火車滾裝船火車艙水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置優(yōu)化

陳婷婷， 陸小科， 劉 華， 鐘浩權(quán)， 姚堂毅

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

依據(jù)《國際海上人命安全公約》和《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》要求，船舶應(yīng)布置合適且足夠的消防系統(tǒng)/設(shè)備，一般包括水噴淋系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、二氧化碳系統(tǒng)、七氟丙烷系統(tǒng)及滅火器和泡沫滅火小推車等。水噴淋系統(tǒng)分類如表1所示。

表1 水噴淋系統(tǒng)分類

船用水噴淋系統(tǒng)主要分為船用居住艙水噴淋系統(tǒng)及火車艙/車輛艙等特定艙室和機(jī)械設(shè)備間水噴淋系統(tǒng)。船用居住艙水噴淋系統(tǒng)一般是由壓力水柜、噴淋泵、補(bǔ)水泵、儲氣裝置、報(bào)警閥(干式/濕式)、壓力傳感器、水流指示器、信號蝶閥、噴頭、系統(tǒng)主控制箱、泵組控制箱和顯示控制器等組

成的固定水滅火設(shè)備，廣泛應(yīng)用于油船、客船和人數(shù)較多的工程船船員臥室。船用火車艙/車輛艙和甲板水噴淋系統(tǒng)分為2種：高速水霧和中速水霧。在保護(hù)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，船用火車艙/車輛艙和甲板水噴淋系統(tǒng)啟動方式分為2種：遙控啟動和現(xiàn)場啟動。遙控啟動一般指打開保護(hù)區(qū)的分區(qū)信號閥，系統(tǒng)在收到信號閥開啟信息后自動啟動海水泵，舷側(cè)海水通過主管路到達(dá)指定區(qū)域的噴頭處進(jìn)行噴淋，實(shí)施滅火。在遙控信號失靈時，可通過現(xiàn)場啟動海水泵實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)供水滅火。機(jī)械設(shè)備間水噴淋系統(tǒng)一般采用分區(qū)閥，可遙控和手動控制球閥；泵組至分區(qū)閥間為濕式管路(保證在分區(qū)閥打開后水可快速到達(dá)噴頭處釋放)，分區(qū)閥至噴頭間為干式管路(防止噴頭誤釋放影響艙室設(shè)備等)。

國內(nèi)某火車滾裝船項(xiàng)目的火車艙水幕系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方案為：水泵(1 083.0 m3/h×0.60 MPa)，1組×100%排量；主甲板采用8區(qū)設(shè)計(jì)，分區(qū)總管集中布置于火車艙中部且從艏部貫穿至艉部；依據(jù)規(guī)范MSC.1/Circ.1430要求，應(yīng)布置1臺備用泵或增加1套水基滅火系統(tǒng)。該方案缺點(diǎn)：增加泵組數(shù)量或增加水基滅火系統(tǒng)；距分區(qū)線最近噴頭的噴淋范圍無法平均覆蓋分區(qū)線；噴淋總管和分區(qū)閥集中布置產(chǎn)生問題。因此，該方案需要優(yōu)化。

1 分區(qū)優(yōu)化

火車滾裝船火車艙分為2層：一層在主甲板(半封閉區(qū)域，層高為6.2 m)；一層在上甲板前部(遮蔽區(qū)域，層高為6.6 m)。火車艙布置剖視圖如圖1所示。

圖1 火車艙布置剖視圖

依據(jù)規(guī)范MSC.1/Circ.1430[1]要求，凈高>2.5 m且<6.5 m的甲板所需要的最小噴水密度和覆蓋面積如表2所示，其中：B為保護(hù)區(qū)域?qū)挾?，m。每平方米主甲板的噴水量至少為10.00 L/min，且分區(qū)長度至少為20.0 m。主甲板火車艙長度為166.4 m，按規(guī)范極限值計(jì)算，主甲板應(yīng)分為8區(qū)。在8區(qū)設(shè)計(jì)中，相鄰2個最大分區(qū)對應(yīng)泵組的流量參數(shù)則會減少，原因在于：相同保護(hù)范圍分區(qū)越多，對應(yīng)泵組的流量參數(shù)越少。若采用8區(qū)設(shè)計(jì)，則會導(dǎo)致距分區(qū)線最近噴頭的噴淋范圍無法平均覆蓋分區(qū)線。主甲板火車艙8區(qū)設(shè)計(jì)(局部)如圖2所示，其中：第4區(qū)和第5區(qū)的分區(qū)線靠近第5區(qū)。在第4區(qū)使用水幕滅火時，最接近分區(qū)線的一列噴頭無法將噴頭右側(cè)區(qū)域完全覆蓋。針對該船復(fù)雜的結(jié)構(gòu)布置和2區(qū)噴頭對稱布置的情況，主甲板火車艙優(yōu)化為7區(qū)，如圖3所示；噴淋覆蓋寬度為火車艙兩側(cè)結(jié)構(gòu)艙壁間寬度。

表2 凈高>2.5 m且<6.5 m的甲板所需要的最小噴水密度和覆蓋面積

圖2 主甲板火車艙8區(qū)設(shè)計(jì)(局部)

圖3 主甲板火車艙7區(qū)設(shè)計(jì)

依據(jù)規(guī)范MSC.1/Circ.1430[1]要求，凈高>6.5 m且<9.0 m的甲板所需要的最小噴水密度和覆蓋面積如表3所示。每平方米上甲板的噴水量至少為15.00 L/min，且分區(qū)長度至少為20.0 m。上甲板火車艙長度為166.4 m，但該層甲板對應(yīng)的水幕系統(tǒng)僅需要針對遮蔽區(qū)域(露天區(qū)域采用消防炮)，因此實(shí)際水幕區(qū)域總長為35.7 m，而大面積覆蓋噴淋片區(qū)長度僅為18.0 m，因此該區(qū)域設(shè)為1個分區(qū)。上甲板火車艙分區(qū)如圖4所示；噴淋覆蓋寬度為上甲板兩側(cè)結(jié)構(gòu)艙壁間寬度(兩翼遮蔽處僅需要考慮遮蔽寬度)。

表3 凈高>6.5 m且<9.0 m的甲板所需要的最小噴水密度和覆蓋面積

圖4 上甲板火車艙分區(qū)

2 泵組優(yōu)化

依據(jù)規(guī)范MSC.1/Circ.1430要求：泵組的容量計(jì)算應(yīng)考慮最大的相鄰2個分區(qū)噴淋水量總和，且應(yīng)具有備用泵或增加1套水基滅火系統(tǒng)；備用/冗余應(yīng)足以補(bǔ)償任何單一供應(yīng)泵或替代電源的損失。針對火車艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、走管空間少等綜合情況，初步優(yōu)化采用備用泵。經(jīng)軟件計(jì)算，該泵參數(shù)為299.15 L/s(1 076.94 m3/h)×0.80 MPa(1組×100%排量)，將導(dǎo)致泵組采購成本大幅上升。經(jīng)分析，該船對外消防泵(360.0 m3/h×13.50 MPa)可達(dá)到另外一個工況(參數(shù)調(diào)整為550.0 m3/h×0.85 MPa)的要求。對外消防泵曲線[2]如圖5所示。

圖5 對外消防泵曲線

若將上述水泵由1組×100%排量拆為2組×50%排量，在修改后每臺泵的參數(shù)調(diào)整為550.0 m3/h×0.80 MPa，則與對外消防泵550.0 m3/h×0.85 MPa工況相似。經(jīng)與船級社審圖中心溝通，在滿足水幕系統(tǒng)流量和壓力情況下，可接受對外消防泵作為備用泵。因此，優(yōu)化采用2臺550.0 m3/h×0.80 MPa水泵，并采用對外消防泵作為備用泵，在滿足水幕系統(tǒng)功能的情況下節(jié)省備用泵的數(shù)量和費(fèi)用，降低單臺泵組功率，并增加泵組在不同工況條件下的啟動臺數(shù)選擇。

3 智能遙控優(yōu)化

火車艙水幕系統(tǒng)原理如圖6所示。在火車艙某區(qū)火災(zāi)探頭探測到火情并發(fā)出對應(yīng)分區(qū)報(bào)警信號或人為發(fā)現(xiàn)火情時，船員A迅速打開對應(yīng)分區(qū)閥，船員B則快速到達(dá)艏部設(shè)備間內(nèi)啟動1臺或2臺噴淋泵。噴淋泵由海底門吸水，經(jīng)分區(qū)閥將水迅速送至火情分區(qū)各噴頭處進(jìn)行噴淋滅火。船員可借助消防栓噴水滅火。在分區(qū)閥打開時，閥上限位開關(guān)信號輸送至控制箱，提醒值班船員閥門已開啟。在火情消失后，關(guān)閉對應(yīng)的分區(qū)閥，關(guān)閉噴淋泵。將管路中多余的消防海水泄掉，以免外界氣溫低導(dǎo)致管路結(jié)冰或不流動水加劇管路腐蝕的情況。依據(jù)規(guī)范MSC.1/Circ.1430要求，該系統(tǒng)設(shè)置壓縮空氣吹掃/淡水沖洗接口。

圖6 水幕系統(tǒng)原理

若需要對該系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，則可將手動分區(qū)閥優(yōu)化為遙控分區(qū)閥，并通過其開關(guān)信息聯(lián)鎖水泵啟停。在火災(zāi)報(bào)警探測到火情時，遙控打開對應(yīng)分區(qū)閥，分區(qū)閥開啟信號命令，第一臺泵組自動啟動；在噴淋總管上的壓力開關(guān)/傳感器檢測到壓力不足時，自動啟動第二臺泵組以滿足系統(tǒng)使用。

4 噴頭布置優(yōu)化

噴頭噴淋范圍越大，同一分區(qū)布置的噴頭相對越少，對應(yīng)的管路越少，現(xiàn)場施工量越少，但易導(dǎo)致泵組參數(shù)增大；反之亦然?；疖嚺摶疖嚺c結(jié)構(gòu)剖視圖如圖7所示。由于火車(含軌道)設(shè)計(jì)高度達(dá)5 171.7 mm，針對在裝卸工況等出現(xiàn)的搖擺，火車需要的凈高至少為5 223.0 mm，但艙頂下的加強(qiáng)梁高度為720.0 mm，管路等可使用的凈高最多僅為257.0 mm，因此噴淋管只能穿過結(jié)構(gòu)梁，現(xiàn)場焊接工作量大幅增加。

圖7 火車艙火車與結(jié)構(gòu)剖視圖

針對主甲板噴淋布置設(shè)計(jì)展開分析?；疖嚺擁敳靠衫玫膬舾呖臻g較小，且結(jié)構(gòu)梁橫縱向布置阻擋，噴頭實(shí)際噴淋范圍大幅減少。初選采用CJ63型噴頭(設(shè)計(jì)壓力為0.12 MPa)，總數(shù)為1 240個，按1.8 m×2.4 m布置，噴淋泵參數(shù)預(yù)估為760.0 m3/h×0.70 MPa，分區(qū)閥門公稱直徑為300 mm。初選噴淋計(jì)算[3]如表4所示。初選噴頭數(shù)量較多，增加大量的現(xiàn)場施工和材料費(fèi)用，且噴淋泵組參數(shù)的修改使對外消防泵無法兼作備用泵，需要增加1臺備用泵。

表4 初選噴淋計(jì)算

經(jīng)對同類型噴頭分析，在噴頭流體出口壓力增大時噴淋范圍可擴(kuò)大，噴頭數(shù)量相應(yīng)減少。在初步優(yōu)化后上甲板噴頭仍為140個，CJ63型(設(shè)計(jì)壓力為0.20 MPa)；主甲板噴頭由1 100個減至768個，CJ63型(設(shè)計(jì)壓力為0.30 MPa)；泵組參數(shù)為560.0 m3/h×0.9 MPa。初步優(yōu)化噴淋計(jì)算[3]如表5所示。

表5 初步優(yōu)化噴淋計(jì)算

經(jīng)多次優(yōu)化對比，最終優(yōu)化噴淋計(jì)算[3]如表6所示。上甲板分區(qū)噴頭共128個，CJ63型(設(shè)計(jì)壓力為0.20 MPa)。該型噴頭在距車廂頂705.0 mm時，噴淋覆蓋面積為4 m2，最大布置間距為2.4 m×3.2 m；在距頂甲板600.0 mm布置時，噴頭距車廂頂810.0 mm，對應(yīng)的噴淋覆蓋面積比4 m2大：實(shí)際噴頭布置仍按2.4 m×3.2 m間距，以留有一定裕量。主甲板噴頭共773個，CJ42型(設(shè)計(jì)壓力為0.30 MPa)。該型噴頭距車廂頂627.0 mm時，噴淋覆蓋面積為4 m2，最大布置間距為2.4 m×3.2 m；在距頂甲板350.0 mm布置時，噴頭距車廂頂670.0 mm，對應(yīng)的噴淋覆蓋面積比4 m2大：實(shí)際噴頭布置仍按2.4 m×3.2 m間距，以留有一定裕量。

表6 最終優(yōu)化噴淋計(jì)算

5 分區(qū)總管布置優(yōu)化

由于水幕系統(tǒng)為手動操作，因此分區(qū)閥位置選擇將影響人員可否快速到達(dá)并操作。噴淋總管布置(優(yōu)化前)如圖8所示。

圖8 噴淋總管布置(優(yōu)化前)

在初始設(shè)計(jì)時，噴淋總管和分區(qū)閥統(tǒng)一布置于主甲板下一層消防控制站內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)是船員可在消防控制站內(nèi)看到火災(zāi)報(bào)警信息并同時開啟此區(qū)閥，加快響應(yīng)速度；缺點(diǎn)是各分區(qū)閥后的分區(qū)總管集中布置、管線長，大量粗管穿過結(jié)構(gòu)骨材，使施工難度加大，且結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材和管材質(zhì)量急劇加大。優(yōu)化設(shè)計(jì)：噴淋總管由消防控制站移至主甲板左舷走廊，并延伸至機(jī)艙棚前；各分區(qū)閥布置于對應(yīng)分區(qū)左側(cè)走廊，分區(qū)總管由分區(qū)閥穿過主甲板左舷走廊內(nèi)壁至對應(yīng)分區(qū)，延伸至各噴頭。優(yōu)化設(shè)計(jì)可節(jié)省大量管材，減少結(jié)構(gòu)開孔補(bǔ)強(qiáng)數(shù)量，減少現(xiàn)場人員在火車艙內(nèi)的施工等；至于響應(yīng)速度，由于主甲板各分區(qū)閥統(tǒng)一布置于左舷走廊，較為集中，且各分區(qū)閥閥桿延伸至顯眼處并涂紅漆，因此船員可迅速發(fā)現(xiàn)并操作。

6 結(jié) 論

(1)優(yōu)化分區(qū)設(shè)計(jì)：由8區(qū)改為7區(qū)，可使距分區(qū)線最近噴頭的噴淋范圍平均覆蓋分區(qū)線。

(2)優(yōu)化泵組設(shè)計(jì)：將水泵由1組×100%排量拆為2組×50%排量，每臺噴淋泵的參數(shù)調(diào)整為550.0 m3/h×0.80 MPa，并采用對外消防泵作為備用泵，可在滿足水幕系統(tǒng)功能的情況下節(jié)省備用泵的數(shù)量和費(fèi)用，降低單臺泵組功率，增加泵組在不同工況條件下的啟動臺數(shù)選擇。

(3)優(yōu)化智能遙控：手動分區(qū)閥改為遙控分區(qū)閥，并通過遙控分區(qū)閥開關(guān)信息聯(lián)鎖噴淋泵啟停，可減少船員工作量，縮短系統(tǒng)啟動時間，提高滅火成功率。

(4)優(yōu)化噴頭布置：可減少大量現(xiàn)場施工和材料費(fèi)用，優(yōu)化泵組參數(shù)。

(5)優(yōu)化分區(qū)總管布置：可節(jié)省大量管材，減少結(jié)構(gòu)開孔補(bǔ)強(qiáng)數(shù)量，減少現(xiàn)場人員在火車艙內(nèi)的施工。