某客船細(xì)水霧滅火系統(tǒng)研究

俞麗慧，王 榮

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300456)

客船上層建筑發(fā)達(dá)，具有多層甲板，用于布置旅客艙室。一般設(shè)有完善的餐廳、衛(wèi)生間和娛樂設(shè)施。在抗沉、防火、救生等方面的安全要求較嚴(yán)格。船級社入級對于客船的安全要求相對比較高，在火災(zāi)預(yù)防這方面，細(xì)水霧系統(tǒng)是一種安全、環(huán)保、綠色并切實有效的滅火手段。因此研究細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對于建造客船有重要的意義。

1 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的簡介

細(xì)水霧是在噴頭最小工作壓力下，噴頭噴出霧滴的體積分布直徑Dv0.99小于1 000 μm的水霧[1]。這是一種用體積法表示霧滴直徑的方法，Dv0.99表示小于1 000 μm的直徑體積含量為99%。根據(jù)霧滴直徑可將細(xì)水霧分為3級：第一級細(xì)水霧的體積累積分布直徑Dv0.99小于200 μm；第二級細(xì)水霧的體積累積分布直徑Dv0.99大于200 μm且小于等于400 μm[2]；第三級細(xì)水霧的體積累積分布直徑大于400 μm小于1 000 μm。

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是具有供水設(shè)備單元、分配管(路)網(wǎng)和探火及火災(zāi)報警裝置，并與一個或多個細(xì)水霧噴嘴相連接，能夠釋放細(xì)水霧來控制火災(zāi)、抑制火災(zāi)或滅火的系統(tǒng)[3]。

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對其保護(hù)對象可實施滅火、抑制火災(zāi)、控制火災(zāi)、控制溫度和降塵的多種方式進(jìn)行保護(hù)[4]，其滅火的相關(guān)原理可以歸納為如下幾點(diǎn)[5]：窒息作用、冷卻作用、浸潤作用、阻隔熱輻射、乳化作用。在水霧滅火的過程中，通常會有幾種作用是同一時間發(fā)生的，從而進(jìn)行有效滅火。

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)特點(diǎn)有：①用水量低；②降低了火災(zāi)損失和水浸損失；③具有很強(qiáng)的阻隔輻射熱能力；④電氣絕緣性能更佳，可以有效撲滅帶電設(shè)備火災(zāi)；⑤系統(tǒng)重量輕、管徑小、方便安裝和維修；⑥具有很強(qiáng)的除煙性能、安全環(huán)保性；⑦細(xì)水霧具有相當(dāng)好的冷卻火災(zāi)場所及燃燒物的作用，可以有效避免火災(zāi)高溫造成的相關(guān)結(jié)構(gòu)變形，并且滅火結(jié)束以后不會產(chǎn)生復(fù)燃。

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的分類方式有以下4種：①按管路的壓力大致分為低壓水霧滅火系統(tǒng)、中壓水霧滅火系統(tǒng)、高壓水霧滅火系統(tǒng)[6]；②按其應(yīng)用方式可分為全浸沒應(yīng)用系統(tǒng)、局部應(yīng)用系統(tǒng)、分區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)；③按其霧化的方式可分為單相流系統(tǒng)、兩相流系統(tǒng)；④按其管路充水方式可分為干式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、濕式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。

2 某客船細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計

2.1 船舶用途和總體概述

某客船是長期國際航行的客船，其采用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)裝置。通常在一個港口靠泊一段時間后前往另一個港口。該船總長約175 m、型寬約29 m、設(shè)計吃水約6 m、結(jié)構(gòu)吃水約6.2 m、服務(wù)航速12 kn，總噸位預(yù)計36 600 t，載重量在密度為1.025 t/m3的海水中應(yīng)不少于4 500 t。其懸掛馬耳他旗，入級英國勞氏船級社，在出海航行時定員約500人，在港靠泊可達(dá)約950人。船舶在港時船上人員有職員和旅客約650人，日間工作人員約200人。

2.2 基本設(shè)計參數(shù)

本船設(shè)備和系統(tǒng)需要滿足下述環(huán)境工況，環(huán)境工況如表1所示。

表1 環(huán)境工況

2.3 保護(hù)區(qū)域及分區(qū)

在諸多類別的船舶當(dāng)中，大型的客船由于載客量大，通常能達(dá)到千人，發(fā)生火災(zāi)時易造成重大人身財產(chǎn)損失[7]。而某客船作為客船的一種，在航行工況時載客人數(shù)超500人，在碼頭工況時可以載客900人，因此，通過布置合理完整的防火結(jié)構(gòu)，將火災(zāi)在一定時間內(nèi)控制在火源艙室內(nèi)，這個方案在實踐上是可行的。因此防火結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分在一定程度上可以控制火災(zāi)蔓延。本船的保護(hù)處所有生活區(qū)和公共場合服務(wù)處所、機(jī)艙區(qū)域。

2.4 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的主要部件

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由淡水艙、淡水輸送泵、過濾器、進(jìn)水電磁閥、噴淋泵組單元、應(yīng)急備用氣瓶裝置、噴淋管路、分區(qū)控制閥、細(xì)水霧噴頭等組成，水霧滅火系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1-閥控面板復(fù)示器；2-閥控面板；3-噴頭；4-深煎鍋區(qū)域閥；5-上建區(qū)域閥；6、7-機(jī)艙水霧區(qū)域閥；8-手動常開操作閥；9-電動常閉電磁閥；10-手報按鈕；11-1#泵組；12-2#泵組；13-3#泵組；14-備用單元；15-截止閥；16-濾器；17-止回閥；18-海底閥箱；19-總用泵；20-淡水艙

2.5 噴頭的設(shè)計

船舶中由于保護(hù)對象的不同，需要噴頭的形式也有所區(qū)別，在了解噴頭的類型之后，需要根據(jù)噴頭所用的場所和空間的凈高度等因素對噴頭進(jìn)行選擇和布置。

1)噴頭的選型。水霧系統(tǒng)噴頭的選型需要從多個方面進(jìn)行考慮，其噴霧的角度、流量以及速度都是在設(shè)計中考慮的重點(diǎn)。噴霧水滴的速度以及大小直接影響滅火效果，如果噴霧水滴大就不能有效地冷卻火災(zāi)的氣體，如果噴霧水滴太小就不能集中到達(dá)火災(zāi)位置，從而影響滅火的時間及效果[8]。

當(dāng)噴頭與燃燒物的距離H比較大時，必須選用噴霧強(qiáng)度較大的噴嘴。所以噴頭高度的設(shè)計必須考慮噴頭的性能參數(shù)。為了滿足設(shè)計的要求，應(yīng)該多考慮選擇流量系數(shù)大的噴頭。

根據(jù)本船的特點(diǎn)，客艙房間較多，被保護(hù)機(jī)器處所不是特別集中，另外局部保護(hù)設(shè)備較多，在噴頭的選用上面需要分類、分區(qū)仔細(xì)地進(jìn)行選擇。具體噴頭的選用參見表2。

表2 噴頭的選用

2)噴頭的排列形式和間距計算。噴頭的排列有單排(一線)和網(wǎng)格化(三角形和矩形)2種方法，噴嘴的間距是根據(jù)噴頭布置方式不同，根據(jù)的水霧柱底圓的半徑乘以一個常數(shù)得出，噴嘴間距R要求如公式所示，三角形噴頭布置示意圖如圖2所示。噴頭間距按公式(1)計算：

圖2 三角形噴頭布置示意圖

(1)

矩形噴頭布置示意圖如圖3所示。噴頭間距按公式(2)計算：

圖3 矩形噴頭布置示意圖

(2)

式中，Rrrmax為水霧柱底圓半徑，m。

噴頭間距通過計算可得出，噴頭的最大間距如表3所示。

表3 噴頭的最大間距

當(dāng)只有火源點(diǎn)一點(diǎn)時，可選用單點(diǎn)布置，此時噴頭應(yīng)布置在火源點(diǎn)的上方。水霧噴頭與保護(hù)對象之間的距離不得大于水霧噴頭的有效射程。確定噴頭的排列間距與安裝高度時，應(yīng)能確保噴嘴噴出的細(xì)水霧能完全覆蓋保護(hù)區(qū)，同時還要有一定的噴霧強(qiáng)度[9]。

2.6 系統(tǒng)水力計算

船舶細(xì)水霧滅火系統(tǒng)需要正常運(yùn)行，就需要有充足的水源，船舶上應(yīng)該有一定的淡水存儲。淡水的存儲占用船舶一定量的空間，并且影響船舶的自重，所以需要對細(xì)水霧系統(tǒng)的水量進(jìn)行核算。

1)單個噴頭流量計算。每種形式的噴頭流量是有所不同的，單個噴頭流量是由這種噴頭的流量系數(shù)和工作壓力決定的，具體單個噴頭流量按式(3)計算：

(3)

式中，q為水霧噴頭的流量，L/min，P為水霧噴頭的工作壓力，MPa；K為水霧噴頭的流量系數(shù)。

由公式(3)計算得出各類型噴頭流量見表4。

表4 各類型噴頭流量

2)水霧系統(tǒng)的計算流量。系統(tǒng)的流量按照保護(hù)區(qū)域的噴頭數(shù)量和實際流量決定，具體按公式(4)計算：

(4)

式中，Qj為系統(tǒng)的計算流量，L/min；n為系統(tǒng)啟動后同時噴霧的噴頭數(shù)量，只；qi為水霧噴頭的實際流量，L/min。

本船中保護(hù)區(qū)域多，流量是按最大的保護(hù)區(qū)(前主機(jī)艙)計算，按照公式(4)可得出：Qj=1 485.9 L/min。

3)水霧系統(tǒng)的設(shè)計流量。水霧系統(tǒng)的設(shè)計流量應(yīng)大于系統(tǒng)的計算流量，使系統(tǒng)流量有一定的余量。系統(tǒng)的設(shè)計流量由安全系數(shù)和計算流量計算得出，具體按公式(5)計算：

Qs=kQj,

(5)

式中,Qs為系統(tǒng)的設(shè)計流量，L/min；k為安全系數(shù)，應(yīng)取1.05～1.10(通常取1.10)。

由公式(5)可得：Qs=1 634.5 L/min。

4)水霧系統(tǒng)泵的流量計算。水霧系統(tǒng)泵的選用根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計流量，并按照安全返港(SRtP)的要求，滿足每臺單元泵組要達(dá)到總流量的50%，所以泵的流量應(yīng)按公式(6)計算：

Q=50%Qs,

(6)

式中，Q為泵組的設(shè)計流量，L/min。

由公式(6)可得：Q=817 L/min。

5)水艙的儲存水量。按照技術(shù)規(guī)格書的要求，本船的水量存儲要滿足保護(hù)區(qū)的噴霧時間實際為30 min的要求，水艙的存儲按照經(jīng)驗需要有一定的余量，所以需要的總水量按公式(7)計算：

Qc=1.2×30Q，

(7)

式中,Qc為水艙的儲存水量，L。

由公式(7)可得出：Qc=29 412 L≈29.4 m3(包含20%余量)。由于本船是使用船舶淡水艙作為細(xì)水霧系統(tǒng)的水源的，容量滿足供水量的要求。

6)系統(tǒng)主管管徑計算。系統(tǒng)的主管是給管道末端提供水的管道，主管的管徑直接影響到系統(tǒng)末端是否能及時地被供應(yīng)上所需要的水，主管道的管徑要根據(jù)泵組的流量運(yùn)算得出。系統(tǒng)的主管管徑按公式(8)計算：

(8)

式中，di為主管的管徑，mm。

由公式(8)可得：di=52.02 mm。

根據(jù)管子的現(xiàn)有規(guī)格進(jìn)行管徑選取，所以主管徑的取值為60 mm。

2.7 系統(tǒng)壓力計算

水的輸送需要一定的壓力，壓力驅(qū)動水輸送到每一個用水單元。本系統(tǒng)使用水霧泵組單元加壓后將水輸送到各噴頭。

1)系統(tǒng)的壓力計算。系統(tǒng)壓力計算要考慮到管路系統(tǒng)中最不利位置處的壓力值。流體在管路中經(jīng)過管路、閥門和彎頭后都會有壓力損失(包含沿程的壓力損失和局部壓力損失)，因為本系統(tǒng)的流體流速高，產(chǎn)生紊流更會加大壓力損失，所以系統(tǒng)的壓力按公式(9)計算：

Pt=Pf+Pe+Po，

(9)

式中，Pt為系統(tǒng)供水壓力；Pf為管路壓力損失；Pe為最不利點(diǎn)噴頭與儲水箱最低位的靜壓差值；Po為噴頭設(shè)計的工作壓力。

2)管路壓力損失及流量校核。系統(tǒng)中選用2個典型最不利區(qū)域進(jìn)行壓力損失及流量的計算分析：區(qū)域1局部水霧系統(tǒng)中噴頭最多；區(qū)域2是區(qū)域局部水霧系統(tǒng)中距離單元泵組最遠(yuǎn)的。對以上2個最不利點(diǎn)的計算，驗證水泵的泵組單元的壓力滿足要求。

3 結(jié)束語

推進(jìn)細(xì)水霧系統(tǒng)的自主設(shè)計，有利于提高其技術(shù)水平，增強(qiáng)船舶產(chǎn)品的市場競爭力；有利于積累經(jīng)驗和環(huán)境保護(hù)，使真正綠色的消防技術(shù)在完成消防保護(hù)的同時，不對環(huán)境造成任何危害。