黃 毅

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海市 200335）

1 引言

發(fā)電工程中開關(guān)站（變電站）是輸送電力的核心部位，其中最重要的輸變電設(shè)備是主變壓器，必須設(shè)置可靠的消防措施，保護(hù)其運行安全。

水是最常用的滅火劑，應(yīng)用方便、來源豐富、價格低廉，因此，在消防上獲得廣泛的應(yīng)用。其中細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有清潔、高效的滅火特點，是20世紀(jì)末發(fā)展起來的哈龍滅火系統(tǒng)的替代系統(tǒng)之一，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的壓力高、管道管徑小、布置緊湊；用水量少、水漬損失少；細(xì)水霧滅火除煙效率高、隔熱冷卻效果好、電氣絕緣性能好，有利于保護(hù)人員疏散等，在主變壓器及變電站設(shè)備房消防上得到較多應(yīng)用。

目前我國的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)正處于國外產(chǎn)品進(jìn)入、國內(nèi)產(chǎn)品跟進(jìn)的發(fā)展階段，國內(nèi)應(yīng)用在重要變電站的消防設(shè)備都選用了歐美產(chǎn)品。為了更好地完成發(fā)電工程變電站的消防設(shè)計工作，有必要對細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比理解。

2 概述

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有我國的GB 50898《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，美國消防協(xié)會的NFPA750《Standard on Water Mist Fire Protection Systems（細(xì)水霧滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）》，歐盟的CEN/TS14972《固定滅火系統(tǒng)——細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計安裝標(biāo)準(zhǔn)》，以及美國工廠互保研究中心（Factory Mutual）的FM5560《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》等，各國的標(biāo)準(zhǔn)都對細(xì)水霧的設(shè)計、施工、驗收、維護(hù)管理、安全性問題等進(jìn)行了指導(dǎo)和規(guī)定。

本文將GB 50898—2013標(biāo)準(zhǔn)和美國NFPA 750—2015版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比和分析，從設(shè)計單位關(guān)注的系統(tǒng)定義及分類、主要設(shè)計參數(shù)、水力計算方法、主要設(shè)備部件的設(shè)置要求等方面，提出一點粗淺的認(rèn)識和看法。除了本文的設(shè)計關(guān)注點，上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還對系統(tǒng)施工及驗收、維護(hù)管理等提出了一些要求和建議，對指導(dǎo)工程的建設(shè)實施也是非常實用的。

3 標(biāo)準(zhǔn)的對比

3.1 定義及分類

無論GB標(biāo)準(zhǔn)還是NFPA標(biāo)準(zhǔn)，對細(xì)水霧的定義都是指噴頭在最小設(shè)計工作壓力下、霧滴在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑分布DV0.99（指噴霧液體總體積由1%直徑大于該數(shù)值、99%直徑小于或等于該數(shù)值的霧滴組成）為某值的水霧。那么DV0.99的值是多少呢？NFPA標(biāo)準(zhǔn)3.3.22條對細(xì)水霧的定義，“A water spray for which theDV0.99, for the flow-weighted cumulative volumetric distribution of water droplets is less than 1000μm within the nozzle operating pressure range.”細(xì)水霧也就是DV0.99≤1000μm的水霧。針對此條，在附錄中進(jìn)行了說明，“This standard addresses the use of fine water sprays for the efficient control, suppression, or extinguishment of fires using limited volumes of water.Properly designed water mist systems can be effective on both liquid fuel(Class B) andsolid fuel (Class A) fires.Research indicates that fine(i.e., smaller than 400 microns) droplets are essential for extinguishment of Class B fires, although larger drop sizes are effective for Class A combustibles, which benefit from extinguishment by fuel wetting.For this reason, the definition of water mist in this standard includes sprays withDV0.99of up to 1000μm”。雖然研究結(jié)果表明，DV0.99≤400μm時能較好地?fù)錅鏐類火災(zāi)，但考慮較大的水滴能有效撲滅A類火災(zāi)，標(biāo)準(zhǔn)還是將細(xì)水霧定義為DV0.99值≤1000μm。GB標(biāo)準(zhǔn)中直接對細(xì)水霧的定義為“水在最小設(shè)計工作壓力下，經(jīng)噴頭噴出并在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑DV0.50小于200μm、DV0.99小于400μm的水霧滴”，可見，該標(biāo)準(zhǔn)中DV0.99值小于400μm。

對于DV0.99值，GB標(biāo)準(zhǔn)中分析了國家權(quán)威專業(yè)機構(gòu)的實際測試數(shù)據(jù)后進(jìn)行了解釋：按NFPA標(biāo)準(zhǔn)中采用DV0.99≤1000μm的分類方法，水噴霧范圍內(nèi)的水霧也包括在其中，不利于區(qū)別細(xì)水霧滅火系統(tǒng)和水噴霧滅火系統(tǒng)的工程應(yīng)用。因此，對主變壓器這種B類火災(zāi)來說，GB標(biāo)準(zhǔn)中的定義DV0.99值＜400μm更合理，查閱NFPA標(biāo)準(zhǔn)時要注意它的附錄說明。

對于細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的分類，NFPA標(biāo)準(zhǔn)按工作壓力分類，大于等于3.45MPa為高壓、1.21～3.45MPa之間為中壓、小于等于1.21MPa為低壓；而GB標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義壓力等級的高低。工程實際中，通常按NFPA標(biāo)準(zhǔn)分壓力等級，分別是高壓系統(tǒng)工作壓力大于等于3.45MPa、中壓系統(tǒng)工作壓力在1.21～3.45MPa、低壓系統(tǒng)工作壓力小于等于1.21MPa，這樣便于直觀理解。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)主要的設(shè)計參數(shù)包括噴霧強度、噴頭參數(shù)和持續(xù)噴霧時間，理論上設(shè)計參數(shù)應(yīng)根據(jù)實體火災(zāi)模擬試驗結(jié)果確定。為了方便設(shè)計，GB標(biāo)準(zhǔn)在分析、歸納、總結(jié)的基礎(chǔ)上給出了一些典型值。以保護(hù)油浸式變壓器為例，GB標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“細(xì)水霧滅火系統(tǒng)用于保護(hù)油浸式變壓器室、噴頭工作壓力≤10MPa時，噴頭的安裝高度≤7.5m，系統(tǒng)最小噴霧強度1.2L/（min·m2），噴頭的最大布置間距3.0m，設(shè)計持續(xù)噴霧時間不應(yīng)小于20min ”；NFPA標(biāo)準(zhǔn)中沒有對具體的保護(hù)對象提供噴霧強度、噴頭參數(shù)的要求，籠統(tǒng)地推薦“ (細(xì)水霧系統(tǒng)的）水量應(yīng)能持續(xù)供應(yīng)不少于30min”，與標(biāo)準(zhǔn)引言“1.2.2 The user of this standard shall recognize the complexity of water mist fire suppression systems.”and “1.3 This standard shall apply to water mist fire protection systems and shall establish minimum requirements for water mist technology on the basis of sound engineering principles, test data, and field experience.”所表達(dá)的“用戶應(yīng)認(rèn)識到細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的復(fù)雜性，本標(biāo)準(zhǔn)是基于成熟的工作原理、可靠的試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場經(jīng)驗提出的最低要求”所表達(dá)的觀點一致。

由于細(xì)水霧產(chǎn)品多種多樣，不同制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品性能差異較大，影響細(xì)水霧滅火效果的因素眾多、關(guān)系復(fù)雜，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)建立在實體火災(zāi)試驗或?qū)嶓w火災(zāi)模擬試驗的基礎(chǔ)上。因此，工程設(shè)計之初，可按不小于GB標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值進(jìn)行初定，后期招標(biāo)確定具體制造商后，應(yīng)結(jié)合經(jīng)試驗驗證的實際產(chǎn)品性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，保證消防系統(tǒng)的可靠和安全。

3.3 水力計算

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容就是管網(wǎng)的水力計算。采用的計算方法，GB標(biāo)準(zhǔn)和NFPA標(biāo)準(zhǔn)一致。計算沿程損失，推薦Darcy-Weisbach（達(dá)西—魏茨）公式，該公式考慮了管道的粗糙度、流體密度、動力黏度等，較復(fù)雜，但是結(jié)果精確；當(dāng)管徑≥20mm、流速小于7.6m/s時，也可以采用Hazen-Williams（海澄—威廉）公式簡化計算，海澄—威廉公式只考慮了管道的材質(zhì)（粗糙度）因素。計算局部損失，推薦采用當(dāng)量長度的計算方法，結(jié)果較精確，大部分管件和常用閥門的當(dāng)量長度都有經(jīng)驗值可插取，但滅火系統(tǒng)獨特結(jié)構(gòu)的過濾器、閥門等的當(dāng)量長度往往需要制造商提供，在系統(tǒng)初期設(shè)計計算時非常不便；因此，一般初算時，將沿程損失值乘以一定的系數(shù)作為局部損失值以計算總損失。

水力計算的難點是系統(tǒng)設(shè)計流量的精確計算，因為保護(hù)區(qū)內(nèi)管網(wǎng)上同時動作的噴頭數(shù)量多、流量和工作壓力是動態(tài)變化的。GB標(biāo)準(zhǔn)推薦的計算方法是以最不利點噴頭滿足最小設(shè)計工作壓力和設(shè)計流量的原則，按同時動作的每個水霧噴頭處的損失推算到它的實際工作壓力，逐個計算各噴頭的流量，然后累計同時動作的噴頭流量總和。這個方法也是我們常用的工程管網(wǎng)計算軟件中采用的。NFPA標(biāo)準(zhǔn)中未詳細(xì)提及。

確定系統(tǒng)設(shè)計流量和管網(wǎng)損失、噴頭最小工作壓力后，就可以選擇消防供水泵了。

3.4 消防泵

首先，消防泵的設(shè)計流量和工作揚程，應(yīng)滿足系統(tǒng)最大滅火時的要求；第二，消防泵要有備用，包括流量備用和動力源備用[1]。這兩點基本原則，GB標(biāo)準(zhǔn)和NFPA標(biāo)準(zhǔn)是一致的。其中，動力源100%備用是大家都認(rèn)可的，但兩個標(biāo)準(zhǔn)對流量備用的說法有所不同。

GB標(biāo)準(zhǔn)提出“工作泵及穩(wěn)壓泵均需要設(shè)置備用泵，備用泵的流量和壓力等要求與最大一臺工作泵相同”，NFPA標(biāo)準(zhǔn)第12.5.2.2條，“Electrical or diesel-driven pumps supplying water mist systems shall be of sufficient capacity to exceed both the system flow rate and pressure demands as determined by hydraulic calculations, by a minimum of 10 percent for bothflow and pressure.”規(guī)定“供應(yīng)細(xì)水霧的電力或柴油泵應(yīng)具有足夠的容量，其流量和揚程超過設(shè)計計算值的10%”。

以保護(hù)地下大型開關(guān)站（變電站）中主變壓器室及主要電氣設(shè)備室（如GIS室、柴發(fā)、電抗器室等）的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)為例，由于各保護(hù)對象的消防用水量差別比較大，最大的保護(hù)對象是油浸式變壓器室，其余保護(hù)區(qū)的用水量只有最大用水量的1/4～1/8左右。按NFPA標(biāo)準(zhǔn)和消防水泵的相關(guān)樣本，高壓細(xì)水霧消防供水泵可選用5～6臺主泵并聯(lián)運行加1臺備泵的方式（見圖1），通過靈活組合啟動的消防泵數(shù)量從而滿足不同的消防用水量需要[2]，此時大部分保護(hù)區(qū)的消防泵都達(dá)到100%的流量備用，最少有16%～20%的備用。如果按GB標(biāo)準(zhǔn)，除了配1臺備用泵外，主泵臺數(shù)可設(shè)1臺、2臺、3臺直到n臺，當(dāng)然最經(jīng)濟合理的是設(shè)置5～6臺主泵方案?？梢?，消防泵作為主要的消防供水設(shè)備，NFPA標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定備用流量的比例，對工程設(shè)計更具有指導(dǎo)性。

圖1 細(xì)水霧泵組Figure 1 Water mist pump units

3.5 水霧噴頭

水霧噴頭是細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的關(guān)鍵滅火部件，見圖2，由于噴頭的霧化效果和滅火性能需要通過型式試驗和火災(zāi)模擬試驗驗證[3]，不同品牌產(chǎn)品的滅火性能差別較大，因此，GB標(biāo)準(zhǔn)和NFPA標(biāo)準(zhǔn)都只是提出了噴頭選擇和布置的一些原則。

GB標(biāo)準(zhǔn)主要提出了噴頭對不同的保護(hù)對象的布置原則和要求，保證細(xì)水霧噴放均勻、完全覆蓋保護(hù)區(qū)域，噴頭與保護(hù)對象、帶電設(shè)備的安全距離等；尤其對保護(hù)油浸式變壓器的噴頭布置進(jìn)行了較詳細(xì)的規(guī)定，對工程設(shè)計比較實用。NFPA標(biāo)準(zhǔn)則建議選用時收集生產(chǎn)制造上的信息，提醒應(yīng)該關(guān)注噴頭的哪些性能，包括噴頭流量、安裝高度、布置間距、作用面積、工作壓力、適用的保護(hù)對象的特征等，更注重與制造商的專業(yè)配合工作。

總之，合理的噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、精細(xì)的加工質(zhì)量以及合適的布局，才能保證水霧噴頭取得良好的滅火效果[4]。

圖2 水霧噴頭Figure 2 Water mist nozzles

4 結(jié)語

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的GB標(biāo)準(zhǔn)與NFPA標(biāo)準(zhǔn)相對比，GB標(biāo)準(zhǔn)給出了典型保護(hù)對象設(shè)計參數(shù)的強制性規(guī)定作為設(shè)計依據(jù)，使設(shè)計工作更加便捷高效；NFPA標(biāo)準(zhǔn)給出了精細(xì)的系統(tǒng)壓力分類、消防泵設(shè)計要求等，但在參數(shù)的使用方面較謹(jǐn)慎，很多參數(shù)需要經(jīng)過試驗研究后確定，雖然工作嚴(yán)謹(jǐn)，但對初期的設(shè)計工作造成了不便?？偟膩碚f，NFPA標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢在于更注重細(xì)節(jié)，GB標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢在于更注重對宏觀的把控。

作為電氣設(shè)備滅火最經(jīng)濟、使用最廣泛的一種，進(jìn)行細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計時，要綜合運用GB標(biāo)準(zhǔn)和NFPA標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮保護(hù)對象的火災(zāi)特性、空間幾何特征、環(huán)境條件等實際情況，項目前期采用估算的方式，實施階段采用具體設(shè)備試驗性能來準(zhǔn)確計算并完成詳細(xì)設(shè)計工作，使細(xì)水霧滅火系統(tǒng)真正承擔(dān)起對電氣設(shè)備有效的防護(hù)，保證電力工程的安全穩(wěn)定運行。