電力行業(yè)細水霧滅火系統(tǒng)設計研究

中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司 汪正明

1 緒論

1.1 研究背景

細水霧滅火系統(tǒng)在消防領域的應用始于上世紀中葉，發(fā)展于上世紀九十年代。當前細水霧滅火系統(tǒng)技術的發(fā)展日益成熟，已廣泛應用于國內外電力行業(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)電廠與變電站設計防火標準》規(guī)定，機組容量為300MW及以上的燃煤電廠的集中控制樓和網(wǎng)絡控制樓的電纜夾層、汽機房的汽輪機油箱等場所及設備應采用固定滅火系統(tǒng)，可采用細水霧滅火系統(tǒng)。有研究表明，細水霧滅火系統(tǒng)應用于大唐山東東營發(fā)電有限公司2臺百萬機組工程集控樓的消防，使該工程消防部分的建設成本得到明顯降低[1]。

地下變電站。細水霧滅火系統(tǒng)作為地下變電站內油浸變壓器、油浸電抗器及電纜夾層等區(qū)域的固定滅火設施有著較為成熟的經驗，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。隨著城市化進程的加快，為滿足新型發(fā)展要求，應全方位推動城市道路配建地下綜合管廊的建設，使其占比呈上升趨勢[2]。電纜線路敷設于廊道內，實現(xiàn)了城市地下空間的深度利用，但電纜隧道內一旦發(fā)生火災，導致電氣設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水霧布置設計的優(yōu)化，從廊道結構、火源位置、細水霧的噴頭壓力、不同壓力的滅火有效性等多種角度優(yōu)化設計[4-5]，能進一步提高電纜隧道滅火系統(tǒng)的有效性。

儲能電站。站內的主體設備是蓄電池集裝箱，集裝箱內消防滅火設施目前沒有統(tǒng)一做法，但考慮到儲能集裝箱的特殊性及重要性，目前均考慮增設固定式滅火系統(tǒng)，相關國家標準也正處于研究制定中。高壓細水霧滅火系統(tǒng)作為儲能電站內的固定式滅火系統(tǒng)也有工程應用，同時符合現(xiàn)行的行業(yè)標準《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規(guī)范》。

1.2 研究目的

由于細水霧系統(tǒng)不斷成熟，國家對電力行業(yè)消防設計合理性與功能性要求的提高，電力行業(yè)已逐漸應用細水霧滅火系統(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。本文從實際應用角度進一步優(yōu)化電力行業(yè)細水霧系統(tǒng)的設計，使其能更有效指導工程實際應用，同時能進一步提高該系統(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 細水霧滅火系統(tǒng)工作原理

細水霧滅火系統(tǒng)的滅火介質主要是水，采用霧化噴頭在壓力工作下將水流轉換成微小霧滴，充滿整個防護空間，通過冷卻、窒息等方式進行滅火。細水霧滅火系統(tǒng)由泵組、區(qū)域控制閥組、不銹鋼管道、噴頭和火災探測報警系統(tǒng)等組成。細水霧滅火系統(tǒng)根據(jù)末端細水霧噴頭工作壓力分為低壓、中壓及高壓細水霧滅火系統(tǒng)。其中高壓細水霧滅火系統(tǒng)應用較廣，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，導致著火點周圍沒有氧氣和其它可燃氣體相接近，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 細水霧滅火系統(tǒng)設計要求

2.1 設計依據(jù)

應用范圍。系統(tǒng)設計選型按《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(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、渦輪機房等選用局部應用的開式系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計持續(xù)噴霧時間：用于電纜隧道、電纜夾層等場所時不應小于0.5h；用于含可燃液體機械設備間的油浸變壓器室、柴油發(fā)電機房、潤滑油站、燃油鍋爐房等場所時不應小于20min。

系統(tǒng)的分區(qū)：全淹沒應用方式的開式系統(tǒng)的防護區(qū)個數(shù)應小于等于3個。單個防護區(qū)的容積，泵組系統(tǒng)宜小于等于3000m3。若某防護區(qū)大于單個防護區(qū)最大容積時，宜將其分為多個分區(qū)進行保護；火災危險性相同或者相近的分區(qū)，可按容積最大分區(qū)的參數(shù)來進行設計；火災危險性差異大的分區(qū)，按各自分區(qū)的參數(shù)進行設計；若設計參數(shù)與上表參數(shù)不相符合時，系統(tǒng)的設計參數(shù)需通過相關實體火災模擬試驗后進行確定。

系統(tǒng)設計工作壓力按最不利點的噴頭也能達到10MPa最低工作壓力狀態(tài)進行考慮，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為管內平均速度；λ與雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度有關。設計時系統(tǒng)補給水的水質標準不應低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》的要求。

2.2 系統(tǒng)設備選型及設計要求

根據(jù)系統(tǒng)實際運行要求，泵組在選型時應設置獨立的工作泵和備用泵。備用泵的性能應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，采用液位控制閥實現(xiàn)對水箱自動補水，以此進一步提高泵組的可自動操作性和實際有效性。

閥箱的選型應考慮防護等級、工作壓力大小、啟閉時間等。噴頭的選型應充分考慮建筑物的性質和設計合理性，噴頭的設計間距和噴頭的增設需合理且有效。同時，對于水漬和導電性敏感的電氣設備，選用噴頭霧滴直徑DV0.5應小于65um、DV0.99應小于100um，利用其具有氣體窒息作用的特性。

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

3 應用實例

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

3.1 系統(tǒng)設計概述

本工程在站內新建一套高壓細水霧滅火系統(tǒng)，高壓細水霧泵組設置在站內專用消防設備用房內。高壓細水霧滅火系統(tǒng)保護對象為-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用方式的開式系統(tǒng)，電纜夾層采用全淹沒應用方式的開式系統(tǒng)。主變壓器的設計強度按不小于1.2L/min·m2設計，電纜夾層的設計強度按不小于1.0L/min·m2設計。

表2 防護區(qū)具體保護方式及設計參數(shù)

3.2 系統(tǒng)組成

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

3.3 高壓細水霧系統(tǒng)設計

3.3.1 主要設計參數(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)組件應具有耐腐蝕性能；高壓細水霧泵組設安全閥，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，進入正常工作的運行方式。本工程采用常規(guī)手動巡檢；主、備用泵應具有自動切換功能，并應能手動操作停泵。主、備用泵的自動切換時間不應大于30s；過濾器材質為不銹鋼，其網(wǎng)孔孔徑不應大于噴頭最小噴孔孔徑的80%。

3.3.2 主要設備選型

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應小于65um、Dv0.99應小于100um。

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

由于九柱塞泵具備穩(wěn)定性和可靠性高的特點，本工程選用九柱塞泵。設兩套高壓細水霧泵組，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，電力行業(yè)對消防要求越來越高，有關細水霧滅火系統(tǒng)設計的不斷優(yōu)化，今后在電力行業(yè)的發(fā)展中細水霧滅火系統(tǒng)將得到更多的應用。