船用高低压二氧化碳灭火系统应用比较

段玉龙 任飞华

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船用高低压二氧化碳灭火系统应用比较

段玉龙 任飞华

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

从系统组成、系统设计要点等方面对船用高低压二氧化碳灭火系统进行简要介绍及比较，并以18 000标准箱集装箱船为例，对船用高低压二氧化碳灭火系统的应用进行定量分析。结果表明：低压二氧化碳灭火系统具有占地面积小、安全性能好、控制灵活和再充装时间短等优势，可在一定程度上减少人工成本并增大载货量，因而在大型集装箱船上具有较广阔的市场前景。

船用；二氧化碳；灭火系统；系统组成；系统设计要点

引 言

随着船舶运输队伍的不断壮大，船舶市场竞争日趋激烈，为获取较大的市场份额，降低运输成本，大型集装箱船不断涌现。按照规范要求需保护舱室的容积越大所需配备的二氧化碳灭火剂量也越大。低压二氧化碳灭火系统因较轻、占地面积较小和再充装时间较少等优势，在大型集装箱船舶上得以应用。本文主要对船用高低压二氧化碳系统的组成及设计要点进行相关介绍，并以18 000标准箱集装箱船为母型船，就高低压二氧化碳灭火系统在大型集装箱船上的应用进行比较。

1 系统简介

二氧化碳灭火系统按照储存方式可分为低压二氧化碳灭火系统（以下简称为“低压系统”）和高压二氧化碳灭火系统（以下简称为“高压系统”），高压系统是指二氧化碳在常温下储存的系统，低压系统是指二氧化碳在-20℃～ -18℃温度下储存的系统［1］。当发生火灾时，高低压系统均是通过降低防火区域内氧气含量以窒息作用来实施灭火。

2 系统组成

二氧化碳灭火系统主要由储存装置、分配系统、释放系统和火灾探测报警系统等组成［2］。

2.1 储存装置

低压系统与高压系统最大的不同就在于储存装置。高压系统的储存装置主要由储存钢瓶、安全阀、容器阀、手气启动器等组成［3］；而低压系统的储存装置主要由储罐、氮气稳压单元、制冷机组、安全阀、液位及压力传感器、充装口等组成［4］。

高压系统的储存装置采用的是钢瓶，钢瓶规格一般为40 L、68 L、80 L等几种，充装密度为0.67 kg/L，充装量分别为26.5 kg、45 kg、53.5 kg，设计工作压力应不小于15 MPa。当系统所需二氧化碳量较大时，由于每个钢瓶内二氧化碳充装量有限，所需钢瓶数量较多，设备间占地面积较大。

低压系统的储存装置采用的是储罐，储量相对较大，可充分利用高度空间，有效减少占地面积，储罐设计压力应不小于2.5 MPa。由于二氧化碳是以-20℃～ -18℃低温液态形式储存在储罐中，为防止罐内压力随温度的升高而气化，导致罐内压力升高、安全阀起跳、损失二氧化碳储量，因此储罐除具有保温作用外，还需配备两套制冷机组（一用一备）。当罐内压力超过设定值时，制冷机组将自动投入运行，通过降低罐内温度,使罐内气态二氧化碳浓度及压力降低。储罐一般由内胆、绝热层及外保护层构成，内胆采用耐低温材料制成，绝热层主要采用聚氨酯发泡制成，为防止水蒸气侵入，破坏保温效果，绝热材料外还需包覆一层保护层，一般采用不锈钢板或热镀锌钢板制成。其中绝热层的保温效果应能保证当罐内压力等于制冷压缩机组切入压力，环境温度为45℃时，在制冷压缩机组停机后24小时内，储罐内压力不超过安全阀起跳压力。

2.2 分配系统

分配系统主要由先导控制器、主阀、分配阀、管道、安全阀及喷头组成。高低压系统的二氧化碳分配系统相似，主要区别在于低压系统的主阀及分配阀是由储罐内二氧化碳气体驱动，而高压系统的主阀及分配阀是由释放控制箱内氮气瓶驱动。

2.3 释放系统

船用二氧化碳灭火系统释放方式与陆用不同，仅分为手动释放及应急释放两种，绝不可设有自动释放方式。船用二氧化碳灭火系统释放控制主要分为两个步骤，首先打开需释放二氧化碳处所的分配阀，然后打开主阀（低压系统）或容器阀（高压系统）。开启顺序不可颠倒，且须设置机械或电子连锁。高低压系统的释放方式相似，主要不同在于二氧化碳释放时，高压系统必须一次性将被保护区域所需二氧化碳释放完毕；而低压系统通过灭火控制器来控制被保护区域所需二氧化碳释放量，且可对同一区域实施多次喷放，其主要控制方式有时间控制、液位控制以及流量控制等。

2.4 火灾探测报警系统

船用高低压系统的火灾探测报警系统相同，货舱主要采用抽烟式火灾探测系统，抽风机将各被保护处所内空气经过各自独立的管路抽送至火灾探测器内，来分析判断是否发生火灾。当火灾探测系统借用二氧化碳释放管路作为抽烟管时，则二氧化碳喷头应布置在距被保护处所顶部水平高度12 m范围内。

3 系统设计要点

3.1 储存间设计要点

高低压系统对于储存间的设计要求是相似的，具体如下：

（1）因二氧化碳压力随温度变化比较剧烈（见图1），为防止热传导或热辐射导致储存间内温度高于45℃，需对其作绝热保护，且应安装温度计，以便检查内部温度。对于高压系统，当船舶航行过程中，若无法保证二氧化碳间内温度高于规范要求温度（如GL规范要求20℃），则需对二氧化碳间采取适当的保温措施。

（2）二氧化碳间绝不能布置在防撞舱壁之前，应尽可能布置在开敞甲板上；若需布置在开敞甲板以下，则不可超过一层甲板高度，且必须设置专门的直通开敞甲板的楼梯。另外，二氧化碳间不可与机舱及生活舱室直接连通，其房门应带锁且为向外开启型。

（3）二氧化碳间应具有充足的通风。若布置在开敞甲板下，则应装有机械通风设备并保证每小时通风量不小于其体积的6倍。其排气管应伸直至房间底部。其他处所不可与二氧化碳间通风系统相连通。

3.2 管系设计要点

高低压系统管系设计要求的相同点是：

（1）二氧化碳管路需作防腐蚀处理，一般采用镀锌无缝钢管，尺寸及壁厚应符合相关规范要求。

（2）二氧化碳管路中需设置适当的弯头或补偿器以防止热膨胀导致管路变形。管路连接主要采用焊接或套筒连接等方式，螺纹连接仅可用在被保护处所内，而穿过生活处所及压载水舱的管路仅可采用焊接方式，管路不可穿过冷藏间。

（3）二氧化碳释放管路上应设有带止回阀及截止阀的压缩空气接头，以检验管路流通性及吹除管内杂质。

（4）系统封闭管路上（如主阀与分配阀之间）需设置安全阀，并通至开敞甲板上。

（5）管系设计应能保证被保护处所对二氧化碳释放时间的相关要求，如在机舱内，系统应能在2 min内，至少将85%所需二氧化碳量释放完毕，在集装箱货舱内，系统应能在10 min内，至少将2/3所需二氧化碳量释放完毕。

高低压系统管系设计要求的不同点是：

（1）高压系统的气瓶与分配阀之间的管路试验压力至少为15 MPa［5］，而低压系统的储罐与分配阀之间的管路试验压力至少为1.5倍的安全阀起跳压力。通过生活处所的高低压系统二氧化碳管路试验压力至少为5 MPa，其他管路为1 MPa。在管路压力试验时，水不可用作压力试验媒介。

（2）对于低压系统，储罐需设置二氧化碳充注管及压力平衡管，并通至船舶左右舷甲板上。另外，每个储罐上均需设置带有截止阀的两个独立安全阀（一用一备），截止阀需连锁。安全阀的设定压力应至少高于制冷机组切入压力的10%，其截面积应能将火灾导致储罐内所产生的过量气体，通过透气管排至大气中，并保证罐内压力不超过安全阀设定压力的20%。

（3）低压系统制冷机组需配备两台循环冷却水泵（一用一备），其中一台可由用作其他目的的泵作为备用泵，当其投入使用时，不会影响其他重要系统。因制冷机组布置位置相对较高，需对管路压力损失进行计算，以保证冷却水供水压力要求。另外，制冷机组应由主配电板独立供电。

3.3 监控报警系统设计要点

高低压系统监控报警系统设计要求的相同点：

（1）机舱、货舱等人员出入场所应提供声光报警，且需保证被保护处所内所有机械设备运行时，仍可清晰辨别二氧化碳释放报警信号。

（2）为保证人员安全，在释放二氧化碳前需进行预报警，且预报警时间不得小于20 s，只要二氧化碳释放阀处于开启状态，则释放报警需持续报警。

（3）当主电源失效时，应能保证电力报警系统的电力供应正常，若报警为气动，则需保证在任何情况下供气正常。

高低压系统监控报警系统设计要求的不同点：

（1）高压系统中的气瓶安全阀因故爆破时，电控箱需发出泄露报警，泄放管路末端的泄露气笛也将发出声响报警；而低压系统需设置压力传感器对储罐内压力进行实时监测，并带有独立的声光报警；在压力达到安全阀起跳压力前进行高压报警，在低至1.8 MPa前进行低压报警。

（2）对于高压系统，二氧化碳储量主要通过称重装置或超声波装置对气瓶逐个进行检测；而低压系统需设置液位计或液位传感器对储罐内二氧化碳量进行持续检测，当液位也低于设定为10%及以上时，将触发声光报警。

（3）对于低压系统，为保证二氧化碳储罐内压力在1.8～2.2 MPa之间，需配有两套制冷机组（一用一备），制冷机组应由压力开关自动控制，可自动切换，并带有故障报警功能。

4 高低系统实例比较

18 000标准箱集装箱船总长399.2 m、型宽30.2 m、设计吃水14.5 m、服务航速22.2 kn，该船机舱（包括机舱棚）体积为37 476 m3，机舱（不包括机舱棚）体积为32 616 m3，共12个货舱，其中最大一个货舱（NO.6）体积为40 795 m3。

4.1 所需二氧化碳量

根据SOLAS要求，被保护处所二氧化碳混合比例应满足如下要求：

（1）机舱（包括机舱棚）体积—— 35%；

（2）机舱（不包括机舱棚）体积—— 40%；

（3）货舱体积（最大）—— 30%；

式中：Q为所需二氧化碳量，kg；V为二氧化碳保护处所体积，m3；K为二氧化碳混合比例；C为常温常压下每千克二氧化碳对应体积，0.56 m3/kg。

表1为18 000标准箱集装箱船所需二氧化碳计算表。

表1 18 000标准箱集装箱船所需二氧化碳计算

根据表1可知，该船至少需配备二氧化碳23 422.5 kg，而根据该船实际配备二氧化碳总量27 900 kg以及厂家提供数据，可推导出高低压系统在18 000标准箱集装箱船上的应用差异见表2。

表2 18 000标准箱装箱船高低压系统应用差异

4.2 低压系统的优点

厨房电器2018年首次出现负增长，整体销售略显疲态。健康家电增长迅猛，随着人们对健康意识的重视，像吸尘器、扫地机器人、除螨仪等产品销售额增长迅猛，均保持40-50%的增长率。空净行业相比往年呈一蹶不振之势，在市场行情惨淡的情况下，很多大品牌开始收缩空净业务。在大家电市场接近饱和的状态下，具有多样功能的小家电逐渐受到消费者的热捧。个人护理消费群体年轻化，销售火爆。高端市场将成为中国家电企业下一阶段角逐的重要战场。

根据上述内容及表2可知，低压系统与高压系统相比，具有如下优点［6］：

（1）占地面积少，装置总重较轻，可间接增大载货量。

（2）再充装时间较短。低压系统，再充装比较简单，只需将加罐车与充注管及压力平衡管相连接，便可对储罐进行加注。而高压系统再充装时，需将与钢瓶相连的所有管道拆下，才可拆换原有钢瓶，耗时较长，维护成本高，对连接部分造成一定的损伤，使系统安全度降低。

（3）安全性能高。低压系统自检功能比较完善，可实现自动监控，可持续显示罐内压力及液位，并具有高低压力报警、高低液位报警功能，以便及时发现问题并解决问题，保证系统的正常工作。

4.3 低压系统的缺点

低压系统与高压系统相比，具有如下缺点：

因低压系统需配备两套制冷机组，两台冷却水泵，压力检测及液位检测等辅助设备，较高压系统初投资高。但在大型船舶上，对二氧化碳需求量较大时，低压系统初投资与高压系统将相差无几，甚至低于高压系统。

（2）运行成本相对较高

为保证灭火系统的正常工作，低压系统的制冷装置需长期运转，且需人员定期检查，这就在一定程度上增加了系统的运行成本。

5 结 论

目前，低压系统在船舶领域应用较少，主要原因在于初投资以及运行成本较高。随着大型集装箱船舶的不断涌现，低压系统在初投资方面与高压系统的差距越来越小，甚至低于高压系统；并且与高压系统相比，具有占地面积少、安装及控制灵活、自检功能强、安全性能高等优势；总体设计布局上相对方便，在大型集装箱船舶市场上将有较大的应用前景。

［1］刘玥，吴靖，陈兵.高低压二氧化碳灭火系统的比较［J］.消防技术与产品信息，2005（9）：26-28.

［2］于磊，张园星，霍有利，等.海上移动平台二氧化碳灭火系统设计［C］//中国造船工程学会2009年度工程学术会议论文集（下册）.北京：中国造船，2009：833-837.

［3］张允宁，贾明鑫，刘松.海上平台二氧化碳灭火系统设计与调试［J］.中国造船，2008（A02）：139-143.

［4］GB 19572-2013，低压二氧化碳灭火系统及部件［S］.北京：中国标准出版社，2014年.

［5］陈如学.海上高压二氧化碳固定灭火系统的初次检验［J］.中国船检，2000（3）：45-47.

［6］卢永勇.低压CO2灭火系统的应用［J］.江苏船舶，2014（4）：20-22.

Application comparison of marine high and low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system

DUAN Yu-long REN Fei-hua
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper brie fl y introduces and compares the marine high and low pressure carbon dioxide fi reextinguishing systems with the system composition, system design points, and so on. It also carries out the quantitative analysis of the high and low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system of a 18 000 TEU container ship. The results show that the low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system has the advantages of small occupied area, good safety performance, fl exible control and short re fi lling time. Therefore, the low pressure carbon dioxide fi re-extinguishing system has relatively broad market prospect due to the reduced labor costs and the increased loading capacity.

marine; carbon dioxide; fi re-extinguishing system; system composition; system design points

U664.88

A

1001-9855（2017）01-0055-05

2016-07-02；

2016-08-10

段玉龙（1988-），男，硕士，助理工程师。研究方向：轮机工程。任飞华（1981-），男，工程师。研究方向：轮机工程。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.055