阿根廷LB电站发电机CO2灭火系统设计

2019-05-07马果张丽敏

水利水电工程设计 2019年4期

马果张丽敏

在国际工程设计时，设计人员要重新了解、学习、掌握国际标准与中国标准的不同。发电机灭火标准就是其中的一项。与中国采用水喷雾灭火不同，国外一般执行NFPA12标准，发电机采用CO2灭火。

1 CO2灭火系统的特点

国内水电站发电机消防设计中常采用水喷雾灭火，但国外水电站尤其是美国、欧洲电站一般采用发电机CO2灭火。CO2灭火剂具有无色无味、比空气重、无毒、无腐蚀、成本低、灭火性能稳定、灭火效率高、绝缘性好等特点，主要是通过稀释氧浓度、窒息燃烧和冷却物理作用灭火。与水喷雾灭火系统比较，CO2灭火后发电机可维修后再使用，节约成本。即使误动作，机器无损伤。但是CO2灭火系统设计较复杂，而且如果误动作时，有人在检修发电机或者在发电机机坑附近，有可能窒息。

2 系统设计

CO2灭火系统从结构形式上可分为单元独立系统和组合分配系统、可根据需要实施对单一防护区或多个防护区的消防保护。根据NFPA12规范要求，最多4台发电机共用1套能满足单台发电机消防用量的CO2消防系统。组合分配系统是指1套灭火装置对多个防护区实施消防保护的灭火系统，其系统灭火剂用量必须满足最大防护区的消防保护需要，该方式具有节省资金，保护效率高等特点，应用广泛。阿根廷LB电站共3台发电机，采用组合分配方式，共用1套CO2消防系统，且CO2钢瓶数量按照1∶1备用。发电机CO2灭火系统包括自动报警灭火控制系统、灭火剂储瓶、瓶头阀、启动气体储瓶、电磁瓶头阀、选择阀、称重装置、单向阀、压力开关、框架、喷嘴、管道等设备组成。图1为组合分配式灭火系统结构示意图。

3 参数计算

LB电站共设3台单机容量120 MW的发电机，机坑内净空间按照机坑体积减去定、转子体积（定、转子重量除以铜的密度)来估算，经计算机坑内净空间约800 m3。

发电机CO2消防系统分为主喷放阶段和延续喷放阶段。根据NFPA12《Standard on Carbon Dioxide Extinguishing Systems》要求，对于采用密闭循环冷却的电气设备，当保护体积小于等于56.6 m3，主喷放阶段排放量不小于1.6 kg/m3，当保护体积大于56.6 m3，主喷放阶段排放量为1.3 kg/m3，或最低用量不得小于90.8 kg。主喷放时间为1 min。续放时，最小灭火浓度应保持在30%，不得少于20 min。CO2使用70 L、42 kg容量钢瓶储存，钢瓶储存间平均温度约为20℃，钢瓶设计压力为15 MPa。

3.1 主喷放阶段钢瓶数量计算

根据NFPA12 A.5.5.3，保护体积800 m3，

式中 V——消防体积，m3；

M1——主喷放阶段所需CO2质量，kg；

K——体积系数，取1.3 kg/m3；

N1——CO2主放储瓶数。

钢瓶数量取25个，考虑1∶1备用，则实际数量为50个。

3.2 延续喷放阶段钢瓶数量计算

根据NFPA12规范，表A.5.5.3(b)密闭式空气循环电气设备续放用量表（续放时保护体积）（单位m3），气体30%浓度维持20 min，查表插值计算得：

钢瓶数量取17个，考虑1∶1备用，则实际数量为34个。

式中 M2——CO2续放设计用量，kg；

图1 组合分配式灭火系统结构示意图

N2——CO2续放储瓶数。

3.3 主喷放管路以及延时喷放管路管径选择

式中Q——管路中的平均流量，kg/min；

D——管路直径，mm；

T——喷放时间，min；

M——CO2量，kg。

主喷放系统管径取65 mm。延续喷放系统管径取15 mm。

3.4 管路材质及壁厚选择

管路材质一般根据合同要求确定。合同没有要求的，可以使用不锈钢管、焊接钢管，若使用焊接钢管要内外镀锌，个别项目业主要求不能内镀锌，但可以涂防锈油漆，根据合同要求执行。管路安装完毕后需要进行打压试验，一般钢管均可承受，若合同已经规定的管路腐蚀厚度，应根据管路壁厚计算公式计算，然后选择钢管厚度。公式如下：

式中δ——管路壁厚，mm；

P——管路设计压力，MPa；

D——管路公称直径，mm；

σ——设计工作温度下材料许用应力，MPa；

c——腐蚀厚度，mm；

S——制造偏差取15%管路壁厚，mm。

3.5 灭火后气体抽离系统

发电机灭火后，需要从发电机机坑内将CO2抽离，并且排出室外。在机坑内设置风机，将多余的CO2气体排至厂外尾水平台。

4 系统控制

4.1 自动控制

将报警灭火控制器上控制方式选择键拨到“自动”位置时，灭火系统处于自动控制状态，当防护区发生火情，感烟探测器与感温探测器同时发出火灾信号，报警灭火控制器即发出声、光报警信号，同时发出联动指令，关闭联锁设备，经过一段延时时间，发出灭火指令，打开电磁瓶头阀释放启动气体，启动气体通过启动管道打开相应的选择阀和瓶头阀，释放灭火剂，实施灭火。

4.2 电气手动控制

将报警灭火控制器上控制方式选择键拨到“手动”位置时，灭火系统处于手动控制状态。当防护区发生火情，可按下手动控制盒或控制器上启动按钮即可按规定程序启动灭火系统释放灭火剂，实施灭火。在自动控制状态，仍可实现电气手动控制。

4.3 机械应急操作

当防护区发生火情，而控制器不能发出灭火指令时。应通知有关人员撤离现场，关闭联动设备，然后拔出相应电磁瓶头阀上的安全插销，操作手柄即可打开电磁阀，释放启动气体。启动气体打开选择阀、瓶头阀、释放灭火剂，实施灭火。

4.4 紧急停止操作

当火灾警报已发出，在延时时间内却发现有异常情况，不需启动灭火系统进行灭火时，可按下手动控制盒或控制器上的紧急停止按钮，即可阻止控制器灭火指令的发出。

5 主要设备及操作

5.1 瓶头阀

瓶头阀安装在灭火剂储瓶上，用以密封储瓶内的灭火剂。火灾时，一般由启动气体将瓶头阀打开，释放灭火剂，实施灭火。

瓶头阀具有气体启动和机械手动两种开启方式。气体启动由启动气体推动驱动缸中的活塞杆，顶开瓶头阀手柄，开启瓶头阀；机械手动是人工扳动瓶头阀手柄，开启瓶头阀，该方式在紧急情况下采用。

5.2 电磁瓶头阀

电磁瓶头阀安装在启动气体储瓶上，用以密封启动瓶内的启动气体。火灾时，控制器发出灭火指令，激发电磁瓶头阀内的电磁铁动作，打开电磁瓶头阀，释放启动气体，启动气体通过启动管路打开相应的选择阀和瓶头阀，释放灭火剂，实施灭火。

电磁瓶头阀具有电启动和机械手动两种开启方式。电启动由控制器发出开阀指令，使电磁铁动作，打开电磁瓶头阀；机械手动是手动拔除插销，向上扳动手柄，打开电磁瓶头阀。在机械手动之前应拔除插销，否则将不能实施机械手动。

5.3 选择阀

选择阀安装在集流管上，进口与集流管连接，出口与灭火剂输送管道连接。选择阀主要用于组合分配系统中控制灭火剂流动方向，保证灭火剂进入发生火灾的保护区。

选择阀平时关闭。火灾发生时，启动气体进入选择阀驱动缸，推动缸内活塞，通过连杆机构动作，使选择阀压臂敞开，此时选择阀已处于开启状态。接着启动气体又打开瓶头阀，释放灭火剂，通过选择阀送入保护区，实施灭火。

6 设计中应注意的问题

（1）采用组合分配系统，NFPA12中未明确要求系统设置备用量；GB 50193—2018《二氧化碳灭火系统设计规范》根据系统规模不同，要求一定的备用量。可以根据当地灭火剂是否方便重新灌装、是否违反当地的强制性要求，以及从工程的安全性和经济性角度综合考虑，设置气体灭火系统的备用量。阿根廷JC水电站发电机灭火系统CO2钢瓶数量按照1∶1备用。

（2）为防止系统误动作时，有人在检修发电机或者在发电机机坑附近，导致窒息，在设计时应有专门的保护检修人员措施。在发电机机蹲外的进气管道上设置隔离球阀，阀门一般处于常开状态，当有人员要进入机组检修时，手动关闭隔离球阀后进入，防止误喷，保护人员安全。隔离球阀带微动开关并传至中控。

（3）由于气瓶压力较大，布置时应尽量布置在独立的房间，或者有一定安全距离的位置，并应有明显警示标志。