃上升至80℃(根據(jù)設(shè)定的火災報警溫度)。第二階段是機坑內(nèi)空氣及CO2(考慮此時全部變成氣態(tài))混合后壓強增加。暫時不考慮CO2由氣液兩相轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程中吸熱,機坑內(nèi)溫度下降。
第一階段:鋼瓶內(nèi)CO2的壓強為P1=15 MPa,主噴放與延時噴放鋼瓶內(nèi)CO2的體積為V1=31×70/1 000=2.170 m3,鋼瓶間溫度為 T1=20+273=293 K;P2為機坑內(nèi)CO2氣體的壓強,機坑內(nèi)體積為V2=683.42 m3,發(fā)生火災后機坑內(nèi)的溫度為T2=80+273=353 K。
P2=P1×V1×T2/T1/V2=15×2.17×353/293/683.42=0.057 4 MPa
第二階段:常壓空氣由20℃變?yōu)?0℃時,壓強變化不大,與上面計算類似,總壓強由分壓定律得P=0.122+0.057 4=0.179 4 MPa。
由于未考慮CO2由氣液兩相轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程中吸熱,機坑內(nèi)溫度下降。機坑內(nèi)實際壓強應(yīng)該小于0.179 4 MPa,大于標準狀態(tài)下大氣壓力,但是根據(jù)NFPA 5.6.2計算泄壓孔的面積,配置泄壓孔。泄壓孔需由管路連接至室外。
式中,Q為CO2噴放速率,kg/min,因延時噴放在主噴放1 min后才開始,所以,CO2噴放速率取兩次噴放的較大值,取42×16=672 kg/min;P為建筑物可承受壓強,kPa,因為發(fā)電機基坑可承受壓力較大,取值為4.8 KPa;X為泄壓孔面積,mm2。
X=239 ×672/4.80.5=73 307.19 mm2
4)主噴放管路以及延時噴放管路管徑選擇
式中,D為管路直徑,mm;Q為平均主管管路中的流量,kg/min;T為噴放時間,1 min。
由上式,可計算出主噴放管路與延時噴放管路主管管徑均可選用DN50。
5)管路材質(zhì)及壁厚選擇
管路材質(zhì)一般根據(jù)主、合同要求。合同沒有要求的,可以使用不銹鋼管、焊接鋼管,若使用焊接鋼管要內(nèi)外鍍鋅,個別項目業(yè)主要求不能內(nèi)鍍鋅,但可以涂防銹油漆,根據(jù)合同要求執(zhí)行。管路安裝完畢后需要進行打壓試驗,一般鋼管均可承受,若合同已經(jīng)規(guī)定的管路腐蝕厚度,應(yīng)根據(jù)管路壁厚計算公式計算,然后選擇鋼管厚度。公式如下。
式中,S為管路壁厚,mm;P為管路設(shè)計壓力,MPa;d為管路公稱直徑,mm;σ為設(shè)計工作溫度下材料許用應(yīng)力,MPa;c為腐蝕厚度,mm;:▽S為制造偏差,取15%管路壁厚,mm。
6)滅火后氣體抽離系統(tǒng)
發(fā)電機滅火后,需要從發(fā)電機機坑內(nèi)將CO2抽離,并且排出室外。
從水電站設(shè)立值班人員數(shù)量看,中國值班人員較多,國外水電站多按照無人值班設(shè)計,尤其是歐洲電站。在中國水電站,發(fā)電機水噴霧滅火發(fā)生誤報警誤動作時,若滅火采用自動方式,則水噴霧會使線圈損壞,導致水電站損失較大,所以中國發(fā)電機水噴霧滅火一般采用手動方式。當有報警發(fā)生后,值班人員去現(xiàn)場確認,確認發(fā)生火災后,手動啟動滅火裝置,給發(fā)電機滅火。這時,發(fā)電機滅火快慢取決于值班人員的動作快慢。無人值班水電站一般采用發(fā)電機CO2滅火,發(fā)生火災后滅火系統(tǒng)動作迅速,即使誤動作,抽離CO2后,不影響機組繼續(xù)使用。隨著社會和科技的發(fā)展,中國水電站會逐步實現(xiàn)無人值班,發(fā)電機滅火也會由水噴霧滅火為主,逐步改變?yōu)镃O2滅火。
[1]NFPA 12 -28,Standard on Carbon Dioxide Extinguishing System[S].