某客船細水霧滅火系統研究

俞麗慧，王 榮

(天津新港船舶重工有限責任公司，天津 300456)

客船上層建筑發達，具有多層甲板，用于布置旅客艙室。一般設有完善的餐廳、衛生間和娛樂設施。在抗沉、防火、救生等方面的安全要求較嚴格。船級社入級對于客船的安全要求相對比較高，在火災預防這方面，細水霧系統是一種安全、環保、綠色并切實有效的滅火手段。因此研究細水霧滅火系統對于建造客船有重要的意義。

1 細水霧滅火系統的簡介

細水霧是在噴頭最小工作壓力下，噴頭噴出霧滴的體積分布直徑Dv0.99小于1 000 μm的水霧[1]。這是一種用體積法表示霧滴直徑的方法，Dv0.99表示小于1 000 μm的直徑體積含量為99%。根據霧滴直徑可將細水霧分為3級：第一級細水霧的體積累積分布直徑Dv0.99小于200 μm；第二級細水霧的體積累積分布直徑Dv0.99大于200 μm且小于等于400 μm[2]；第三級細水霧的體積累積分布直徑大于400 μm小于1 000 μm。

細水霧滅火系統是具有供水設備單元、分配管(路)網和探火及火災報警裝置，并與一個或多個細水霧噴嘴相連接，能夠釋放細水霧來控制火災、抑制火災或滅火的系統[3]。

細水霧滅火系統對其保護對象可實施滅火、抑制火災、控制火災、控制溫度和降塵的多種方式進行保護[4]，其滅火的相關原理可以歸納為如下幾點[5]：窒息作用、冷卻作用、浸潤作用、阻隔熱輻射、乳化作用。在水霧滅火的過程中，通常會有幾種作用是同一時間發生的，從而進行有效滅火。

細水霧滅火系統特點有：①用水量低；②降低了火災損失和水浸損失；③具有很強的阻隔輻射熱能力；④電氣絕緣性能更佳，可以有效撲滅帶電設備火災；⑤系統重量輕、管徑小、方便安裝和維修；⑥具有很強的除煙性能、安全環保性；⑦細水霧具有相當好的冷卻火災場所及燃燒物的作用，可以有效避免火災高溫造成的相關結構變形，并且滅火結束以后不會產生復燃。

細水霧滅火系統的分類方式有以下4種：①按管路的壓力大致分為低壓水霧滅火系統、中壓水霧滅火系統、高壓水霧滅火系統[6]；②按其應用方式可分為全浸沒應用系統、局部應用系統、分區應用系統；③按其霧化的方式可分為單相流系統、兩相流系統；④按其管路充水方式可分為干式細水霧滅火系統、濕式細水霧滅火系統。

2 某客船細水霧滅火系統設計

2.1 船舶用途和總體概述

某客船是長期國際航行的客船，其采用全回轉電力推進裝置。通常在一個港口靠泊一段時間后前往另一個港口。該船總長約175 m、型寬約29 m、設計吃水約6 m、結構吃水約6.2 m、服務航速12 kn，總噸位預計36 600 t，載重量在密度為1.025 t/m3的海水中應不少于4 500 t。其懸掛馬耳他旗，入級英國勞氏船級社，在出海航行時定員約500人，在港靠泊可達約950人。船舶在港時船上人員有職員和旅客約650人，日間工作人員約200人。

2.2 基本設計參數

本船設備和系統需要滿足下述環境工況，環境工況如表1所示。

表1 環境工況

2.3 保護區域及分區

在諸多類別的船舶當中，大型的客船由于載客量大，通常能達到千人，發生火災時易造成重大人身財產損失[7]。而某客船作為客船的一種，在航行工況時載客人數超500人，在碼頭工況時可以載客900人，因此，通過布置合理完整的防火結構，將火災在一定時間內控制在火源艙室內，這個方案在實踐上是可行的。因此防火結構區域劃分在一定程度上可以控制火災蔓延。本船的保護處所有生活區和公共場合服務處所、機艙區域。

2.4 細水霧滅火系統的主要部件

細水霧滅火系統由淡水艙、淡水輸送泵、過濾器、進水電磁閥、噴淋泵組單元、應急備用氣瓶裝置、噴淋管路、分區控制閥、細水霧噴頭等組成，水霧滅火系統原理圖如圖1所示。

1-閥控面板復示器；2-閥控面板；3-噴頭；4-深煎鍋區域閥；5-上建區域閥；6、7-機艙水霧區域閥；8-手動常開操作閥；9-電動常閉電磁閥；10-手報按鈕；11-1#泵組；12-2#泵組；13-3#泵組；14-備用單元；15-截止閥；16-濾器；17-止回閥；18-海底閥箱；19-總用泵；20-淡水艙

2.5 噴頭的設計

船舶中由于保護對象的不同，需要噴頭的形式也有所區別，在了解噴頭的類型之后，需要根據噴頭所用的場所和空間的凈高度等因素對噴頭進行選擇和布置。

1)噴頭的選型。水霧系統噴頭的選型需要從多個方面進行考慮，其噴霧的角度、流量以及速度都是在設計中考慮的重點。噴霧水滴的速度以及大小直接影響滅火效果，如果噴霧水滴大就不能有效地冷卻火災的氣體，如果噴霧水滴太小就不能集中到達火災位置，從而影響滅火的時間及效果[8]。

當噴頭與燃燒物的距離H比較大時，必須選用噴霧強度較大的噴嘴。所以噴頭高度的設計必須考慮噴頭的性能參數。為了滿足設計的要求，應該多考慮選擇流量系數大的噴頭。

根據本船的特點，客艙房間較多，被保護機器處所不是特別集中，另外局部保護設備較多，在噴頭的選用上面需要分類、分區仔細地進行選擇。具體噴頭的選用參見表2。

表2 噴頭的選用

2)噴頭的排列形式和間距計算。噴頭的排列有單排(一線)和網格化(三角形和矩形)2種方法，噴嘴的間距是根據噴頭布置方式不同，根據的水霧柱底圓的半徑乘以一個常數得出，噴嘴間距R要求如公式所示，三角形噴頭布置示意圖如圖2所示。噴頭間距按公式(1)計算：

圖2 三角形噴頭布置示意圖

(1)

矩形噴頭布置示意圖如圖3所示。噴頭間距按公式(2)計算：

圖3 矩形噴頭布置示意圖

(2)

式中，Rrrmax為水霧柱底圓半徑，m。

噴頭間距通過計算可得出，噴頭的最大間距如表3所示。

表3 噴頭的最大間距

當只有火源點一點時，可選用單點布置，此時噴頭應布置在火源點的上方。水霧噴頭與保護對象之間的距離不得大于水霧噴頭的有效射程。確定噴頭的排列間距與安裝高度時，應能確保噴嘴噴出的細水霧能完全覆蓋保護區，同時還要有一定的噴霧強度[9]。

2.6 系統水力計算

船舶細水霧滅火系統需要正常運行，就需要有充足的水源，船舶上應該有一定的淡水存儲。淡水的存儲占用船舶一定量的空間，并且影響船舶的自重，所以需要對細水霧系統的水量進行核算。

1)單個噴頭流量計算。每種形式的噴頭流量是有所不同的，單個噴頭流量是由這種噴頭的流量系數和工作壓力決定的，具體單個噴頭流量按式(3)計算：

(3)

式中，q為水霧噴頭的流量，L/min，P為水霧噴頭的工作壓力，MPa；K為水霧噴頭的流量系數。

由公式(3)計算得出各類型噴頭流量見表4。

表4 各類型噴頭流量

2)水霧系統的計算流量。系統的流量按照保護區域的噴頭數量和實際流量決定，具體按公式(4)計算：

(4)

式中，Qj為系統的計算流量，L/min；n為系統啟動后同時噴霧的噴頭數量，只；qi為水霧噴頭的實際流量，L/min。

本船中保護區域多，流量是按最大的保護區(前主機艙)計算，按照公式(4)可得出：Qj=1 485.9 L/min。

3)水霧系統的設計流量。水霧系統的設計流量應大于系統的計算流量，使系統流量有一定的余量。系統的設計流量由安全系數和計算流量計算得出，具體按公式(5)計算：

Qs=kQj,

(5)

式中,Qs為系統的設計流量，L/min；k為安全系數，應取1.05～1.10(通常取1.10)。

由公式(5)可得：Qs=1 634.5 L/min。

4)水霧系統泵的流量計算。水霧系統泵的選用根據系統的設計流量，并按照安全返港(SRtP)的要求，滿足每臺單元泵組要達到總流量的50%，所以泵的流量應按公式(6)計算：

Q=50%Qs,

(6)

式中，Q為泵組的設計流量，L/min。

由公式(6)可得：Q=817 L/min。

5)水艙的儲存水量。按照技術規格書的要求，本船的水量存儲要滿足保護區的噴霧時間實際為30 min的要求，水艙的存儲按照經驗需要有一定的余量，所以需要的總水量按公式(7)計算：

Qc=1.2×30Q，

(7)

式中,Qc為水艙的儲存水量，L。

由公式(7)可得出：Qc=29 412 L≈29.4 m3(包含20%余量)。由于本船是使用船舶淡水艙作為細水霧系統的水源的，容量滿足供水量的要求。

6)系統主管管徑計算。系統的主管是給管道末端提供水的管道，主管的管徑直接影響到系統末端是否能及時地被供應上所需要的水，主管道的管徑要根據泵組的流量運算得出。系統的主管管徑按公式(8)計算：

(8)

式中，di為主管的管徑，mm。

由公式(8)可得：di=52.02 mm。

根據管子的現有規格進行管徑選取，所以主管徑的取值為60 mm。

2.7 系統壓力計算

水的輸送需要一定的壓力，壓力驅動水輸送到每一個用水單元。本系統使用水霧泵組單元加壓后將水輸送到各噴頭。

1)系統的壓力計算。系統壓力計算要考慮到管路系統中最不利位置處的壓力值。流體在管路中經過管路、閥門和彎頭后都會有壓力損失(包含沿程的壓力損失和局部壓力損失)，因為本系統的流體流速高，產生紊流更會加大壓力損失，所以系統的壓力按公式(9)計算：

Pt=Pf+Pe+Po，

(9)

式中，Pt為系統供水壓力；Pf為管路壓力損失；Pe為最不利點噴頭與儲水箱最低位的靜壓差值；Po為噴頭設計的工作壓力。

2)管路壓力損失及流量校核。系統中選用2個典型最不利區域進行壓力損失及流量的計算分析：區域1局部水霧系統中噴頭最多；區域2是區域局部水霧系統中距離單元泵組最遠的。對以上2個最不利點的計算，驗證水泵的泵組單元的壓力滿足要求。

3 結束語

推進細水霧系統的自主設計，有利于提高其技術水平，增強船舶產品的市場競爭力；有利于積累經驗和環境保護，使真正綠色的消防技術在完成消防保護的同時，不對環境造成任何危害。