中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司 汪正明

1 緒論

1.1 研究背景

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用始于上世紀(jì)中葉，發(fā)展于上世紀(jì)九十年代。當(dāng)前細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展日益成熟，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電力行業(yè)的消防系統(tǒng)中，尤其是在燃煤電廠、地下變電站、城市綜合管廊電纜隧道、儲能電站等多個電力行業(yè)范疇。

燃煤電廠。根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，機(jī)組容量為300MW及以上的燃煤電廠的集中控制樓和網(wǎng)絡(luò)控制樓的電纜夾層、汽機(jī)房的汽輪機(jī)油箱等場所及設(shè)備應(yīng)采用固定滅火系統(tǒng)，可采用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。有研究表明，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用于大唐山東東營發(fā)電有限公司2臺百萬機(jī)組工程集控樓的消防，使該工程消防部分的建設(shè)成本得到明顯降低[1]。

地下變電站。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)作為地下變電站內(nèi)油浸變壓器、油浸電抗器及電纜夾層等區(qū)域的固定滅火設(shè)施有著較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，能用于相對封閉情況下可燃液體、帶電固體和可燃固體表面的火災(zāi)滅火，不僅有水噴淋的作用，還有氣體滅火的作用。此外，地下變電站內(nèi)消防排水難度較大，該系統(tǒng)具有用水量、排水量小的優(yōu)勢。

城市綜合管廊電纜隧道。隨著城市化進(jìn)程的加快，為滿足新型發(fā)展要求，應(yīng)全方位推動城市道路配建地下綜合管廊的建設(shè)，使其占比呈上升趨勢[2]。電纜線路敷設(shè)于廊道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了城市地下空間的深度利用，但電纜隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致電氣設(shè)備故障和人員逃生及疏散困難，因此如何讓滅火系統(tǒng)發(fā)揮最有效的作用成為亟需解決的問題[3]。有研究表明，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在地下空間滅火具有其它系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢[4]。目前眾多研究聚焦于電纜隧道中細(xì)水霧布置設(shè)計(jì)的優(yōu)化，從廊道結(jié)構(gòu)、火源位置、細(xì)水霧的噴頭壓力、不同壓力的滅火有效性等多種角度優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]，能進(jìn)一步提高電纜隧道滅火系統(tǒng)的有效性。

儲能電站。站內(nèi)的主體設(shè)備是蓄電池集裝箱，集裝箱內(nèi)消防滅火設(shè)施目前沒有統(tǒng)一做法，但考慮到儲能集裝箱的特殊性及重要性，目前均考慮增設(shè)固定式滅火系統(tǒng)，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)也正處于研究制定中。高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)作為儲能電站內(nèi)的固定式滅火系統(tǒng)也有工程應(yīng)用，同時符合現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》。

1.2 研究目的

由于細(xì)水霧系統(tǒng)不斷成熟，國家對電力行業(yè)消防設(shè)計(jì)合理性與功能性要求的提高，電力行業(yè)已逐漸應(yīng)用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)來解決消防中滅火效率相對較低、排水難度大、安全性相對較差等問題，但仍處于初步研究階段。本文從實(shí)際應(yīng)用角度進(jìn)一步優(yōu)化電力行業(yè)細(xì)水霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其能更有效指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用，同時能進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的有效性，且與國家環(huán)保、安全及可持續(xù)發(fā)展的主題相符合。

1.3 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)工作原理

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火介質(zhì)主要是水，采用霧化噴頭在壓力工作下將水流轉(zhuǎn)換成微小霧滴，充滿整個防護(hù)空間，通過冷卻、窒息等方式進(jìn)行滅火。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由泵組、區(qū)域控制閥組、不銹鋼管道、噴頭和火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)等組成。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)根據(jù)末端細(xì)水霧噴頭工作壓力分為低壓、中壓及高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。其中高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用較廣，該系統(tǒng)是利用高壓（≥10MPa）作用下，水霧噴頭使水流變成比表面積大的極小水霧滴，從而能快速吸收周圍熱量變成水蒸汽，體積急劇膨脹，導(dǎo)致著火點(diǎn)周圍沒有氧氣和其它可燃?xì)怏w相接近，不能維持繼續(xù)燃燒而缺氧窒息，具有高效冷卻、迅速窒息的雙重滅火作用。

2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

應(yīng)用范圍。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型按《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：電纜夾層、電纜隧道等選用全淹沒開式系統(tǒng)；油浸變壓器、渦輪機(jī)房等選用局部應(yīng)用的開式系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)持續(xù)噴霧時間：用于電纜隧道、電纜夾層等場所時不應(yīng)小于0.5h；用于含可燃液體機(jī)械設(shè)備間的油浸變壓器室、柴油發(fā)電機(jī)房、潤滑油站、燃油鍋爐房等場所時不應(yīng)小于20min。

系統(tǒng)的分區(qū)：全淹沒應(yīng)用方式的開式系統(tǒng)的防護(hù)區(qū)個數(shù)應(yīng)小于等于3個。單個防護(hù)區(qū)的容積，泵組系統(tǒng)宜小于等于3000m3。若某防護(hù)區(qū)大于單個防護(hù)區(qū)最大容積時，宜將其分為多個分區(qū)進(jìn)行保護(hù)；火災(zāi)危險(xiǎn)性相同或者相近的分區(qū)，可按容積最大分區(qū)的參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)；火災(zāi)危險(xiǎn)性差異大的分區(qū)，按各自分區(qū)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；若設(shè)計(jì)參數(shù)與上表參數(shù)不相符合時，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)需通過相關(guān)實(shí)體火災(zāi)模擬試驗(yàn)后進(jìn)行確定。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作壓力按最不利點(diǎn)的噴頭也能達(dá)到10MPa最低工作壓力狀態(tài)進(jìn)行考慮，系統(tǒng)水阻采用Darcy-Weisbach公式Hf=λ×l/d×ν2/2g，其中：Hf為阻力損失；l為管長；d為管徑；ν為管內(nèi)平均速度；λ與雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度有關(guān)。設(shè)計(jì)時系統(tǒng)補(bǔ)給水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備選型及設(shè)計(jì)要求

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行要求，泵組在選型時應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的工作泵和備用泵。備用泵的性能應(yīng)與最大的工作泵保持一致，工作泵、備用泵能自動切換，并能手動操作停泵。同時，采用液位控制閥實(shí)現(xiàn)對水箱自動補(bǔ)水，以此進(jìn)一步提高泵組的可自動操作性和實(shí)際有效性。

閥箱的選型應(yīng)考慮防護(hù)等級、工作壓力大小、啟閉時間等。噴頭的選型應(yīng)充分考慮建筑物的性質(zhì)和設(shè)計(jì)合理性，噴頭的設(shè)計(jì)間距和噴頭的增設(shè)需合理且有效。同時，對于水漬和導(dǎo)電性敏感的電氣設(shè)備，選用噴頭霧滴直徑DV0.5應(yīng)小于65um、DV0.99應(yīng)小于100um，利用其具有氣體窒息作用的特性。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的管道應(yīng)根據(jù)工作壓力進(jìn)行選擇，可分為高壓和低壓管道，材質(zhì)均為不銹鋼。水泵吸水口至高壓細(xì)水霧泵組之間的管道、管道附件、閥門為低壓不銹鋼管道，應(yīng)采用不低于304不銹鋼的材質(zhì)。高壓泵組后為高壓不銹鋼管道，應(yīng)采用不低于316L不銹鋼的材質(zhì)。低壓不銹鋼管和高壓不銹鋼罐所對應(yīng)的公稱壓力限值不同，分別為不應(yīng)小于1.0MPa和不應(yīng)小于16MPa。主管道上每隔不大于100m需設(shè)置1根高壓U型管。

3 應(yīng)用實(shí)例

某地下變電站內(nèi)電纜夾層和油浸式變壓器采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，該系統(tǒng)存在運(yùn)行投資成本相對較低、滅火特性好、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本工程在站內(nèi)新建一套高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，高壓細(xì)水霧泵組設(shè)置在站內(nèi)專用消防設(shè)備用房內(nèi)。高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)保護(hù)對象為-13.40m層#1~#2主變（共2臺變壓器，包括變壓器本體、油枕及油坑）、-17.60m層電纜夾層（包括#1、#2電纜夾層）。主變壓器選用局部應(yīng)用方式的開式系統(tǒng)，電纜夾層采用全淹沒應(yīng)用方式的開式系統(tǒng)。主變壓器的設(shè)計(jì)強(qiáng)度按不小于1.2L/min·m2設(shè)計(jì)，電纜夾層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度按不小于1.0L/min·m2設(shè)計(jì)。

表2 防護(hù)區(qū)具體保護(hù)方式及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 系統(tǒng)組成

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)由高壓泵組、補(bǔ)水增壓泵、開式噴頭、區(qū)域控制閥組、過濾裝置、儲水箱、供水管道和火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)等組成。

3.3 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

電纜夾層持續(xù)噴霧時間≥30min，油浸變壓器持續(xù)噴霧時間≥20min；系統(tǒng)的響應(yīng)時間≤30s；系統(tǒng)組件、管道和管道附件的最低工作壓力不得低于16MPa；水泵吸水口至儲水箱之間的管道、管道附件、閥門的最低工作壓力不得小于1.0MPa；區(qū)域控制閥組執(zhí)行器必須采用電動閥；區(qū)域控制閥局部阻力不大于0.06MPa；系統(tǒng)組件應(yīng)具有耐腐蝕性能；高壓細(xì)水霧泵組設(shè)安全閥，安全閥動作壓力為系統(tǒng)最大工作壓力的1.15倍。

水泵有自動啟動、手動啟動和巡檢功能。巡檢過程中接到啟動命令，能立馬退出巡檢，進(jìn)入正常工作的運(yùn)行方式。本工程采用常規(guī)手動巡檢；主、備用泵應(yīng)具有自動切換功能，并應(yīng)能手動操作停泵。主、備用泵的自動切換時間不應(yīng)大于30s；過濾器材質(zhì)為不銹鋼，其網(wǎng)孔孔徑不應(yīng)大于噴頭最小噴孔孔徑的80%。

3.3.2 主要設(shè)備選型

噴頭選型：電纜夾層及變壓器本體采用K=0.7的開式噴頭，q=7L/min，安裝間距1.5~3.0m；油枕保護(hù)采用K=0.25的開式噴頭，q=2.5L/min，安裝間距0.5~1.0m；油坑保護(hù)采用K=0.125的開式噴頭，q=1.25L/min，安裝間距0.5~1.0m；選用噴頭霧滴直徑Dv0.5應(yīng)小于65um、Dv0.99應(yīng)小于100um。

泵組選型：系統(tǒng)中泵組流量根據(jù)其防護(hù)對象同時作用噴頭數(shù)的流量總和進(jìn)行確定。根據(jù)計(jì)算：本系統(tǒng)最大防護(hù)區(qū)為#2電纜夾層，設(shè)計(jì)流量Q=1134L/min，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作壓力H=12MPa，因此系統(tǒng)中泵組設(shè)計(jì)工作壓力按14MPa考慮。

由于九柱塞泵具備穩(wěn)定性和可靠性高的特點(diǎn)，本工程選用九柱塞泵。設(shè)兩套高壓細(xì)水霧泵組，單套泵組型號XSWBZ575/14-5＊1，其中主泵五用一備，穩(wěn)壓泵一用一備。單套泵組參數(shù)：Q=575L/min，H=14MPa，N=160kW。穩(wěn)壓泵參數(shù)：Q=12.8L/min，H=1.4MPa，N=0.75kW，并配套有控制柜。

綜上，隨著能源系統(tǒng)的改革，環(huán)保安全意識加強(qiáng)，電力行業(yè)對消防要求越來越高，有關(guān)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，今后在電力行業(yè)的發(fā)展中細(xì)水霧滅火系統(tǒng)將得到更多的應(yīng)用。