低壓二氧化碳滅火系統船上應用及認可要求

中國船級社 溫玉奎

船用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和高壓二氧化碳滅火系統，高壓系統是指液態二氧化碳在鋼瓶內常溫下儲存的系統，環境溫度20℃時，鋼瓶內壓力56bar，環境溫度在25℃至30℃時，鋼瓶內壓力可達到64bar至71bar。低壓系統是指液態二氧化碳在低溫條件下儲存的系統，通常儲存溫度-20℃至-18℃，溫度在-18℃，罐體內部壓力大約在20bar。當發生火災時，高或低壓系統液態二氧化碳均是從儲存裝置通過系統管路到達布置在著火區域的噴嘴向外釋放，降低著火區域內氧氣含量以窒息作用來實施滅火。

低壓二氧化碳滅火系統的組成

船用低壓二氧化碳滅火系統的基本組成通常包括：儲存裝置、釋放總管、主釋放閥、分配閥、釋放管路、噴嘴、充裝及平衡管路、釋放及報警系統、制冷裝置等組成。

儲存裝置通常為一個大型的儲罐，儲量相對較大，充分利用船上二氧化碳間內的空間，盡量減少占地面積。儲罐內膽通常采用細晶粒合金鋼，有較高的屈服強度，同時考慮材料低溫沖擊性能。為了保持儲罐內二氧化碳較低的溫度，內膽外包裹一層絕熱材料，厚度通過傳熱學理論計算獲得，為了防止潮濕空氣的侵入和機械破壞，絕熱層外包裹一層鍍鋅薄鐵皮。穿過罐體上的管路應做好絕熱處理，避免出現熱橋，引起罐內低溫二氧化碳與外部空間環境的熱傳導。

在儲罐上應設置兩個安全閥，布置應使任何一個安全閥關閉時另一個安全閥需接通儲罐，從安全閥排出的氣體應直接排放到艙室外的大氣中。儲罐上通常安裝多套液位測量裝置，一套是安裝在液位測量管上的液位傳感器，同時在液位測量管與儲罐之間安裝三個液位測量閥，可以用來測量儲罐中液態二氧化碳三個特定液位值；另外一套是獨立的液位測量管，外部沒有絕熱材料包裹，在應急情況可以通過打開測量管下端與儲罐之間的閥門，觀察管上結冰的高度判斷儲罐內二氧化碳的液位值。在儲罐下端和上端分別設有充裝管和平衡管，用來補充儲罐內的二氧化碳，確保二氧化碳在充裝時氣、液相平衡。

釋放總管是一個管子焊接而成的管匯，通過主釋放閥與儲罐連接，同時也裝有通向各被保護處所的分配閥。當船上二氧化碳滅火系統釋放時，主釋放閥開啟，二氧化碳氣液混合物首先通過釋放總管，然后通過分配閥到被保護區域。

釋放及報警系統包括二氧化碳間遙控釋放和控制面板，消防控制站遙控釋放單元兩部分組成，設置二氧化碳儲罐高低壓報警、儲罐內二氧化碳液位低報警、主釋放閥泄漏報警、制冷系統故障報警等。當船員在消防控制站或二氧化碳存儲間遙控釋放二氧化碳滅火時，用專用鑰匙打開釋放控制箱，自動啟動船上被保護區域二氧化碳釋放聲光報警，啟動第一個控制閥，釋放總管上通向被保護處所的分配閥自動開啟，同時發出艙室通風和燃油切斷信號，啟動第二個控制閥，經過最小20s的延時，給保護處所人員留有足夠的撤離時間，釋放總管與儲罐之間的主釋放閥開啟，二氧化碳氣體通過釋放管路到達被保護處所，當釋放時間達到系統設計要求時，主釋放閥自動關閉，具體二氧化碳釋放量設計原則為釋放體積至少等于該船受保護的最大貨物處所總容積30%的自由氣體，被保護的最大機器處所總容積的40%或被保護的最大機器處所（包括機艙棚）總容積的35%大者。

圖1 源自國外某低壓二氧化碳滅火系統制造廠網站

圖2 制冷裝置循環圖

制冷裝置是確保二氧化碳儲罐內始終保持低溫環境，由于儲罐外的環境溫度高于內部溫度，通過罐壁產生熱傳導，使儲罐內的液態二氧化碳氣化，內部壓力增大，因此避免二氧化碳液體氣化，有效控制內部壓力，低壓二氧化碳滅火系統必須配備制冷裝置。儲罐內壓力升高至某一設定值制冷裝置自動啟動，罐內的蒸發器冷卻氣化的二氧化碳，二氧化碳氣體再次被液化時內部壓力降低，當壓力降低到某一設定值時，制冷單元自動停止工作。制冷裝置主要包括：蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥。蒸發器是安裝在儲罐內最上部的金屬盤管，可以與氣化的二氧化碳氣體直接接觸，從而使其再次液化，冷凝器可以選擇空氣冷卻或水冷卻兩種型式，空氣冷卻使用專用的空氣冷卻式冷凝器加風機組合，水冷卻通常選擇臥式管殼式換熱器。

高低壓二氧化碳滅火系統實例比較

國內某船廠建造的汽車運輸船，35660總噸，總長169.1米，型寬28米，該船機艙（包括機艙棚）體積為8048m，機艙（不包括機艙棚）體積為6986m，共4個車輛處所，其中最大一個車輛處所體積為31198m，固定式滅火系統的類型選擇二氧化碳滅火系統，根據SOLAS公約要求計算，船上應配備25.07噸二氧化碳。該船舶安裝高、低壓二氧化碳滅火系統的應用差異對比如下表。

表 船舶安裝高、低壓二氧化碳滅火系統的應用差異對比

1、低壓二氧化碳滅火系統優點

根據低壓二氧化碳滅火系統的結構特點，結合上述實例的分析對比，低壓二氧化碳滅火系統的優點如下：

（1）占地面積小，裝置總重量輕，可以節省空間用于布置其他艙室，減小船舶的重量，通過研究可以認為船上二氧化碳配備量越大，低壓系統的這方面優勢越明顯。

（2）首次安裝用時少，節約造船廠工人勞動成本；充裝方便，加注罐車可以直接停靠碼頭通過充裝管線加注，大大節約了船舶停靠碼頭時間。

（3）安全性能高，具備完善的監測和報警系統，時刻監測儲罐內容液態二氧化碳的液位，同時可持續監測和顯示儲罐內的壓力，以便及時發現問題并提前解決，保證系統的正常工作。

（4）對要求二氧化碳配備量較大時，初次投入成本較低，國外某公司對外說明，當二氧化碳儲量超過1818kg時，使用成本將低于高壓二氧化碳滅火系統。

（5）低壓二氧化碳溫度低，又稱干冰“雪”，滅火效果優于常溫儲存的高壓二氧化碳，而且低壓二氧化碳滅火系統在達到釋放時間后，操作人員可以根據火情，啟動再釋放功能，確保火災完全撲滅。

（6）由于儲罐安裝了多套液位測量裝置和內部壓力檢測裝置，船舶營運期間低壓二氧化碳系統無需專業檢測公司進行定期的二氧化碳稱重或液位測量，同時不需要每十年的水壓試驗，大大降低了船舶的運營成本。

2、低壓二氧化碳滅火系統缺點

低壓二氧化碳滅火系統與高壓二氧化碳滅火系統的比較，具有如下缺點：

（1）對船舶配備二氧化碳量較小時，低壓二氧化碳滅火系統的初次投入成本較大，因此船舶設計時應充分考慮。

（2）船舶營運時，設備維護成本高，耗能較大，因為制冷裝置需要長期運轉，且需要船舶輪機人員定期檢查，會增加船員的工作量。

通過對低壓二氧化碳滅火系統優缺點的分析，船東和船廠在船舶設計時，會綜合考慮船舶建造初期投入和后續維護運營成本，最終選擇最合適的滅火系統。現階段營運和新建船舶，選擇低壓二氧化碳滅火系統多為被保護艙室空間較大的船舶，船型主要包括：汽車運輸船、客貨滾裝船、大型集裝箱船等。

低壓二氧化碳滅火系統的認可要求

現階段船用低壓二氧化碳滅火系統的制造主要是丹麥和韓國的兩家船用產品廠，國內產品制造廠處于研發階段，暫時未有產品船上使用的實例，國內船廠只能選擇國外產品配套上船使用。船用低壓二氧化碳設計和認可，需按照《國際消防安全系統規則》（以下稱規則）的要求進行，按照中國船級社規范要求，該產品采用產品認可＋單套產品檢驗＋船上系統檢驗的方式進行產品的質量控制，其他國際同行采用設計評估＋單套產品出廠試驗＋船上系統檢驗方式進行控制，通過對比發現中國船級社的控制模式相對比較完善。

產品制造廠選擇中國船級社產品型式認可時，中國船級社將對工廠提交的圖紙及設計計算書等資料進行審查，型式試驗大綱批準和試驗見證，工廠質量管理體系核查和制造過程審核。在進行產品設計過程中，工廠會按照規則的要求，使用成熟的計算方法或行業通用的計算軟件進行系統設計，對計算中無法確認的關鍵點，可選擇進行試驗的方式驗證和補充，通過理論計算與試驗驗證相結合，實現對產品性能的綜合評估，使產品達到初始設計目標，滿足規則的要求。驗船師結合工廠生產歷史和實船產品使用的經驗，同時了解國際同行對該產品檢驗控制的方式，對設計圖紙及計算書、工廠提交的型式試驗大綱進行綜合評估，確認可直接接受工廠理論計算無需通過試驗驗證的部分，同時向工廠提出理論計算和試驗驗證相互結合完成的部分，或者部分要求工廠沒有理論計算作為支持，僅通過試驗驗證來證明滿足規則的要求。型式認可過程中對不同設計能力的工廠，可能會提出不同型式試驗項目的要求，充分體現中國船級社對工廠設計能力具有較強的綜合評估能力。

中國船級社按照規則對低壓二氧化碳滅火系統進行認可，其中最主要的型式試驗項目和技術要求如下：

規則中要求安全閥釋放壓力設定應不小于工作壓力的1.1倍，而且考慮儲罐外著火時液態二氧化碳氣化產生的氣體通過安全閥向外排放，任何一個安全閥的排量足夠確保儲罐內增大的壓力不超過設定壓力的20%。在設計時應該考慮安全閥開啟時并具有足夠的排量，確保儲罐內壓力不得超過設定壓力的20%，可以參考《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規則》中液貨艙透氣的相關計算公式和要求進行計算，保證在存儲間發生火災時二氧化碳儲罐的安全。

規則中要求對永久充裝二氧化碳的容器和輸出管，應設有隔熱絕緣，以便當制冷裝置斷電后，環境溫度為45℃且初始壓力等于制冷裝置的起動壓力時，24h內防止安全閥開啟。 該要求主要考核二氧化碳儲罐外的圍護結構具有較好絕熱性能，也具有較小的傳熱系數，通過傳熱學計算設計罐體圍護結構厚度，并選擇合適的絕熱材料，在罐體內壓力升高至制冷裝置自動啟動壓力時，制冷裝置停止運行，外部環境溫度45℃，24小時內罐內壓力升高，但不能超過安全閥起跳壓力。

規則中要求二氧化碳儲罐應配備兩套完全獨立的制冷裝置，每一套制冷裝置應具有足夠的制冷量，在海水溫度達32℃和環境溫度達45℃時，每一臺裝置的制冷能量和自動控制應能在24小時連續運轉的情況下，保持所規定的溫度。該要求主要考核制冷裝置在外部環境較為苛刻的條件下，具有足夠的制冷能力。如果制冷裝置冷凝器選擇海水冷卻時，海水溫度達32℃，環境溫度45℃時，任何一套制冷裝置連續運行24小時，罐體內部溫度可以保持系統工作溫度；如果制冷裝置冷凝器選擇空氣冷卻，環境溫度45℃時，每一臺制冷單元連續運行24小時，罐體內部溫度可以保持系統工作溫度。

規則針對低壓二氧化碳系統的相關要求，主要從系統安全、可靠等幾方面規定，包括二氧化碳儲罐安裝具有足夠排量的安全閥，在罐外發生火災時，確保罐體的安全。儲罐的圍護結構具有足夠的絕熱性能，在制冷單元無法工作時，僅靠罐體較好的絕熱性能，而使揮發的二氧化碳氣體不會輕易通過安全閥向外排放。選擇的每一臺制冷裝置具有足夠的制冷能力，在較為苛刻的外部工作環境，仍能長時間連續運行，并保持罐體內的低溫環境不變。

目前，低壓二氧化碳滅火系統在船舶領域應用相對較少，伴隨船舶的大型化，低壓系統在最初投資方面比高壓系統的優勢越來越明顯，而且在安裝、使用等方面具有眾多優點，將逐漸被更多船東所接受；低壓二氧化碳滅火系統在船用領域的逐步推廣，國內相關制造廠會積累更多的研發和使用經驗，船用低壓二氧化碳滅火系統也一定會逐步實現國產化。

啟東中遠海運海工浮式生產儲卸油船N999 FPSO下水

2021年4月12日，由啟東中遠海運海工承建的浮式生產儲卸油船N999 FPSO項目舉行下水儀式。

這是中國船企首次為歐洲一流油公司非洲項目建造浮式生產儲卸油船。據悉，該項目船長270米，總寬54m，型深為31.5m，設計使用年限為30年，最大排水量約為32萬噸，儲油量不少于144萬桶，日卸油量達110萬桶，日氣處理能力505萬標準立方英尺，空船重量48000噸，上部模塊重2萬噸，生活區最多可居住140人。