火电厂气溶胶自动灭火技术的研究与应用

张 达

（国家电投江西贵溪发电有限公司，江西贵溪335400）

0 引言

近年来，随着国内城市化进程的逐步推进，电缆发生火灾事故的风险也在不断上升[1，2]，由于火电厂对厂内电力系统的安全性与可靠性要求较高[3]，一旦电缆发生火灾事故不仅会对人员、设备财产安全造成极大的影响，还容易造成火电厂机组停运，进而严重影响到社会用电的可靠性。目前多数火电厂针对火电机组的电缆桥架、电缆层、电缆井、电缆隧道、电缆沟等电气设备空间大多采用传统的干粉式灭火装置[4，5]，无法在第一时间发现、扑灭火情，对于无人值守、少人巡守的燃煤火力机组难以满足电气设备的相关防护需求。

考虑到火电厂燃煤火力机组高压电缆较多，其灭火介质必须具备绿色环保、清洁高效、自动响应、启动可靠等特点[6]。本文采用了基于S型气溶胶自动灭火技术的电缆夹层火灾防护区改造方法，通过配置气溶胶自动灭火装置，可实现安全、可靠、洁净、经济的气体灭火系统，同时结合贵溪发电厂的设备运行环境提出了燃煤火力机组电缆夹层火灾防灭火方案，并通过现场模拟试验，验证了改造方案的可行性与有效性。

1 气溶胶自动灭火系统

1.1 系统原理及结构

气溶胶自动灭火系统由气溶胶灭火装置、气体灭火控制器（或启动器）、火灾探测器、声光报警器、手动启停开关、释放显示灯、备用电源及开口自动关闭装置等组成，如图1所示。当布设于防护区的火灾探测器仅接收到感温探测器或感烟探测器的单个火情信号时，可触发气体灭火控制器或启动器，使之仅发出火灾声光预报警信号；当感烟和感温火灾探测器同时被触发，并向气体灭火控制器或启动器同时发出信号时，气体灭火控制器或启动器开始发出声光报警信号并催促防护区人员尽快撤离，同时系统生成联动控制信号可使防护区内的空调机、换气扇等电气设备停止工作。

图1 气溶胶灭火系统工作原理图

火警认证成功后，气溶胶灭火系统可在设定的延时时间内通过控制器输出启动电流信号给各释放点的灭火装置，激活气溶胶灭火剂在发生器内产生化学反应，并依靠热气溶胶灭火装置向防护区内释放气溶胶灭火剂扑灭火灾。同时，气溶胶灭火产生的热量将使系统内置反馈元件闭合，并通过控制系统反馈给气体灭火控制器或启动器，以此实现火情的全景监测。

1.2 系统灭火机理

由于不同的灭火剂具有不同的灭火机理，可根据物质燃烧的四大要素将各类灭火剂的灭火机理分为隔离、窒息、冷却与化学抑制四类，不同灭火剂的灭火机理如表1所示。

表1 不同灭火剂的灭火机理

由于气溶胶中固体颗粒主要为金属氧化物，其进入火灾区后在高温下会迅速分解产生强烈的吸热反应，同时由于气溶胶中的固体颗粒及其微小，在火焰中被加热后发生裂解和气化的同时仍有大量的微粒未被裂解、气化，通过与体积较大的火焰中的活性基团发生碰撞，利用链式反应将活性基团瞬时吸附，起到消耗燃烧活性基团、抑制火焰燃烧的效果。

根据上述分析，本文采用的气溶胶自动灭火系统是以物理冷却、化学抑制两种灭火机理同时对火焰进行全淹没式扑灭，其瞬间产生的大量惰性气体会迅速稀释空气中的氧气浓度，同时通过化学性抑制消耗燃烧活性基团，达到切断火焰燃烧链的作用，实现快速灭火。

2 燃煤火力机组电缆夹层改造技术措施

2.1 S型热气溶胶灭火装置

贵溪发电有限公司燃煤火力机组电缆夹层火灾防护区改造，旨在确保自动灭火装置能够安全、可靠、洁净、经济地保护电缆夹层内的电气设备。综合考虑各类灭火剂灭火机理的优缺点，由于S型热气溶胶灭火剂具有化学生成物不导电、药剂吸湿率低、气溶胶固体含量少、药剂安全性能较好等特点，现场采用S型气溶胶灭火装置安装于电缆夹层防护区。当电缆夹层发生火情时，通过释放阀门喷射的热气溶胶生成物质中的固体颗粒具有不吸水、不含有氯和硫等酸碱物质的特性，不会对电气设备及金属材质产生腐蚀性二次损害，同时其沉降物绝缘电阻大于200 MΩ，远大于沉降物电阻值不小于20 MΩ的行业技术标准，且灭火装置可在常温下贮存，占地空间小便于施工、安装与维护。

通过有金属屏蔽层的电缆将气体灭火控制器与防护区内的S型热气溶胶灭火装置连接，当发生火灾时灭火装置能够接受控制器发出的启动信号，进而引发热气溶胶发生剂生成气溶胶灭火剂从喷口向外喷射释放而扑灭火灾。其主要技术参数及装置结构示意见表2、图2。

表2 S型热气溶胶灭火装置技术参数

图2 S型热气溶胶灭火装置结构示意图

2.2电缆夹层火灾防护区改造方案

针对贵溪发电有限公司2×300MW与2×640MW共4台燃煤火力机组开展电缆夹层火灾防护区技术改造，现场采用的改造接线方案如图3所示。其中在传统气溶胶灭火系统的基础上配置了手自动转换开关与紧急启动/停止按钮，当防护区内人员发现火情而系统并未发出火警声光预报警信号时，可通过击碎气体灭火控制器或手动按压控制器面板上紧急启动按钮，实行人工紧急启动，此状态下系统将立即实施启动程序并在规定延时时间内启动S型热气溶胶灭火装置扑灭火灾；当防护区内人员确认火情为误报警或者在延时时间内火情已熄灭时，亦可通过手动按压控制器面板上紧急停止按钮立即终止型S热气溶胶灭火装置释放灭火剂。

图3 电缆夹层火灾防护区改造接线方案

根据《气体灭火系统设计规范》GB50370—2005中的技术规范要求，电缆隧道（夹层、井）及自备发电机房发生火灾时，S型和K型热气溶胶的灭火设计密度不应小于140 g/m3。需要结合电缆防护区的净容积大小合理配置S型热气溶胶灭火剂的设计用量，具体计算公式如式（1）所示。

式中：W为S型热气溶胶灭火剂的设计用量，kg；C为S型热气溶胶灭火剂的设计灭火密度，kg/m3；V为防护区的净容积大小，m3；KV为容积修正系数。其中当V＜500 m3时，KV取值 1；当 500 m3≤V＜1 000 m3时，KV取值1.1；当V≥1 000 m3时，KV取值1.2。

以1号机组6 kV电缆夹层为例，其火灾防护区面积约为 252 m2，层高为 2.4 m，净容积为1 152 m3，如图4所示。取S型热气溶胶灭火剂的设计灭火密度为140 g/m3=0.14 kg/m3，结合式（1）可得1号机组电缆夹层所需配置的S型热气溶胶灭火剂用量为W=0.14×1.2×1152=193.54kg，考虑到电缆夹层的空间限制条件，故1号机组电缆夹层需要配置39套5 kg容量的悬挂式热气溶胶灭火装置用于火情防护，现场安装布置效果如图5所示。

图4 1号机组电缆夹层控制系统平面布置图

图5 1号机组电缆夹层热气溶胶灭火装置安装图

3 现场试验

开展贵溪发电有限公司燃煤火力机组电缆夹层火灾防护区改造后现场测试试验，采用人工模拟火灾的方法，通过集热式磁力搅拌器对图6中气体灭火控制器的感温探测器单元分别施加不同温度，控制中的气体灭火控制器处于火灾预警状态，记录控制器是否能发出声光预警信号，以及在感烟探测器同时被触发时能否在设定的延时时间内输出气溶胶灭火装置启动信号。

图6 气体灭火控制器

分别在80℃、100℃、120℃三种不同的测试温度下进行气体灭火控制器声光预警信号启动验证试验，试验结果如表3所示。

表3 气体灭火控制器声光预警试验

由表3可知，在三种不同的测试温度下，感温传感器在达到其动作温度时，都能成功触发气体灭火控制器发出声光报警信号，同时其平均响应时间均在1.5 s范围之内。

最后，结合感烟传感器加烟试验进行气体灭火控制器声光报警信号及气溶胶灭火装置启动信号验证测试，试验结果如表4所示。

表4 气体灭火控制器声光报警试验

由试验结果可知，在三种不同的测试温度下进行加烟试验，均能联动防护区内的声光报警器发出报警信号，同时在设定延时30 s后，测试输出口电压输出正常，气溶胶灭火剂释放显示灯亮起，气溶胶灭火装置能够正常启动。

4 结语

针对贵溪发电有限公司火电厂开展燃煤火力机组电缆夹层火灾防护区改造工作，通过加装S型气溶胶灭火装置能够确保在高压电缆运行现场发生火警时，气溶胶灭火系统能够迅速、自主的感知并喷射灭火剂扑灭火情。同时开展了电缆夹层防护区改造后的现场试验验证，结果表明气溶胶灭火系统能够有效为燃煤火力机组火灾防护进行支撑，且不会影响到燃煤火力机组的正常运行。