基于NFPA標(biāo)準(zhǔn)的水泥廠電力室IG 541消防設(shè)計(jì)探討

宣軼群，呂祥瑞，張平

基于NFPA標(biāo)準(zhǔn)的水泥廠電力室IG 541消防設(shè)計(jì)探討

宣軼群，呂祥瑞，張平

國(guó)外水泥廠電力室消防設(shè)計(jì)要求較高，通常采用自動(dòng)氣體滅火系統(tǒng)且符合NPFA標(biāo)準(zhǔn)。本文在論述IG541氣體組成、滅火原理以及IG541滅火系統(tǒng)組成和流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外某水泥工廠電力室的IG541滅火系統(tǒng)的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，著重探討了基于NFPA 2001-2012 Standard on Clean Agent Fire Extinguishing Systems標(biāo)準(zhǔn)下（以下簡(jiǎn)稱NFPA2001）的IG541氣體滅火系統(tǒng)在水泥工廠電力室消防中的應(yīng)用。

NFPA；IG541；水泥行業(yè)；電力室；自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　引言

隨著國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)日趨飽和，該行業(yè)的從業(yè)者越來(lái)越多地走向國(guó)際市場(chǎng)。中國(guó)水泥行業(yè)工程公司要在國(guó)際市場(chǎng)樹(shù)立自己的品牌和聲譽(yù)，就必須學(xué)習(xí)和掌握國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地應(yīng)用于國(guó)外水泥項(xiàng)目的投標(biāo)、合同談判與執(zhí)行。國(guó)外市場(chǎng)業(yè)主雇傭的咨詢公司對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行審查，其中消防部分的設(shè)計(jì)一般明確要求符合美國(guó)防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（NFPA）的條款［1］。NFPA是美國(guó)防火協(xié)會(huì)（National Fire Protection Association）的英文簡(jiǎn)稱，該協(xié)會(huì)是一個(gè)國(guó)際性的技術(shù)與教育組織，不僅擁有眾多美國(guó)國(guó)內(nèi)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)等組織的集體會(huì)員，而且還有八十多個(gè)其他國(guó)家的會(huì)員［1］，在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可。

國(guó)外水泥廠業(yè)主對(duì)電力室消防十分重視，通常要求采用IG541滅火系統(tǒng)并符合NFPA 2001標(biāo)準(zhǔn)，因此本文著重探討NFPA 2001在水泥廠電力室IG541消防設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

2　原理

表1　IG541滅火系統(tǒng)組成

2.1IG541滅火劑的組成、滅火機(jī)理、特點(diǎn)及適用條件

IG541是由三種氣體組成的混合物，其主要成分為52%氮?dú)猓∟2）、40%氬氣（Ar）和8%二氧化碳（CO2），密度接近于空氣［2］。

IG541滅火機(jī)理為物理滅火方式（冷卻滅火、窒熄滅火）。該藥劑釋放后將保護(hù)空間的CO2濃度提高至2%～4%，同時(shí)保護(hù)空間的氧氣濃度由21%稀釋到12.5%（當(dāng)氧氣濃度降到15%以下時(shí)大多數(shù)普通可燃物即停止燃燒），從而使火被撲滅［2，3］。

IG541特點(diǎn)及適用條件［3，4，5，6］：

（1）IG541是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的混合氣體，使用過(guò)程不破壞大氣臭氧層，對(duì)環(huán)境無(wú)任何不利影響；

（2）潔凈滅火，滅火后不留痕跡；

（3）適用于有人滯留的場(chǎng)所，釋放過(guò)程中能見(jiàn)度不會(huì)降低，因此容易找到逃生路徑；

（4）能夠持久保持滅火所需的濃度；

（5）不含水性物質(zhì)，不導(dǎo)電，不會(huì)破壞電器設(shè)備、磁帶、資料等；

（6）IG541適用范圍廣，可用于A、B、C類及電氣火災(zāi)，且滅火效果較好。

圖1　IG541系統(tǒng)滅火流程圖

表2　IG541滅火劑的設(shè)計(jì)濃度和最低滅火濃度*

2.2IG541滅火系統(tǒng)的組成及滅火流程圖

IG541滅火系統(tǒng)可分成兩部分，即藥劑儲(chǔ)存和噴放設(shè)備、報(bào)警和控制設(shè)備［7］，兩部分的具體組成見(jiàn)表1。

一般的IG541氣體滅火系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需要選擇采用表1中的部分或全部基本設(shè)備［3］。將表1中設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的IG541滅火系統(tǒng)，其滅火流程見(jiàn)圖1［7，8］。

3　NFPA標(biāo)準(zhǔn)IG541系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

3.1NFPA標(biāo)準(zhǔn)IG541系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）火災(zāi)和系統(tǒng)分類［9］

NFPA2001將火災(zāi)分為三類：A類（固體火災(zāi)）、B類（液體和氣體火災(zāi)）、C類及電氣火災(zāi)。NFPA2001又將IG541分為全淹沒(méi)系統(tǒng)和局部系統(tǒng)，由于水泥廠電力室多以全淹沒(méi)系統(tǒng)為主，故本文將著重探討NFPA2001標(biāo)準(zhǔn)IG541的全淹沒(méi)系統(tǒng)。

（2）設(shè)計(jì)濃度［9］

IG541滅火劑的用量，主要由火災(zāi)性質(zhì)決定，各類火災(zāi)的最低滅火濃度和設(shè)計(jì)滅火濃度見(jiàn)表2。

表2中A類設(shè)計(jì)值已包含安全系數(shù)1.2，B類設(shè)計(jì)值已包含安全系數(shù)1.3。C類火災(zāi)的最低設(shè)計(jì)濃度應(yīng)為A類最低滅火濃度乘以安全系數(shù)1.35。當(dāng)含通電危害超過(guò)480V，在放電期間和放電后仍帶電的空間，其最小設(shè)計(jì)濃度應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，必要時(shí)還應(yīng)有危害分析。

（3）設(shè)計(jì)噴放時(shí)間

噴放時(shí)間應(yīng)定義為，基于20%滅火安全系數(shù)，20℃時(shí)從噴頭噴放95%滅火劑質(zhì)量，達(dá)到最低設(shè)計(jì)濃度所需時(shí)間。

IG541氣體滅火劑，達(dá)到最低滅火設(shè)計(jì)濃度95%所需的噴放時(shí)間，對(duì)B類燃料火災(zāi)≯60s，對(duì)A類表面火災(zāi)或C類火災(zāi)≯120s。

3.2主要計(jì)算過(guò)程

（1）滅火劑需求量的計(jì)算［9］

式中：

X——在標(biāo)準(zhǔn)條件（1.013×105Pa，溫度20°C）下，單位體積防護(hù)區(qū)的惰性氣體體積

C——惰性氣體設(shè)計(jì)濃度（體積分?jǐn)?shù)）

t——防護(hù)區(qū)內(nèi)預(yù)期最低溫度，°C

NFPA對(duì)IG541的滅火劑用量計(jì)算時(shí)，需要考慮許多客觀因素的影響，現(xiàn)主要考慮管網(wǎng)三通和當(dāng)?shù)睾０胃叨鹊挠绊懀琁G541滅火劑用量的計(jì)算調(diào)整如下：

三通調(diào)整量計(jì)算公式：

海拔調(diào)整量計(jì)算公式：

式中：

X——同式（1）

V——防護(hù)區(qū)體積，m3

QDFT——三通調(diào)整后的IG541滅火劑用量

QPCF——海拔高度調(diào)整后的IG541滅火劑用量

DFT——三通調(diào)整系數(shù)（見(jiàn)表3）

PCF——海拔高度修正系數(shù)（見(jiàn)表4）

（2）管網(wǎng)沿程損失計(jì)算

IG541氣體釋放屬于可壓縮流體的氣液兩相流，NFPA2001中規(guī)定的管網(wǎng)阻力損失計(jì)算只有HFLOW和Hesson公式被認(rèn)可，實(shí)際計(jì)算中常采用Hesson公式，如下所示：

最后推算得出：

式中：

ρ——?dú)怏w密度

α——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)

λ——沿程阻力系數(shù)

dl——長(zhǎng)度函數(shù)的微分

dp——壓力函數(shù)的微分

dv——速度函數(shù)的微分

Y——壓力系數(shù)

Z——密度系數(shù)

L——管道計(jì)算長(zhǎng)度

表3　管道三通設(shè)計(jì)系數(shù)

表4　海拔修正系數(shù)

（3）泄壓口面積計(jì)算

由于潔凈氣體IG541滅火劑的儲(chǔ)存壓力較高，釋放過(guò)程中會(huì)對(duì)防護(hù)區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定沖擊，故在封閉嚴(yán)密的獨(dú)立防護(hù)區(qū)需設(shè)置泄壓口，泄壓口應(yīng)位于防護(hù)區(qū)凈高的2/3以上，具體計(jì)算公式如下：

式中：

AX——泄壓口面積，m2

Qavg——IG541在防護(hù)區(qū)平均噴放速率，m3/s

Pmax——在該防護(hù)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓的允許壓

力，Pa

4　計(jì)算示例

4.1滅火劑用量計(jì)算

以印度尼西亞某水泥廠電力室為例，該電力室僅存在一個(gè)防火區(qū)域，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高（單位，m），9.85× 6.9×6，其中高度1m以下為電纜夾層，高度1m以上為低壓配電室，其凈空高度為5m。項(xiàng)目所在地屬于熱帶氣候，最低氣溫約為15℃。

（1）最小設(shè)計(jì)滅火劑用量

電力室為C類火災(zāi)。設(shè)計(jì)滅火濃度取38.5，防護(hù)區(qū)域體積為：407.79m3。

（2）三通調(diào)整滅火劑用量

設(shè)計(jì)系數(shù)三通數(shù)量為2個(gè)，由表3可得：DFT=0

（3）海拔高度調(diào)整滅火劑用量

4.2管網(wǎng)計(jì)算

根據(jù)NFPA-2001的IG541噴頭布局要求，結(jié)合本電力室高度1m以下為電纜夾層，高度1m以上低壓配電室的凈空高度為5m，故噴頭以高度1m為界分成兩層布置，平面布置如圖2、3所示。

IG541系統(tǒng)滅火劑的釋放屬于可壓縮流體的氣液兩相流［7，8，9］，NFPA規(guī)定管網(wǎng)計(jì)算要與設(shè)備選型配套，且業(yè)主要求消防設(shè)備必須通過(guò)保險(xiǎn)公式的認(rèn)證。故此次設(shè)計(jì)與國(guó)外經(jīng)保險(xiǎn)公司認(rèn)證的某著名消防設(shè)備廠商合作，采用其設(shè)備和相關(guān)配套計(jì)算軟件，經(jīng)計(jì)算得到該電力室的IG541氣體滅火系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)（見(jiàn)表5）。

根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，繪制成該電力室滅火系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。

表5　低壓電力室的IG541氣體滅火系統(tǒng)設(shè)備表

圖2　電纜夾層IG541噴頭平面布局圖

圖4　IG541滅火系統(tǒng)管徑尺寸圖

5　結(jié)語(yǔ)

NFPA標(biāo)準(zhǔn)下的IG541氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，筆者在認(rèn)真研讀NFPA2001及相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，雖然能夠完成IG541滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本需要，但是由于NFPA2001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定IG541設(shè)計(jì)和計(jì)算必須與相應(yīng)廠家的實(shí)際設(shè)備相結(jié)合，具體的各設(shè)備公司的計(jì)算參數(shù)和計(jì)算公式也略有不同，加之國(guó)外消防設(shè)備公司的設(shè)計(jì)軟件涉及有關(guān)保密資料，因此未能提供詳盡計(jì)算過(guò)程。基于NFPA規(guī)范的IG541設(shè)計(jì)仍需深入探究，以便更好地為中國(guó)水泥行業(yè)走向國(guó)際舞臺(tái)服務(wù)。

圖3　低壓配電室IG541噴頭平面布局圖

［1］唐偉，鄒義.淺談國(guó)外水泥廠水消防設(shè)計(jì)美國(guó)防火標(biāo)準(zhǔn)（NFPA）的運(yùn)用［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2011，（3）：22-24.

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Discussion on IG541 Fire Protection Design of Cement Plant Power Room Based on NFPA Standard

TQ172.8

A

1001-6171（2016）03-0065-04

通訊地址：天津水泥工業(yè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2015-09-27；編輯：呂光