岸邊集裝箱起重機滅火系統及配套電氣設計

吳丞奇

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

為了降低單個集裝箱跨洋運輸的成本，海運集裝箱貨輪的體量不斷增長，船公司紛紛訂購船體寬堆高較高的貨輪。碼頭為了能夠配套逐漸升高的裝卸要求，所訂購的岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）參數也隨之不斷增加。例如3E-plus型岸橋，其起升高度達55 m，前伸距超過70 m[1]。設備的高大化給碼頭的防火滅火帶來新的課題，也給岸橋配套滅火系統的設計工作帶來了新的挑戰。為了更好地提供設計解決方案，需要針對性地梳理岸橋滅火系統所處的特殊環境條件，配合相關強制性或推薦性的消防規范，提出合理化、合規性的解決方案。

1 岸橋火災的要素

火災預防和災后報告都會指出起火條件的三要素分析，三要素分別是著火源、可燃物、助燃物。廣義的三要素分析往往流于表面，工業機械設備上的可燃物無非為液壓油、電氣元件外殼、線束等，助燃物一般也限于氧氣的流通和供應，與工業消防的安全教育內容并無差別，在此不作贅述。本文會將火災要素分析偏向岸橋實際情況，著重分析起火的來源、火源所在環境及對火源的撲救效果等。

1.1 岸橋火災的來源

岸橋的主要組成部分為鋼結構、傳動機構和部件、驅動機構等。其中，鋼結構和傳動部件以各類金屬制品和通用機械部件組合而成，與起火源無直接關系。驅動機構主要由電力驅動，且往往是大功率電力工作單元，岸橋上的火災隱患主要來源于驅動機構中的電氣系統。

1）變壓器、諧波柜、整流器等感性元件本身有很強的自發熱需求，一旦負載過大或熱量積蓄不及時散熱會造成感性線圈擊穿，整體燃燒。

2）配電系統的輸電電纜因載流量大，長時間工作在超負荷狀態，會造成熱量積蓄造成絕緣層的起火[2]；制動電阻等能耗元件同理，有起火隱患。

3）大功率電氣驅動元器件因長時間工作本身有一定失效率，如IGBT晶體管、大電容等工作失常時，會產生能量釋放和大熱量，引起明火。

4）儲能元件，如不間斷電源的電池因故障失效，也會引起明火燃燒。

5）電力配電屏、柜部分因施工安裝原因造成連接部虛接觸，長期打火引起火花直至起火[3]。

6）因人為忽視安全規范，在作業維保工作期間，違規使用火源，如電焊、切割、各類油品安置、抽煙等行為帶來的起火隱患。

由此可見，岸橋起火的原因主要分為設計負載、元件故障、人為違章等3個因素。

1.2 岸橋火災的環境特點

前述分析的岸橋起火火源主要集中在驅動機構，絕大多數都集中在機房內部，所以已知的岸橋火災案例都發生在機房部分。考慮到現代集裝箱貨輪大型化的發展趨勢，岸橋的體量和高度也隨之逐漸增加。圖1為起升高度56 m岸橋的機房高度示意圖，高度大約為65 m。按我國民用住宅標準計算，約為20層樓高。在消防規范內屬于第2類高層建筑，故岸橋火災的首要特點是起火點的絕對水平高程較高。

圖1 岸橋機房高度及布置示意圖

由圖1可知，岸橋機房由空調溫度環境控制區域的電氣房和非空調控制區域的機械房2部分組成。電氣驅動系統器、控制系統柜、配電柜、監控系統等需要環境溫度受控單元均布置于電氣房，而電動機和中高壓設備等部件則放置于相對空間較大的機械房內。機械房內非空調溫度控制區域，一般會安裝通風強度達一定規模的吸/排風機以避免區域內過熱。由岸橋設備的自身工作性質決定，設備運行期間僅有操作司機工作于設備上，隨著遠控自動化岸橋的興起，岸橋正在向無人化工作的方向發展，不論是電氣房還是機械房均不需要工作人員長時間在監察區域停留，若發生意外情況不能立即察覺。考慮到電氣房的空調控制密閉性，火災的發現往往在明火火勢極大情況下才被注意，為時已晚。由此，岸橋火災的第2個環境特點便是火情的發現有較大滯后性。

1.3 岸橋火災的撲救和防治分析

岸橋一旦發生明火火災往往已具有相當的火勢，由于主要起火隱患點都位于離地60 m高處，已超出傳統消防水車的云梯和水槍的高程輻射范圍，而岸橋作為相對移動機械設備又不具備固定建筑結構消防設施布置條件，這些因素使岸橋明火火災的施救工作困難重重，故岸橋消防的主要工作應聚焦在防范于未然時。

為達到消防防火的目的，配套布置具有較強撲滅初期火災的自動滅火系統成為岸橋整機設計的重要工作。根據住建部發布的GB55036—2022《消防設施通用規范》[4]，自動滅火系統分為自動噴水系統、泡沫滅火系統、細水噴霧系統、消防炮系統和氣體滅火系統等。岸橋火災的起火點主要位于電氣房部分，而電氣房為封閉的空氣流動受控空間，適合氣體自動滅火系統。考慮到岸橋的驅動系統為電氣驅動，使用環境布滿電氣裝置，如使用水/水霧或泡沫滅火系統，誤觸發的將會使設備造成極大損壞，不符合設計初衷，故自動氣體滅火系統應是較好選擇。目前，岸橋常用自動滅火系統氣體主要為FM200(七氟丙烷)，原因是其不僅滅火速度快、效率高、電絕緣性高，而且不會對設備和人員產生2次傷害，在潔凈、環保、安全方面有很大優勢，廣泛用于各領域的發電動機房、應急處及主配電房等重點消防部位[5]。二氧化碳浸沒型自動滅火系統不能用于有人員逗留的區域，造成人員危險，故不適用于岸橋電氣房的自動氣體滅火系統選擇。

考慮到常規岸橋機械房內部會布置維修機構，機房的房頂高度接近6 m，且機械房采用吸排風機作為通風系統，不具備安裝氣體自動滅火系統的密封條件，故機房內的滅火方案以手持二氧化碳或干粉滅火器為主。近年來，部分配置要求較高的岸橋會在機房內的電抗器、濾波器、中亞變壓器等元件配置火探管型自動氣體滅火裝置，但火探管系統為了達到良好湮滅初期火災的效果，會要求這些電氣設備有封閉外殼，相對外界密閉。這樣的罩殼要求與電氣設備的良好散熱需求相互矛盾，會使器件罩殼空間變大，機房底座加大，大幅提高了岸橋的設計制造成本，并未得到推廣。機械房內的滅火方案不以自動撲滅為目標，而是需要以及時報警發現為主。

2 岸橋起重機的自動滅火系統設計

2.1 火災監控設備

岸橋自動滅火系統的監控感知設備主要由煙霧探測傳感器和溫度探測傳感器組成。考慮到引起岸橋火災的主要因素集中于電氣元件及其附件引起的電氣火情，這些部件的材料決定了其燃燒初期的表現形式主要以煙霧為主。根據岸橋設備消防系統監控設備應用經驗實踐，空氣采樣煙霧傳感器的選用優先于空氣溫度探測傳感器[6]。

為了減少火災損失，限制表面隱患向深位火災發展，GB50370—2005《氣體滅火設計規范》[7]要求盡量配備高靈敏讀的火災探測器，做到及時發現及時滅火。其中，溫感探測器的靈敏度應為一級，煙感應結合探測區內環境和煙霧種類選擇相應時間最短的品類。該規范中同時指出：自動控制裝置應在接到2個獨立的火災信號后才能啟動。但是，采用哪種火災探測器組合提供2個獨立的火災信號則必須根據防護區及被保護對象的具體情況選擇。岸橋的電氣房由空調控制溫度，當發生初期火災時，電氣房溫度不會立即升高，感煙探測器會較快的感應。所以，在電氣房火災探測器的選擇和線路設計時，不論采用溫—煙獨立火災信號的組合，還是采用煙—煙獨立火災信號的組合，都符合滅火系統設計強制規范的要求。

2.2 滅火氣體管路設備

自動滅火系統的管路設備包括滅火氣體存儲罐、氣體輸送管路和末端噴頭等。在岸橋氣體自動滅火方案中，一般電氣房設有氣體保護，機房內僅設置傳感器用于報警，所以管路設備的設計配套工作一般限于電氣房部分。

GB50370—2005《氣體滅火設計規范》要求：噴頭宜貼近防護區頂面安裝，距頂面的最大距離不宜大于0.5 m。由此，氣體傳遞管路一般也走管于電氣房頂面。根據GB50016—2014《建筑消防規范》[8]，其他走線管路與消防物質管路平行走線時距離應至少為300 mm，為了防止電力管路發生故障時影響消防功能。

GB50370—2005《氣體滅火設計規范》要求氣體滅火系統儲存裝置應設在專用的儲瓶間內，儲瓶間宜靠近防護區，且應有直接通向室外或疏散走道的出口。考慮到岸橋機房的實際布置情況，一般建議將觸瓶布置于機械房和電氣房的隔斷墻部分，并盡可能靠近最近的逃生門。如無法再設計審核時滿足專用房間的要求，一般為儲罐加裝獨立罩殼來規避風險。

2.3 滅火系統報警控制裝置

采用氣體滅火系統的防護區應設置火災自動報警系統，該系統應設有自動控制、手動控制和機械應急操作3種啟動方式。由于電氣房不能被認定為GB50016—2014《建筑消防規范》中“平時無人工作的防護區”，同時岸橋消防系統正常工作時為自動啟動控制，根據GB50016—2014《建筑消防規范》應有不大于 30 s 的可控延遲噴射，以便于人員安全撤離電氣房。為了人員疏散有明確的指示，結合規范標準，警報設計應注意以下要求：

1）電氣房、PLC房、機械房等單獨隔離房間均應設有警報裝置；

2）氣體防護區的通道門入口外側需要有明顯警示狀態指示燈；

3）氣體保護防護區等每個通道門出口側附近應設有警鈴；

4）消防監控系統控制取范圍通道門（機房出口、電氣房出口）應設有聲光報警裝置；

5）地面工作站、司機室等需要相關人員及時撤離的位置應設有聲光報警裝置。

2.4 岸橋自動滅火系統方案整合推薦

將對滅火系統監控部分、氣體工作部分、控制警報部分的各要求整合后，可得到一份較完整的岸橋氣體自動滅火系統的方案。圖2是某型岸橋機房內氣體自動滅火系統的設計示意圖，該設計貫徹了國家標準關于自動滅火系統的要求。機房內的電氣房和機械房被分割為空調溫度控制區和抽排風區域，在空調控制區內安裝全套FM200氣體自動滅火系統，在抽排風空氣流通區域的重點部位安裝部分監控設備和警報設備，圖中可知本系統在高壓變壓器上方安裝探測裝置。所有監控設備點位設定一煙感一溫感配置，提供2路獨立信號。氣體保護控制的各獨立區域逃生門側設置警鈴；氣體保護區入口設置氣體排放標志；消防通風控制區域逃生門和主要人員停留點設置聲光報警。岸橋項目的消防設計方案在滿足GB50370—2005《氣體滅火設計規范》的前提下，應力求不改變岸橋的機房結構設計，在功能性和經濟性上達到協調統一的目標。

圖2 岸橋機房氣體滅火系統方案圖

3 滅火系統配套電氣設計要點

氣體自動滅火系統作為岸橋等的功能組成部分，不能獨立于其他功能模塊，很多電氣設計要素與之緊密相連。為了使自動滅火系統的功能正常，保證岸橋生產活動的安全有序進行，部分電氣系統設計優化相關工作必須得到重視。

3.1 通風空調設計優化

電氣房和PLC房是岸橋上主要的室內溫度控制區域，由空調系統進行溫度調節和空氣循環。作為氣體滅火系統的主要防護區域，結構設計時首先要注意區域內密封效果，接口工藝處采用易于對接且密封性良好的工藝和材料。若因密封效果不佳而無法保證區域內滅火氣體在噴發后的濃度，則滅火效果得不到有效實現。為此，電氣房內空調系統的工作狀態必須與自動滅火系統的信號聯動。

圖3為簡述自動滅火系統信號邏輯圖，在煙感溫感傳感器信號經滅火系統控制器確認后發送信號給主控PLC，有人經停區域的滅火氣體自動噴發延時為30 s以上，主控PLC需在30 s內切斷電氣房空調裝置的工作，使保護區處于相對密閉狀態。需要注意的是，如果電氣房采用的是大型風管機型空調，為了達到密閉區域的效果，在設計時需在電氣房空調通風口加裝電磁風閥，否則即使切斷空調電源電氣房依然形同開放空間，無法保證滅火器體的濃度。

圖3 自動滅火系統信號邏輯圖

3.2 照明系統設計優化

為了防止電氣火災的持續發酵復燃，標準要求確認火警信號后盡快切斷有關線路電源。岸橋的電氣房是電氣控制系統的中樞，電氣線路布放形式多樣，線路繁雜，幾乎匯集了所有供電直線。因此，在實際操作中，如遇有明確火災信號并引致氣體噴發，總電源會被保護切除。在總電被切除的同時，首要目的是保證機上人員的盡快撤離[9]，防護區內的照明系統應采用應急顯示，提示人員情況異常并延時斷電。主逃生通道主梯的照明系統應采用備用電源供電模式，確保機上人員快速疏散至地面。應急逃生照明的備用電源供電時間應不小于30 min，照度大于10 lux。

3.3 相關電纜選型優化

滅火系統各傳感器、處理器、控制器、執行機構之間通過電纜的連接進行能量傳遞和信號傳輸。如果整個滅火系統的連接線是系統的薄弱點，當火災發生時電纜的損壞先于合理的能量和信號傳遞，則整體滅火系統將無法發揮應有供能。所以，滅火系統的電纜選型應能滿足最惡劣情況下滅火氣體釋放和人員疏散警示的時間。

GB50116—2013《火災自動報警系統設計規范》[10]規定：火災自動報警系統的供電線路、消防聯動控制線路應采用耐火銅芯電線電纜，報警總線、消防應急廣播和消防專用電話等傳輸線路應采用阻燃或阻燃耐火電線電纜。據此標準，在岸橋的自動滅火電氣設計中，應充分考慮阻燃/耐火電纜的應用場景和選型配套。阻燃和耐火電纜的定義是有區別的，GB1966—2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》[11]中指出：阻燃指試樣在規定的條件下燃燒，在撤去火源后能夠阻滯或延緩火焰沿著電線電纜的擴散和延伸的能力；耐火指試樣在規定的火源和時間下，能夠持續地在指定條件下運行的特性。由此可知，在一般情況下，耐火電纜可以取代阻燃電纜，而阻燃電纜不能取代耐火電纜。耐火電纜在火災發生時能維持一段時間的正常供電，而阻燃電纜不具備該特性。所以，滅火系統全系統的連接在功能性上應用耐火電纜是比較可靠的選擇；在經濟性上從電纜原材料到電纜性能，耐火電纜的要求比阻燃電纜的高，所需要的成本也就更高，價格比阻燃電纜價格高。

GB50016—2014《建筑消防規范》規定中細化地指出：火災自動報警供電系統需使用不低于B2級別的耐火電纜，報警總線、消防應急回路傳輸回路需使用不低于B2級的阻燃電纜。該規定實質從功能和經濟的角度為防火電纜的選擇做了規定。根據GB31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》[12]和GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電纜通則》[13]的總結，耐火B級電纜指800℃燃燒環境中可正常工作90 min的電纜，燃燒性B2級電纜指在GB/T 31248—2014《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產煙特性的試驗方法》的試驗條件下，20.5 kW火源條件下火焰蔓延FS小于1.5 m。

綜合以上所述各標準的要求，合理定義消防線路功能，選擇相適應的電纜，在經濟性、功能性、可靠性上可以給岸橋自動滅火系統及整機安全性的提高帶來優化和保障。

4 結語

由于地處高空，岸橋機房的電氣房一旦發生明火火災，救援與善后修復難度很大，更會直接影響到集裝箱碼頭前場的作業效率。消防作為岸橋作業管理的重要內容，需要得到重點關注。岸橋火災的防治工作涉及生產、組織、運營、維護等各方面，在各地岸橋用戶的管理、意識、規章無法統一的前提下。通過岸橋整體設計上的規范，結合各類消防標準的分析，使岸橋配套自動滅火系統在技術上有防范可預見風險的能力，提高了設備可靠性和安全性。未來隨著港口設備信息化、智能化、物聯網化的發展，相信不久的將來岸橋上消防滅火系統會有新的防治理念，配套而來也會有更安全可靠的系統。