氣體滅火系統(tǒng)改造研究

劉建民

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

1 改造必要性分析

某電站倉(cāng)庫(kù)采用低壓二氧化碳全淹沒氣體滅火系統(tǒng)用以撲滅保護(hù)區(qū)的氣體、液體、固體火災(zāi)。該系統(tǒng)通過組合分配系統(tǒng)對(duì)3 個(gè)防護(hù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，防護(hù)區(qū)分別為倉(cāng)庫(kù)一層的恒濕庫(kù)、二層的恒濕庫(kù)與恒溫恒濕庫(kù)。在火災(zāi)情況下，該系統(tǒng)噴放足夠濃度的二氧化碳?xì)怏w，減少保護(hù)區(qū)的火災(zāi)損失，確保人員安全撤離。系統(tǒng)主要由滅火劑儲(chǔ)罐、附屬制冷機(jī)、主閥、選擇閥、機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)裝置、安全閥、滅火控制裝置、噴嘴和管道等部件組成，可通過自動(dòng)控制、手動(dòng)控制或機(jī)械應(yīng)急操作方式滅火。

系統(tǒng)中滅火劑儲(chǔ)罐共有9 臺(tái)，均為額定壓力2.0 MPa、容積0.5 m3的立式焊接儲(chǔ)罐。自2003 年開始投入運(yùn)行，目前已接近《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的鋼質(zhì)焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)使用年限20 年，且該儲(chǔ)罐已停產(chǎn)，無法采購(gòu)?fù)愋蛢?chǔ)罐進(jìn)行更換。滅火劑儲(chǔ)罐及其附屬制冷系統(tǒng)和相應(yīng)管線、閥門在運(yùn)行多年后，出現(xiàn)老化等情況，設(shè)備故障頻發(fā)。對(duì)歷年來的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要有以下2 點(diǎn)：

（1）滅火劑儲(chǔ)罐高壓報(bào)警。滅火劑儲(chǔ)罐正常運(yùn)行壓力為2.0±0.2 MPa，由于滅火劑儲(chǔ)罐的附屬制冷系統(tǒng)運(yùn)行效果差，每年夏季都會(huì)有滅火劑儲(chǔ)罐出現(xiàn)高壓報(bào)警情況，當(dāng)壓力超出正常運(yùn)行壓力上限后，還會(huì)導(dǎo)致滅火劑儲(chǔ)罐安全閥動(dòng)作，滅火劑從安全閥流失情況。

（2）滅火劑儲(chǔ)罐低液位或空罐報(bào)警。儲(chǔ)罐中滅火劑存量通過安裝在儲(chǔ)罐內(nèi)的光電液位儀監(jiān)測(cè)，當(dāng)滅火劑存量減少10%時(shí)顯示低液位，滅火劑排空時(shí)顯示空罐信號(hào)。由于滅火劑儲(chǔ)罐的氣相平衡閥、液相充裝閥等邊界閥密封不嚴(yán)和儲(chǔ)罐高壓導(dǎo)致安全閥動(dòng)作等原因，會(huì)出現(xiàn)滅火劑流失的情況，即會(huì)導(dǎo)致滅火劑儲(chǔ)罐出現(xiàn)低液位或空罐報(bào)警。

上述故障嚴(yán)重影響了低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

氣體滅火系統(tǒng)是減輕火災(zāi)事故傷害而采取的防范控制措施，對(duì)于消防安全是必要的。現(xiàn)有低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致滅火劑儲(chǔ)罐超出設(shè)計(jì)使用年限，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)備故障率較高，存在較大的安全隱患。為保證電站倉(cāng)庫(kù)物項(xiàng)、人員的安全，有必要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 氣體滅火系統(tǒng)比選

該電站倉(cāng)庫(kù)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)包括2 個(gè)恒濕庫(kù)和1 個(gè)恒溫恒濕庫(kù)，其火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙類，耐火等級(jí)為一級(jí)。選取市場(chǎng)上常見的七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)和高壓、低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)進(jìn)行比較。

2.1 七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)是一種高效能的滅火設(shè)備，其滅火劑HFC-ea 是一種新型高效的滅火劑，為無色、無味、不導(dǎo)電、無二次污染的氣體，對(duì)臭氧層無破壞，在大氣中的殘留時(shí)間比較短，環(huán)保性能優(yōu)越。七氟丙烷滅火系統(tǒng)滅火濃度低，滅火劑用量較少，鋼瓶使用量少，所占空間少。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，七氟丙烷滅火系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)噴出七氟丙烷氣體，七氟丙烷滅火以化學(xué)抑制為主，物理窒息和降溫為輔。系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)先進(jìn)、性能可靠，操作簡(jiǎn)單，環(huán)保良好。

2.2 二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)

根據(jù)儲(chǔ)存壓力的不同，二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)可分為高壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)和低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)。高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)能夠以常溫的方式儲(chǔ)存滅火劑，降低了日常的維護(hù)成本，較高的儲(chǔ)存壓力使滅火劑允許有較長(zhǎng)的輸送距離，同時(shí)因?yàn)閴毫^高對(duì)儲(chǔ)存環(huán)境的溫度要求比較嚴(yán)格。低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)采用制冷系統(tǒng)來降低滅火劑的儲(chǔ)存壓力，同時(shí)也降低了管網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力，由于降低了儲(chǔ)存壓力，使該系統(tǒng)的輸送距離隨之降低，對(duì)于防護(hù)區(qū)數(shù)量較多的工程增加了滅火系統(tǒng)的數(shù)量，且制冷機(jī)使用年限較短，制冷效果隨著設(shè)備老化會(huì)大幅減弱，需頻繁更換，增加了系統(tǒng)的日常維護(hù)成本。

2.3 3種氣體滅火系統(tǒng)對(duì)比分析

根據(jù)《二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，低壓和高壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)濃度均為47%，所需滅火劑儲(chǔ)存用量為5040 kg。原低壓二氧化碳儲(chǔ)罐目前已停產(chǎn)，此次改造選擇市場(chǎng)上常見的2 個(gè)含滅火劑量3000 kg 的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐尺寸為L(zhǎng)×B×H=4.00 m×1.45 m×1.90 m。原有建筑氣瓶間尺寸長(zhǎng)×寬×高為6.88 m×6.00 m×3.00 m，在不破壞原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，低壓二氧化碳儲(chǔ)罐的安裝高度極為緊張，并且后續(xù)維修難度很大。

對(duì)于高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)，市場(chǎng)上常用的高壓二氧化碳滅火劑儲(chǔ)瓶規(guī)格有40 L 和70 L，本次設(shè)計(jì)選擇70 L 的儲(chǔ)瓶。根據(jù)《二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，高壓二氧化碳儲(chǔ)瓶數(shù)量計(jì)算：

式中 Np——高壓二氧化碳儲(chǔ)瓶數(shù)量，只

Mc——二氧化碳儲(chǔ)存量，kg

a——充裝系數(shù)，kg/L

V0——單個(gè)儲(chǔ)瓶的容積，L

根據(jù)式（1）計(jì)算，高壓二氧化碳儲(chǔ)瓶共需120 個(gè)。鋼瓶布置間距為0.31 m，在鋼瓶布置4 排的情況下鋼瓶支架總長(zhǎng)為9.45 m。原有建筑氣瓶間尺寸長(zhǎng)×寬為6.88 m×6.00 m，原有氣瓶間的空間不能滿足設(shè)計(jì)要求，需將原有氣瓶間擴(kuò)充面積。

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)濃度為10%，經(jīng)過計(jì)算所需滅火劑儲(chǔ)存用量為2972 kg，本次設(shè)計(jì)選取4.2 MPa、120 L 的儲(chǔ)瓶，根據(jù)藥劑總量共需44 只儲(chǔ)瓶。鋼瓶布置間距為0.38 m，在鋼瓶布置4 排的情況下鋼瓶支架總長(zhǎng)為4.37 m。原有建筑氣瓶間尺寸長(zhǎng)×寬為6.88 m×6.00 m，可以滿足氣瓶布置要求。

根據(jù)以上計(jì)算與分析，3 種氣體滅火系統(tǒng)的具體技術(shù)比較如表1 所示。

表1 氣體滅火系統(tǒng)技術(shù)比較

從表1 可以看出，七氟丙烷滅火系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①適用于有人工作的場(chǎng)所；②滅火效率高，速度快，滅火劑用量小；③潔凈環(huán)保具有良好的清潔性，在大氣中完全汽化不留殘?jiān)虎軣o需對(duì)原有建筑氣瓶間尺寸進(jìn)行改造，工程量較少。

綜上所述，考慮消防系統(tǒng)安全性和改造工程量因素，恒濕庫(kù)和恒溫恒濕庫(kù)低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)改造建議選擇七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。

3 改造方案

電站倉(cāng)庫(kù)的防護(hù)區(qū)共有3 個(gè)，各個(gè)防護(hù)區(qū)面積和體積如表2所示，根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，適宜采用管網(wǎng)滅火系統(tǒng)。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造成本考慮，設(shè)置組合分配系統(tǒng)較為適宜。各防護(hù)區(qū)選取的七氟丙烷氣體滅火設(shè)計(jì)參數(shù)參考圖書、檔案、票據(jù)和文物資料庫(kù)等防護(hù)區(qū)，滅火設(shè)計(jì)濃度選擇10%，實(shí)際應(yīng)用濃度不應(yīng)大于1.1 倍，即11%。

表2 各防護(hù)區(qū)參數(shù)

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和各防護(hù)區(qū)參數(shù)表（表2），初步計(jì)算得到各防護(hù)區(qū)需要的藥劑量和使用儲(chǔ)瓶數(shù)量等結(jié)果如表3 所示。其中儲(chǔ)瓶選用二級(jí)增壓焊接結(jié)構(gòu)，增壓壓力4.2 MPa，儲(chǔ)瓶容積120 L。

表3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

防護(hù)區(qū)滅火設(shè)計(jì)用量計(jì)算：

式中 W——滅火設(shè)計(jì)用量，kg

C1——滅火設(shè)計(jì)濃度，%

S——滅火劑過熱蒸汽在101 kPa 大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容，m3/kg

V——防護(hù)區(qū)的凈容積，m3

K——海拔高度修正系數(shù)

滅火劑過熱蒸汽在101 kPa 大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容計(jì)算：

式中 T——防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度，℃；此次取值20 ℃

K1——海拔高度修正系數(shù)，此次取值0.126 9

K2——海拔高度修正系數(shù)，此次取值0.000 513

系統(tǒng)儲(chǔ)存量計(jì)算：

式中 W0——系統(tǒng)儲(chǔ)存量，kg

ΔW1——儲(chǔ)存容器內(nèi)的滅火劑剩余量，kg

ΔW2——管道內(nèi)的滅火劑剩余量，kg；對(duì)于均衡管網(wǎng)和只含1 個(gè)封閉空間的非均衡管網(wǎng)，其管網(wǎng)內(nèi)的剩余量均可不計(jì)

通過上述計(jì)算與論證，將原低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)改造為七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)是完全可行的，并且七氟丙烷滅火系統(tǒng)滅火濃度低，鋼瓶使用量少，所占空間少，可以不擴(kuò)充原有氣瓶間。同時(shí)考慮到二氧化碳?xì)怏w會(huì)導(dǎo)致人員窒息的影響，改造為七氟丙烷滅火系統(tǒng)后的安全性將優(yōu)于高壓、低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)。

4 結(jié)語

通過對(duì)七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)和高壓、低壓二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)七氟丙烷藥劑用量等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，給出了某電站倉(cāng)庫(kù)氣體滅火系統(tǒng)改造的建議方案，可以作為后續(xù)系統(tǒng)改造的參考。