船用高低壓二氧化碳滅火系統應用比較

段玉龍 任飛華

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船用高低壓二氧化碳滅火系統應用比較

段玉龍 任飛華

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

從系統組成、系統設計要點等方面對船用高低壓二氧化碳滅火系統進行簡要介紹及比較，并以18 000標準箱集裝箱船為例，對船用高低壓二氧化碳滅火系統的應用進行定量分析。結果表明：低壓二氧化碳滅火系統具有占地面積小、安全性能好、控制靈活和再充裝時間短等優勢，可在一定程度上減少人工成本并增大載貨量，因而在大型集裝箱船上具有較廣闊的市場前景。

船用；二氧化碳；滅火系統；系統組成；系統設計要點

引 言

隨著船舶運輸隊伍的不斷壯大，船舶市場競爭日趨激烈，為獲取較大的市場份額，降低運輸成本，大型集裝箱船不斷涌現。按照規范要求需保護艙室的容積越大所需配備的二氧化碳滅火劑量也越大。低壓二氧化碳滅火系統因較輕、占地面積較小和再充裝時間較少等優勢，在大型集裝箱船舶上得以應用。本文主要對船用高低壓二氧化碳系統的組成及設計要點進行相關介紹，并以18 000標準箱集裝箱船為母型船，就高低壓二氧化碳滅火系統在大型集裝箱船上的應用進行比較。

1 系統簡介

二氧化碳滅火系統按照儲存方式可分為低壓二氧化碳滅火系統（以下簡稱為“低壓系統”）和高壓二氧化碳滅火系統（以下簡稱為“高壓系統”），高壓系統是指二氧化碳在常溫下儲存的系統，低壓系統是指二氧化碳在-20℃～ -18℃溫度下儲存的系統［1］。當發生火災時，高低壓系統均是通過降低防火區域內氧氣含量以窒息作用來實施滅火。

2 系統組成

二氧化碳滅火系統主要由儲存裝置、分配系統、釋放系統和火災探測報警系統等組成［2］。

2.1 儲存裝置

低壓系統與高壓系統最大的不同就在于儲存裝置。高壓系統的儲存裝置主要由儲存鋼瓶、安全閥、容器閥、手氣啟動器等組成［3］；而低壓系統的儲存裝置主要由儲罐、氮氣穩壓單元、制冷機組、安全閥、液位及壓力傳感器、充裝口等組成［4］。

高壓系統的儲存裝置采用的是鋼瓶，鋼瓶規格一般為40 L、68 L、80 L等幾種，充裝密度為0.67 kg/L，充裝量分別為26.5 kg、45 kg、53.5 kg，設計工作壓力應不小于15 MPa。當系統所需二氧化碳量較大時，由于每個鋼瓶內二氧化碳充裝量有限，所需鋼瓶數量較多，設備間占地面積較大。

低壓系統的儲存裝置采用的是儲罐，儲量相對較大，可充分利用高度空間，有效減少占地面積，儲罐設計壓力應不小于2.5 MPa。由于二氧化碳是以-20℃～ -18℃低溫液態形式儲存在儲罐中，為防止罐內壓力隨溫度的升高而氣化，導致罐內壓力升高、安全閥起跳、損失二氧化碳儲量，因此儲罐除具有保溫作用外，還需配備兩套制冷機組（一用一備）。當罐內壓力超過設定值時，制冷機組將自動投入運行，通過降低罐內溫度,使罐內氣態二氧化碳濃度及壓力降低。儲罐一般由內膽、絕熱層及外保護層構成，內膽采用耐低溫材料制成，絕熱層主要采用聚氨酯發泡制成，為防止水蒸氣侵入，破壞保溫效果，絕熱材料外還需包覆一層保護層，一般采用不銹鋼板或熱鍍鋅鋼板制成。其中絕熱層的保溫效果應能保證當罐內壓力等于制冷壓縮機組切入壓力，環境溫度為45℃時，在制冷壓縮機組停機后24小時內，儲罐內壓力不超過安全閥起跳壓力。

2.2 分配系統

分配系統主要由先導控制器、主閥、分配閥、管道、安全閥及噴頭組成。高低壓系統的二氧化碳分配系統相似，主要區別在于低壓系統的主閥及分配閥是由儲罐內二氧化碳氣體驅動，而高壓系統的主閥及分配閥是由釋放控制箱內氮氣瓶驅動。

2.3 釋放系統

船用二氧化碳滅火系統釋放方式與陸用不同，僅分為手動釋放及應急釋放兩種，絕不可設有自動釋放方式。船用二氧化碳滅火系統釋放控制主要分為兩個步驟，首先打開需釋放二氧化碳處所的分配閥，然后打開主閥（低壓系統）或容器閥（高壓系統）。開啟順序不可顛倒，且須設置機械或電子連鎖。高低壓系統的釋放方式相似，主要不同在于二氧化碳釋放時，高壓系統必須一次性將被保護區域所需二氧化碳釋放完畢；而低壓系統通過滅火控制器來控制被保護區域所需二氧化碳釋放量，且可對同一區域實施多次噴放，其主要控制方式有時間控制、液位控制以及流量控制等。

2.4 火災探測報警系統

船用高低壓系統的火災探測報警系統相同，貨艙主要采用抽煙式火災探測系統，抽風機將各被保護處所內空氣經過各自獨立的管路抽送至火災探測器內，來分析判斷是否發生火災。當火災探測系統借用二氧化碳釋放管路作為抽煙管時，則二氧化碳噴頭應布置在距被保護處所頂部水平高度12 m范圍內。

3 系統設計要點

3.1 儲存間設計要點

高低壓系統對于儲存間的設計要求是相似的，具體如下：

（1）因二氧化碳壓力隨溫度變化比較劇烈（見圖1），為防止熱傳導或熱輻射導致儲存間內溫度高于45℃，需對其作絕熱保護，且應安裝溫度計，以便檢查內部溫度。對于高壓系統，當船舶航行過程中，若無法保證二氧化碳間內溫度高于規范要求溫度（如GL規范要求20℃），則需對二氧化碳間采取適當的保溫措施。

（2）二氧化碳間絕不能布置在防撞艙壁之前，應盡可能布置在開敞甲板上；若需布置在開敞甲板以下，則不可超過一層甲板高度，且必須設置專門的直通開敞甲板的樓梯。另外，二氧化碳間不可與機艙及生活艙室直接連通，其房門應帶鎖且為向外開啟型。

（3）二氧化碳間應具有充足的通風。若布置在開敞甲板下，則應裝有機械通風設備并保證每小時通風量不小于其體積的6倍。其排氣管應伸直至房間底部。其他處所不可與二氧化碳間通風系統相連通。

3.2 管系設計要點

高低壓系統管系設計要求的相同點是：

（1）二氧化碳管路需作防腐蝕處理，一般采用鍍鋅無縫鋼管，尺寸及壁厚應符合相關規范要求。

（2）二氧化碳管路中需設置適當的彎頭或補償器以防止熱膨脹導致管路變形。管路連接主要采用焊接或套筒連接等方式，螺紋連接僅可用在被保護處所內，而穿過生活處所及壓載水艙的管路僅可采用焊接方式，管路不可穿過冷藏間。

（3）二氧化碳釋放管路上應設有帶止回閥及截止閥的壓縮空氣接頭，以檢驗管路流通性及吹除管內雜質。

（4）系統封閉管路上（如主閥與分配閥之間）需設置安全閥，并通至開敞甲板上。

（5）管系設計應能保證被保護處所對二氧化碳釋放時間的相關要求，如在機艙內，系統應能在2 min內，至少將85%所需二氧化碳量釋放完畢，在集裝箱貨艙內，系統應能在10 min內，至少將2/3所需二氧化碳量釋放完畢。

高低壓系統管系設計要求的不同點是：

（1）高壓系統的氣瓶與分配閥之間的管路試驗壓力至少為15 MPa［5］，而低壓系統的儲罐與分配閥之間的管路試驗壓力至少為1.5倍的安全閥起跳壓力。通過生活處所的高低壓系統二氧化碳管路試驗壓力至少為5 MPa，其他管路為1 MPa。在管路壓力試驗時，水不可用作壓力試驗媒介。

（2）對于低壓系統，儲罐需設置二氧化碳充注管及壓力平衡管，并通至船舶左右舷甲板上。另外，每個儲罐上均需設置帶有截止閥的兩個獨立安全閥（一用一備），截止閥需連鎖。安全閥的設定壓力應至少高于制冷機組切入壓力的10%，其截面積應能將火災導致儲罐內所產生的過量氣體，通過透氣管排至大氣中，并保證罐內壓力不超過安全閥設定壓力的20%。

（3）低壓系統制冷機組需配備兩臺循環冷卻水泵（一用一備），其中一臺可由用作其他目的的泵作為備用泵，當其投入使用時，不會影響其他重要系統。因制冷機組布置位置相對較高，需對管路壓力損失進行計算，以保證冷卻水供水壓力要求。另外，制冷機組應由主配電板獨立供電。

3.3 監控報警系統設計要點

高低壓系統監控報警系統設計要求的相同點：

（1）機艙、貨艙等人員出入場所應提供聲光報警，且需保證被保護處所內所有機械設備運行時，仍可清晰辨別二氧化碳釋放報警信號。

（2）為保證人員安全，在釋放二氧化碳前需進行預報警，且預報警時間不得小于20 s，只要二氧化碳釋放閥處于開啟狀態，則釋放報警需持續報警。

（3）當主電源失效時，應能保證電力報警系統的電力供應正常，若報警為氣動，則需保證在任何情況下供氣正常。

高低壓系統監控報警系統設計要求的不同點：

（1）高壓系統中的氣瓶安全閥因故爆破時，電控箱需發出泄露報警，泄放管路末端的泄露氣笛也將發出聲響報警；而低壓系統需設置壓力傳感器對儲罐內壓力進行實時監測，并帶有獨立的聲光報警；在壓力達到安全閥起跳壓力前進行高壓報警，在低至1.8 MPa前進行低壓報警。

（2）對于高壓系統，二氧化碳儲量主要通過稱重裝置或超聲波裝置對氣瓶逐個進行檢測；而低壓系統需設置液位計或液位傳感器對儲罐內二氧化碳量進行持續檢測，當液位也低于設定為10%及以上時，將觸發聲光報警。

（3）對于低壓系統，為保證二氧化碳儲罐內壓力在1.8～2.2 MPa之間，需配有兩套制冷機組（一用一備），制冷機組應由壓力開關自動控制，可自動切換，并帶有故障報警功能。

4 高低系統實例比較

18 000標準箱集裝箱船總長399.2 m、型寬30.2 m、設計吃水14.5 m、服務航速22.2 kn，該船機艙（包括機艙棚）體積為37 476 m3，機艙（不包括機艙棚）體積為32 616 m3，共12個貨艙，其中最大一個貨艙（NO.6）體積為40 795 m3。

4.1 所需二氧化碳量

根據SOLAS要求，被保護處所二氧化碳混合比例應滿足如下要求：

（1）機艙（包括機艙棚）體積—— 35%；

（2）機艙（不包括機艙棚）體積—— 40%；

（3）貨艙體積（最大）—— 30%；

式中：Q為所需二氧化碳量，kg；V為二氧化碳保護處所體積，m3；K為二氧化碳混合比例；C為常溫常壓下每千克二氧化碳對應體積，0.56 m3/kg。

表1為18 000標準箱集裝箱船所需二氧化碳計算表。

表1 18 000標準箱集裝箱船所需二氧化碳計算

根據表1可知，該船至少需配備二氧化碳23 422.5 kg，而根據該船實際配備二氧化碳總量27 900 kg以及廠家提供數據，可推導出高低壓系統在18 000標準箱集裝箱船上的應用差異見表2。

表2 18 000標準箱裝箱船高低壓系統應用差異

4.2 低壓系統的優點

廚房電器2018年首次出現負增長，整體銷售略顯疲態。健康家電增長迅猛，隨著人們對健康意識的重視，像吸塵器、掃地機器人、除螨儀等產品銷售額增長迅猛，均保持40-50%的增長率。空凈行業相比往年呈一蹶不振之勢，在市場行情慘淡的情況下，很多大品牌開始收縮空凈業務。在大家電市場接近飽和的狀態下，具有多樣功能的小家電逐漸受到消費者的熱捧。個人護理消費群體年輕化，銷售火爆。高端市場將成為中國家電企業下一階段角逐的重要戰場。

根據上述內容及表2可知，低壓系統與高壓系統相比，具有如下優點［6］：

（1）占地面積少，裝置總重較輕，可間接增大載貨量。

（2）再充裝時間較短。低壓系統，再充裝比較簡單，只需將加罐車與充注管及壓力平衡管相連接，便可對儲罐進行加注。而高壓系統再充裝時，需將與鋼瓶相連的所有管道拆下，才可拆換原有鋼瓶，耗時較長，維護成本高，對連接部分造成一定的損傷，使系統安全度降低。

（3）安全性能高。低壓系統自檢功能比較完善，可實現自動監控，可持續顯示罐內壓力及液位，并具有高低壓力報警、高低液位報警功能，以便及時發現問題并解決問題，保證系統的正常工作。

4.3 低壓系統的缺點

低壓系統與高壓系統相比，具有如下缺點：

因低壓系統需配備兩套制冷機組，兩臺冷卻水泵，壓力檢測及液位檢測等輔助設備，較高壓系統初投資高。但在大型船舶上，對二氧化碳需求量較大時，低壓系統初投資與高壓系統將相差無幾，甚至低于高壓系統。

（2）運行成本相對較高

為保證滅火系統的正常工作，低壓系統的制冷裝置需長期運轉，且需人員定期檢查，這就在一定程度上增加了系統的運行成本。

5 結 論

目前，低壓系統在船舶領域應用較少，主要原因在于初投資以及運行成本較高。隨著大型集裝箱船舶的不斷涌現，低壓系統在初投資方面與高壓系統的差距越來越小，甚至低于高壓系統；并且與高壓系統相比，具有占地面積少、安裝及控制靈活、自檢功能強、安全性能高等優勢；總體設計布局上相對方便，在大型集裝箱船舶市場上將有較大的應用前景。

［1］劉玥，吳靖，陳兵.高低壓二氧化碳滅火系統的比較［J］.消防技術與產品信息，2005（9）：26-28.

［2］于磊，張園星，霍有利，等.海上移動平臺二氧化碳滅火系統設計［C］//中國造船工程學會2009年度工程學術會議論文集（下冊）.北京：中國造船，2009：833-837.

［3］張允寧，賈明鑫，劉松.海上平臺二氧化碳滅火系統設計與調試［J］.中國造船，2008（A02）：139-143.

［4］GB 19572-2013，低壓二氧化碳滅火系統及部件［S］.北京：中國標準出版社，2014年.

［5］陳如學.海上高壓二氧化碳固定滅火系統的初次檢驗［J］.中國船檢，2000（3）：45-47.

［6］盧永勇.低壓CO2滅火系統的應用［J］.江蘇船舶，2014（4）：20-22.

Application comparison of marine high and low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system

DUAN Yu-long REN Fei-hua
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper brie fl y introduces and compares the marine high and low pressure carbon dioxide fi reextinguishing systems with the system composition, system design points, and so on. It also carries out the quantitative analysis of the high and low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system of a 18 000 TEU container ship. The results show that the low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system has the advantages of small occupied area, good safety performance, fl exible control and short re fi lling time. Therefore, the low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system has relatively broad market prospect due to the reduced labor costs and the increased loading capacity.

marine; carbon dioxide; fi re-extinguishing system; system composition; system design points

U664.88

A

1001-9855（2017）01-0055-05

2016-07-02；

2016-08-10

段玉龍（1988-），男，碩士，助理工程師。研究方向：輪機工程。任飛華（1981-），男，工程師。研究方向：輪機工程。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.055