基于NFPA标准的水泥厂电力室IG 541消防设计探讨

2016-09-23宣轶群吕祥瑞张平

水泥技术 2016年3期

宣轶群，吕祥瑞，张平

宣轶群，吕祥瑞，张平

国外水泥厂电力室消防设计要求较高，通常采用自动气体灭火系统且符合NPFA标准。本文在论述IG541气体组成、灭火原理以及IG541灭火系统组成和流程的基础上，结合国外某水泥工厂电力室的IG541灭火系统的实际工程经验，着重探讨了基于NFPA 2001-2012 Standard on Clean Agent Fire Extinguishing Systems标准下（以下简称NFPA2001）的IG541气体灭火系统在水泥工厂电力室消防中的应用。

NFPA；IG541；水泥行业；电力室；自动灭火系统设计

1　引言

随着国内水泥行业日趋饱和，该行业的从业者越来越多地走向国际市场。中国水泥行业工程公司要在国际市场树立自己的品牌和声誉，就必须学习和掌握国际标准，以便更好地应用于国外水泥项目的投标、合同谈判与执行。国外市场业主雇佣的咨询公司对设计进行审查，其中消防部分的设计一般明确要求符合美国防火协会标准（NFPA）的条款［1］。NFPA是美国防火协会（National Fire Protection Association）的英文简称，该协会是一个国际性的技术与教育组织，不仅拥有众多美国国内学会、协会等组织的集体会员，而且还有八十多个其他国家的会员［1］，在世界范围内得到广泛认可。

国外水泥厂业主对电力室消防十分重视，通常要求采用IG541灭火系统并符合NFPA 2001标准，因此本文着重探讨NFPA 2001在水泥厂电力室IG541消防设计方面的应用。

2　原理

表1　IG541灭火系统组成

2.1IG541灭火剂的组成、灭火机理、特点及适用条件

IG541是由三种气体组成的混合物，其主要成分为52%氮气（N2）、40%氩气（Ar）和8%二氧化碳（CO2），密度接近于空气［2］。

IG541灭火机理为物理灭火方式（冷却灭火、窒熄灭火）。该药剂释放后将保护空间的CO2浓度提高至2%～4%，同时保护空间的氧气浓度由21%稀释到12.5%（当氧气浓度降到15%以下时大多数普通可燃物即停止燃烧），从而使火被扑灭［2，3］。

IG541特点及适用条件［3，4，5，6］：

（1）IG541是一种无色、无味、无毒的混合气体，使用过程不破坏大气臭氧层，对环境无任何不利影响；

（2）洁净灭火，灭火后不留痕迹；

（3）适用于有人滞留的场所，释放过程中能见度不会降低，因此容易找到逃生路径；

（4）能够持久保持灭火所需的浓度；

（5）不含水性物质，不导电，不会破坏电器设备、磁带、资料等；

（6）IG541适用范围广，可用于A、B、C类及电气火灾，且灭火效果较好。

图1　IG541系统灭火流程图

表2　IG541灭火剂的设计浓度和最低灭火浓度*

2.2IG541灭火系统的组成及灭火流程图

IG541灭火系统可分成两部分，即药剂储存和喷放设备、报警和控制设备［7］，两部分的具体组成见表1。

一般的IG541气体灭火系统，根据实际需要选择采用表1中的部分或全部基本设备［3］。将表1中设备有机地结合起来构成一个完整的IG541灭火系统，其灭火流程见图1［7，8］。

3　NFPA标准IG541系统的设计方法

3.1NFPA标准IG541系统的设计要点

（1）火灾和系统分类［9］

NFPA2001将火灾分为三类：A类（固体火灾）、B类（液体和气体火灾）、C类及电气火灾。NFPA2001又将IG541分为全淹没系统和局部系统，由于水泥厂电力室多以全淹没系统为主，故本文将着重探讨NFPA2001标准IG541的全淹没系统。

（2）设计浓度［9］

IG541灭火剂的用量，主要由火灾性质决定，各类火灾的最低灭火浓度和设计灭火浓度见表2。

表2中A类设计值已包含安全系数1.2，B类设计值已包含安全系数1.3。C类火灾的最低设计浓度应为A类最低灭火浓度乘以安全系数1.35。当含通电危害超过480V，在放电期间和放电后仍带电的空间，其最小设计浓度应通过实验确定，必要时还应有危害分析。

（3）设计喷放时间

喷放时间应定义为，基于20%灭火安全系数，20℃时从喷头喷放95%灭火剂质量，达到最低设计浓度所需时间。

IG541气体灭火剂，达到最低灭火设计浓度95%所需的喷放时间，对B类燃料火灾≯60s，对A类表面火灾或C类火灾≯120s。

3.2主要计算过程

（1）灭火剂需求量的计算［9］

式中：

X——在标准条件（1.013×105Pa，温度20°C）下，单位体积防护区的惰性气体体积

C——惰性气体设计浓度（体积分数）

t——防护区内预期最低温度，°C

NFPA对IG541的灭火剂用量计算时，需要考虑许多客观因素的影响，现主要考虑管网三通和当地海拔高度的影响，IG541灭火剂用量的计算调整如下：

三通调整量计算公式：

海拔调整量计算公式：

式中：

X——同式（1）

V——防护区体积，m3

QDFT——三通调整后的IG541灭火剂用量

QPCF——海拔高度调整后的IG541灭火剂用量

DFT——三通调整系数（见表3）

PCF——海拔高度修正系数（见表4）

（2）管网沿程损失计算

IG541气体释放属于可压缩流体的气液两相流，NFPA2001中规定的管网阻力损失计算只有HFLOW和Hesson公式被认可，实际计算中常采用Hesson公式，如下所示：

最后推算得出：

式中：

ρ——气体密度

α——动能修正系数

λ——沿程阻力系数

dl——长度函数的微分

dp——压力函数的微分

dv——速度函数的微分

Y——压力系数

Z——密度系数

L——管道计算长度

表3　管道三通设计系数

表4　海拔修正系数

（3）泄压口面积计算

由于洁净气体IG541灭火剂的储存压力较高，释放过程中会对防护区的围护结构造成一定冲击，故在封闭严密的独立防护区需设置泄压口，泄压口应位于防护区净高的2/3以上，具体计算公式如下：

式中：

AX——泄压口面积，m2

Qavg——IG541在防护区平均喷放速率，m3/s

Pmax——在该防护区围护结构承受内压的允许压

力，Pa

4　计算示例

4.1灭火剂用量计算

以印度尼西亚某水泥厂电力室为例，该电力室仅存在一个防火区域，尺寸为：长×宽×高（单位，m），9.85× 6.9×6，其中高度1m以下为电缆夹层，高度1m以上为低压配电室，其净空高度为5m。项目所在地属于热带气候，最低气温约为15℃。

（1）最小设计灭火剂用量

电力室为C类火灾。设计灭火浓度取38.5，防护区域体积为：407.79m3。

（2）三通调整灭火剂用量

设计系数三通数量为2个，由表3可得：DFT=0

（3）海拔高度调整灭火剂用量

4.2管网计算

根据NFPA-2001的IG541喷头布局要求，结合本电力室高度1m以下为电缆夹层，高度1m以上低压配电室的净空高度为5m，故喷头以高度1m为界分成两层布置，平面布置如图2、3所示。

IG541系统灭火剂的释放属于可压缩流体的气液两相流［7，8，9］，NFPA规定管网计算要与设备选型配套，且业主要求消防设备必须通过保险公式的认证。故此次设计与国外经保险公司认证的某著名消防设备厂商合作，采用其设备和相关配套计算软件，经计算得到该电力室的IG541气体灭火系统设备参数（见表5）。

根据软件计算结果，绘制成该电力室灭火系统（见图4）。

表5　低压电力室的IG541气体灭火系统设备表

图2　电缆夹层IG541喷头平面布局图

图4　IG541灭火系统管径尺寸图

5　结语

NFPA标准下的IG541气体灭火系统的设计及计算是一项非常复杂的工作，笔者在认真研读NFPA2001及相关规范的基础上，虽然能够完成IG541灭火系统设计的基本需要，但是由于NFPA2001标准规定IG541设计和计算必须与相应厂家的实际设备相结合，具体的各设备公司的计算参数和计算公式也略有不同，加之国外消防设备公司的设计软件涉及有关保密资料，因此未能提供详尽计算过程。基于NFPA规范的IG541设计仍需深入探究，以便更好地为中国水泥行业走向国际舞台服务。