NFPA12標(biāo)準(zhǔn)下水電站發(fā)電機(jī)CO2滅火管路設(shè)計(jì)探討

王 偉，曹 靜

(1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，四川成都 610016;2.中水顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

中國(guó)水電建設(shè)和設(shè)計(jì)公司進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)，比如，使用語(yǔ)言不一致，在交流方面與在中國(guó)執(zhí)行合同過(guò)程中顯然不一樣;中國(guó)設(shè)計(jì)單位和建設(shè)單位要在國(guó)際上逐漸樹(shù)立自己的品牌，贏得國(guó)際社會(huì)認(rèn)可;投標(biāo)與合同執(zhí)行過(guò)程中采用新的設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，要重新了解、學(xué)習(xí)、掌握國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的不同，以便在投標(biāo)、合同談判以及執(zhí)行過(guò)程中游刃有余。發(fā)電機(jī)滅火標(biāo)準(zhǔn)就是其中的一項(xiàng)。與中國(guó)采用水噴霧滅火不同，國(guó)外一般執(zhí)行NFPA12標(biāo)準(zhǔn)，采用發(fā)電機(jī)CO2滅火。

1 水電站發(fā)電機(jī)水噴霧滅火與CO2滅火比較

中國(guó)水電站發(fā)電機(jī)滅火設(shè)計(jì)中采用水噴霧滅火，但國(guó)外水電站尤其是美國(guó)、歐洲電站或者在歷史上被歐洲殖民過(guò)的國(guó)家中一般采用發(fā)電機(jī)CO2滅火。國(guó)外電站一般采用無(wú)人值班的方式，當(dāng)發(fā)電機(jī)失火，CO2滅火系統(tǒng)可自動(dòng)將火災(zāi)撲滅。中國(guó)水電站雖然按照“無(wú)人值班”設(shè)計(jì)，但實(shí)際上一般采用少人值班，達(dá)不到“無(wú)人值班”，所以，發(fā)電機(jī)使用CO2滅火對(duì)電站運(yùn)行人員有一定的危險(xiǎn)性。表1列舉水電站發(fā)電機(jī)水噴霧滅火與CO2滅火的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 水電站發(fā)電機(jī)水噴霧滅火與CO2滅火的優(yōu)缺點(diǎn)

2 發(fā)電機(jī)CO2滅火管路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

首先，發(fā)電機(jī)CO2滅火使用標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)業(yè)主要求，NFPA12或國(guó)標(biāo)GB 50193，標(biāo)準(zhǔn)不同決定了CO2使用量不同。其次，發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)組成要根據(jù)業(yè)主要求，比如全廠設(shè)置發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)數(shù)量，以及主噴放滅火濃度、主噴放時(shí)間、延時(shí)噴放滅火濃度、維持濃度時(shí)間。再次，業(yè)主對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)作以及停止的要求。如，感溫探頭探測(cè)溫度達(dá)到80℃，并有感煙探頭警報(bào)，CO2滅火系統(tǒng)收到報(bào)警后動(dòng)作。在機(jī)組檢修時(shí)，系統(tǒng)可探測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)坑進(jìn)人門(mén)是否打開(kāi)，如果打開(kāi)，即使有火災(zāi)報(bào)警，發(fā)電機(jī)滅火系統(tǒng)也不動(dòng)作，保證電站工作人員的人身安全。最后，過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)。一般認(rèn)為機(jī)坑是一個(gè)密閉系統(tǒng)。CO2氣體進(jìn)入機(jī)坑內(nèi)滅火后，抽離裝置未開(kāi)啟前的基坑壓強(qiáng)雖然不足以將風(fēng)罩混凝土破壞，但是出于保護(hù)發(fā)電機(jī)附屬設(shè)備以及基坑蓋板不變形，要設(shè)立過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)。

2.2 實(shí)例計(jì)算

以非洲某項(xiàng)目水電站發(fā)電機(jī)CO2滅火管路設(shè)計(jì)為例。該項(xiàng)目共10臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量187 MW，機(jī)坑內(nèi)凈空間按照機(jī)坑體積減去定、轉(zhuǎn)子體積(定、轉(zhuǎn)子重量除以銅的密度)來(lái)估算，經(jīng)計(jì)算機(jī)坑內(nèi)凈空間約683.42 m3。主合同要求全廠發(fā)電機(jī)共設(shè)置兩套CO2滅火系統(tǒng)，即每5臺(tái)發(fā)電機(jī)共用一套CO2滅火系統(tǒng)。滅火系統(tǒng)分為主噴放和延時(shí)噴放兩階段。主噴放階段CO2濃度達(dá)到40%，并在60 s內(nèi)噴放完畢。1 min時(shí)啟動(dòng)延時(shí)滅火設(shè)備，應(yīng)在20 min內(nèi)保持CO2密度25%。CO2使用70 L、42 kg(每個(gè)鋼瓶的重量定義為m)容量鋼瓶?jī)?chǔ)存，鋼瓶?jī)?chǔ)存間平均溫度約為20℃，此時(shí)鋼瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)為15 MPa。僅考慮一臺(tái)發(fā)電機(jī)失火情況。

1)主噴放階段CO2鋼瓶數(shù)量

根據(jù)NFPA12中表5.3.3(b)條規(guī)定，在34%的條件下，127.36～1 415 m3空間容積范圍內(nèi)，選 1.3 m3/kg，得出需要 CO2滅火劑重量為 683.42/1.3=525.7 kg。

根據(jù)NFPA12第5.3.4條規(guī)定，超過(guò)34%的設(shè)計(jì)濃度對(duì)象，按圖5.3.4增加用量，按主合同要求，初始濃度40%，查表得系數(shù)1.204，則初始設(shè)計(jì)用量為

M1=525.7 ×1.204=632.95 kg

N1=M1/m=632.95/42=15.07 瓶

取16瓶。

式中，M1為套發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)主噴放階段所需CO2質(zhì)量;N1為套發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)主噴放階段所需CO2鋼瓶數(shù)量。

2)延時(shí)噴放階段CO2鋼瓶數(shù)量

根據(jù)NFPA12中表 A5.5.3(b)條規(guī)定，查表插值得延時(shí)系統(tǒng)滅火噴射應(yīng)維持25%濃度20 min的CO2最低估算量為 M2=620.5 kg。

N2=M2/m=620.5/42=14.77 瓶

取15瓶。

式中，M2為一套發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)延時(shí)放階段所需CO2質(zhì)量;N2為一套發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)延時(shí)放階段所需CO2鋼瓶數(shù)量。

3)過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)計(jì)算

使用公式:理想狀態(tài)氣體公式——P1×V1/T1=P2×V2/T2

分壓定律——在一密閉容器內(nèi)裝有混合氣體，容器內(nèi)的總壓強(qiáng)P等于所有氣體的壓強(qiáng)和。

從啟動(dòng)CO2滅火系統(tǒng)后，可以分為兩個(gè)階段，第一階段是CO2從主噴放鋼瓶及延時(shí)噴放鋼瓶中釋放至機(jī)坑內(nèi)(初始是氣液兩相，隨時(shí)間和溫度的變化，最終變成氣態(tài))，并且CO2溫度由20℃上升至80℃(根據(jù)設(shè)定的火災(zāi)報(bào)警溫度)。第二階段是機(jī)坑內(nèi)空氣及CO2(考慮此時(shí)全部變成氣態(tài))混合后壓強(qiáng)增加。暫時(shí)不考慮CO2由氣液兩相轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程中吸熱，機(jī)坑內(nèi)溫度下降。

第一階段:鋼瓶?jī)?nèi)CO2的壓強(qiáng)為P1=15 MPa，主噴放與延時(shí)噴放鋼瓶?jī)?nèi)CO2的體積為V1=31×70/1 000=2.170 m3，鋼瓶間溫度為 T1=20+273=293 K;P2為機(jī)坑內(nèi)CO2氣體的壓強(qiáng)，機(jī)坑內(nèi)體積為V2=683.42 m3，發(fā)生火災(zāi)后機(jī)坑內(nèi)的溫度為T(mén)2=80+273=353 K。

P2=P1×V1×T2/T1/V2=15×2.17×353/293/683.42=0.057 4 MPa

第二階段:常壓空氣由20℃變?yōu)?0℃時(shí)，壓強(qiáng)變化不大，與上面計(jì)算類(lèi)似，總壓強(qiáng)由分壓定律得P=0.122+0.057 4=0.179 4 MPa。

由于未考慮CO2由氣液兩相轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程中吸熱，機(jī)坑內(nèi)溫度下降。機(jī)坑內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)應(yīng)該小于0.179 4 MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓力，但是根據(jù)NFPA 5.6.2計(jì)算泄壓孔的面積，配置泄壓孔。泄壓孔需由管路連接至室外。

式中，Q為CO2噴放速率，kg/min，因延時(shí)噴放在主噴放1 min后才開(kāi)始，所以，CO2噴放速率取兩次噴放的較大值，取42×16=672 kg/min;P為建筑物可承受壓強(qiáng)，kPa，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)基坑可承受壓力較大，取值為4.8 KPa;X為泄壓孔面積，mm2。

X=239 ×672/4.80.5=73 307.19 mm2

4)主噴放管路以及延時(shí)噴放管路管徑選擇

式中，D為管路直徑，mm;Q為平均主管管路中的流量，kg/min;T為噴放時(shí)間，1 min。

由上式，可計(jì)算出主噴放管路與延時(shí)噴放管路主管管徑均可選用DN50。

5)管路材質(zhì)及壁厚選擇

管路材質(zhì)一般根據(jù)主、合同要求。合同沒(méi)有要求的，可以使用不銹鋼管、焊接鋼管，若使用焊接鋼管要內(nèi)外鍍鋅，個(gè)別項(xiàng)目業(yè)主要求不能內(nèi)鍍鋅，但可以涂防銹油漆，根據(jù)合同要求執(zhí)行。管路安裝完畢后需要進(jìn)行打壓試驗(yàn)，一般鋼管均可承受，若合同已經(jīng)規(guī)定的管路腐蝕厚度，應(yīng)根據(jù)管路壁厚計(jì)算公式計(jì)算，然后選擇鋼管厚度。公式如下。

式中，S為管路壁厚，mm;P為管路設(shè)計(jì)壓力，MPa;d為管路公稱直徑，mm;σ為設(shè)計(jì)工作溫度下材料許用應(yīng)力，MPa;c為腐蝕厚度，mm;:▽S為制造偏差，取15%管路壁厚，mm。

6)滅火后氣體抽離系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)滅火后，需要從發(fā)電機(jī)機(jī)坑內(nèi)將CO2抽離，并且排出室外。

3 結(jié)語(yǔ)

從水電站設(shè)立值班人員數(shù)量看，中國(guó)值班人員較多，國(guó)外水電站多按照無(wú)人值班設(shè)計(jì)，尤其是歐洲電站。在中國(guó)水電站，發(fā)電機(jī)水噴霧滅火發(fā)生誤報(bào)警誤動(dòng)作時(shí)，若滅火采用自動(dòng)方式，則水噴霧會(huì)使線圈損壞，導(dǎo)致水電站損失較大，所以中國(guó)發(fā)電機(jī)水噴霧滅火一般采用手動(dòng)方式。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生后，值班人員去現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，確認(rèn)發(fā)生火災(zāi)后，手動(dòng)啟動(dòng)滅火裝置，給發(fā)電機(jī)滅火。這時(shí)，發(fā)電機(jī)滅火快慢取決于值班人員的動(dòng)作快慢。無(wú)人值班水電站一般采用發(fā)電機(jī)CO2滅火，發(fā)生火災(zāi)后滅火系統(tǒng)動(dòng)作迅速，即使誤動(dòng)作，抽離CO2后，不影響機(jī)組繼續(xù)使用。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，中國(guó)水電站會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，發(fā)電機(jī)滅火也會(huì)由水噴霧滅火為主，逐步改變?yōu)镃O2滅火。

［1]NFPA 12 －28，Standard on Carbon Dioxide Extinguishing System［S］.