棉花滩水电站FM-200气体灭火系统设计
简介： 在棉花滩水电站中央控制楼的设计中，首次采用了FM-200气体灭火系统，通过工程设计和实践，全面地研究了FM-200气体灭火系统的系统选择、灭火剂用量计算、钢瓶选择、管路直径确定、系统组件、泄压口计算和布置、水力计算、喷头选择及系统控制等有关技术问题。
关键字：灭火系统设计 气体灭火 FM-200 棉花滩水电站
棉花滩水电站运行控制方式为“无人值班”(少人值守)，电站中央控制楼内的主要控制设备均为先进的高科技的电子产品及高档电子计算机，因此其灭火系统不宜采用水、泡沫、干粉等灭火介质，而以采用气体灭火介质为妥。该气体灭火系统主要用在中央控制楼内的技术档案室、电缆夹层、电源室、工程师工作站、计算机室、中央控制室、继电保护室、通讯电源室、无线寻呼设备室、交换机室、载波机室和系统交换机室11个保护区。
1 气体灭火介质的选择
棉花滩水电站灭火系统，在初步设计时曾选用化学灭火介质HALON 1301 (CBrF3)（即卤代烷1301）,其灭火性能好、毒性低，已在世界范围内广泛应用，但由于该灭火剂属于破坏臭氧层较剧的氟氯碳化物（CFC）家族之一，根据国际会议决定自1994年1月1日起HALON灭火剂已全面禁产，2005年后全面禁用，因此棉花滩水电站气体灭火系统的灭火剂选用了相应的替代产品。目前相应的替代产品有：大湖公司的FM-200，3M公司的CEA-410，ANSUL公司的INERGEN，杜邦公司的FE-13，NAF公司的NAFS-Ⅲ等。经认真研究比选，最终选用了FM-200作为气体灭火介质。
FM-200灭火介质，在美国作为新型灭火剂被UL认可、FMRC检测通过、符合NFPA标准，还被SNAP批准容许使用于有人值守的区域。也通过了中国国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检测中心的检测，目前已获准使用。
FM-200在中国称为七氟丙烷（HFC-227ea）洁净气体，目前通过技术引进已在一些消防设备厂家生产，价格约为国外同类产品的30%～50%。经比选，棉花滩电站选用了广东番禺胜捷消防器材设备有限公司生产的产品。
2 气体灭火系统设计
2.1 设计依据
棉花滩水电站气体灭火系统设计的主要依据是：①《GB50163—92卤代烷1301灭火系统设计规范》；②《七氟丙烷(HFC-227ea)洁净气体灭火系统设计规范》，由于我国至今尚未出台FM-200灭火介质的国家标准，因此在现阶段暂时按以上两规范作为参考进行设计。
2.2 系统选择
该水电站的中央控制楼有11个防护区需要采用气体灭火设备，若采用独立系统，则不仅消防设备的用量大及所占用空间的增加，而且增大了系统的投资，势必造成重复设置和浪费。因此,电站气体灭火系统根据规范采用全充满式组合分配系统，即按最大1个防护区的所需灭火介质的用量来进行设备配置，用选择分配阀通过管路将灭火介质输送到各相应的保护区。由于电站的防护区有11个，虽不考虑2个以上防护区同时发生火灾，但根据上述规范，当防护区大于8个时，灭火介质应设置与设计用量相等的备用量。该电站就是按此原则进行设计的。
2.3 各防护区灭火介质用量确定
要确定防护区的灭火介质用量，首先要根据防护区所保护的对象选用合适的灭火浓度。为此，先根据规范②选取灭火浓度，再按下式计算出设计药剂量。
式中，w为设计药剂用量，kg；v为防护区净容积，m3；s为蒸气比容，m3/kg,s=0.126 9+0.000 513 t；c为药剂设计浓度，%；k为气压修正系数；t为防护区温度，℃。取设计温度t=20℃, 则s=0.126 9+0.000 513×20=0.137 16 m3/kg。
2.4 储气钢瓶选择
对于独立系统，设备选择比较简单,只要根据防护区的介质用量选择相当储气量的钢瓶就可以了。如：计算出的防护区灭火介质用量为76.45 kg，再考虑管道剩余量，即可选择储气量为80 kg的钢瓶1只。由于本系统为组合分配系统，系统中钢瓶的规格参数必须相同，且一只钢瓶启动后，必须将其内的灭火介质全部喷出，因此储气钢瓶的选择，不仅要考虑到技术上的合理，还要考虑到节省投资。
由于组合分配系统的这种特殊性，决定了各防护区的实际灭火浓度与设计浓度不可能相等，但储气钢瓶的选择应使实际浓度与设计浓度的差值尽可能地小。棉花滩水电站最大一个防护区的灭火介质用量计算值为542.5 kg，考虑到管道剩余量等，按580 kg选用储气钢瓶，可选用充装量为115 kg的钢瓶5只，或充装量为60 kg的钢瓶10只。各防护区灭火介质设计用量与实际用量的比较见表1。
从表1可知，不论在技术上还是在经济上，选用5只(115 kg)钢瓶要比选用10只(60 kg)钢瓶方案合理得多，因本系统选用充装量为115 kg的钢瓶5只。
2.5 灭火总管直径确定
要确定管路直径，首先要确定通往各防护区的管道流量，要确定管道流量就要知道各防护区灭火介质的喷射时间。喷射时间可根据规范②中的规定进行选取，再根据喷射时间计算出管路流量，然后根据管路流量在规范②中的水力计算图中查出相应的管径。本系统的管路初步选用结果见表2。
2.6 泄压口面积计算
由于需要在10 s内将大量的气体释放到房间内，房间内的空气不能及时排出，这就使房间内的压力突然增大，如房间围护结构的强度不足，就会造成围护结构(通常是最薄弱的窗户等)的破坏，这时灭火介质也会迅速逸出围护结构，严重影响灭火效果，因此在房间内设置泄压口是必要的。但当围护结构不是全密封时，如围护结构设有弹簧门等(当压力大到一定程度时门会自动打开)，这种情况可以例外。泄压口面积的计算公式如下：
式中，Fx为泄压口面积，m2；Q为灭火介质喷射流量，kg/s；Pf为围护结构的耐压强度，Pa，棉花滩水电站房间围护结构的耐压强度为2 000 Pa，计算结果见表3。
由于FM-200介质的密度比空气大，在灭火时灭火介质将空气向上压，因此泄压口应布置在围护结构的2／3高度以上。泄压口应装有泄压阀，在系统启动喷射时打开，喷射完毕后关闭。棉花滩电站气体灭火系统的每个防护区均设有泄压阀，泄压阀为电动阀，由火灾报警系统控制。
2.7 管路布置和水力计算
(1)管路布置。一般对于全充满式组合分配气体的灭火系统来说，应将除喷头和输送管路之外的所有组件布置在1个固定的房间内，通过管路输送到各个防护区，储气钢瓶距末端(一般指喷头)的距离越近越好，弯头越少越好，不可采用四通，两个三通(或三通与弯头)之间的距离应满足规程规定的要求，这样可以减少压力损失。棉花滩水电站的气体灭火设备布置在一楼的专用房间内，通过管道竖井将灭火介质输送到3到6楼的11个防护区内。
(2)水力计算。FM-200气体灭火系统的压力等级有两种，一种是2.5 MPa，另一种是4.3 MPa，用户可根据自己的要求选取(一般根据厂家推荐或经水力计算确定)，棉花滩水电站采用4.3 MPa。由于FM-200气体为储存在钢瓶内的液态，释放后管路中的流态为气液二相流，用普通的方法很难准确3f27计算，通常采用消防设备厂家的专用计算程序计算。计算的目的是要算出管路系统的压力损失，以确定喷头前的压力值。根据管路布置确定管道内剩余灭火介质量，如果实际灭火介质量减去管道剩余量后，其数值小于设计灭火介质量，可能要重新调整储气钢瓶的充装量。棉花滩水电站的气体灭火系统的水力计算由厂家利用专用程序计算确定。
2.8 喷头选择和布置
在水力计算完成后就可进行喷头的选择，喷头的种类有180°和360°两种，当喷头靠墙布置时，选用180°喷头，布置距墙较远时选用360°喷头。喷头形式选好后，就可根据围护结构的灭火流量选取合适的喷头数量。可由房间内的总流量和所选用的单个喷头的流量来确定喷头数量，喷头的数量最好选为偶数，以便对称布置。气体灭火管路一般布置在房间吊顶内，如果房间吊顶较高(根据规程中的规定)，其吊顶内也必须装设喷头，喷头的数量根据吊顶内所需要的灭火介质量确定。棉花滩水电站气体灭火系统在吊顶内和吊顶下均装设了喷头。
2.9 系统组件
电站气体灭火系统主要由灭火剂钢瓶组(包括瓶头阀组)、启动钢瓶组(一般为氮气)、控制柜 、液体单向阀、连接高压软管、喷嘴、安全阀、集流管、压力信号器、选择分配阀、主备用气控阀 、气体单向阀、输送管路及必要的附件所组成，启动采用气动。若采用电磁启动，则可省去启动钢瓶组和气体单向阀及控制管路等，但瓶头阀组中的气动头需改为电动头。如果是独立系统，则选择分配阀也可省去。
2.10 系统控制
棉花滩水电站的气体灭火系统有3种控制方式，即：自动控制、手动控制和机械应急启动。
(1)自动控制。其控制顺序为：
① 当感烟探测器动作后，将火灾信号发至消防控制中心，由消防控制中心进行火灾报警并显示相应探测区；
② 当同一区域的感温探测器动作后，将火灾信号发至消防控制中心，由消防控制中心发出联动信号，关闭有关的送排风机和防火阀等；
③ 启动储气钢瓶释放气体灭火，打开泄压阀并反馈所有信号，释放完毕后关闭泄压阀。
(2)手动控制。其控制顺序为：
① 当感烟探测器动作后，将火灾信号发至消防控制中心，由消防控制中心进行火灾报警并显示相应探测区；
② 经值班人员确认后，在消防控制中心发出启动钢瓶指令，同时发出联动信号关闭有关的送排风机和防火阀等；
③ 启动储气钢瓶释放气体灭火，打开泄压阀并反馈所有信号，释放完毕后关闭泄压阀。
(3)机械应急启动方式。其控制顺序为：
① 当发生火灾时，由于事故等原因采用上述两种方法均无法启动时，可手动开启该层警笛并反馈所有信号；
② 手动关闭有关的送排风机和防火阀等 ；
③ 用手动直接启动储气钢瓶释放气体灭火，打开泄压阀并反馈所有信号，释放完毕后关闭泄压阀 。
一般来说，气体灭火系统的火灾探测器和控制系统应独立设置，这样不会与其他系统发生相互干扰，以保证该系统的准确动作。由于棉花滩电站设有一套完备的火灾报警系统，为使设备充分利用而避免重复设置，经各设备供货商同意，采用火灾报警系统对气体灭火系统进行控制，以节省投资。
3 结语
棉花滩水电站将FM-200气体灭火系统首次应用于水电厂中，通过工程实践，今后必将在我国水电工程中得到广泛应用。FM-200灭火介质约在1995年引入我国，那时仅有美国大湖公司独家生产，系统造价也相当昂贵，但随着HALON灭火剂的全面禁用，FM-200又是HALON灭火剂最好的替代品，在我国的一些消防设备厂家中引进该项技术，目前已具备了生产能力，其价格与国外相比也便宜了很多。目前，我国尚无FM-200气体灭火系统的国家标准，估计在不久以后将会有国家标准正式出台，届时将会促进该系统的广泛应用。
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