低压二氧化碳灭火系统船上应用及认可要求

中国船级社 温玉奎

船用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和高压二氧化碳灭火系统，高压系统是指液态二氧化碳在钢瓶内常温下储存的系统，环境温度20℃时，钢瓶内压力56bar，环境温度在25℃至30℃时，钢瓶内压力可达到64bar至71bar。低压系统是指液态二氧化碳在低温条件下储存的系统，通常储存温度-20℃至-18℃，温度在-18℃，罐体内部压力大约在20bar。当发生火灾时，高或低压系统液态二氧化碳均是从储存装置通过系统管路到达布置在着火区域的喷嘴向外释放，降低着火区域内氧气含量以窒息作用来实施灭火。

低压二氧化碳灭火系统的组成

船用低压二氧化碳灭火系统的基本组成通常包括：储存装置、释放总管、主释放阀、分配阀、释放管路、喷嘴、充装及平衡管路、释放及报警系统、制冷装置等组成。

储存装置通常为一个大型的储罐，储量相对较大，充分利用船上二氧化碳间内的空间，尽量减少占地面积。储罐内胆通常采用细晶粒合金钢，有较高的屈服强度，同时考虑材料低温冲击性能。为了保持储罐内二氧化碳较低的温度，内胆外包裹一层绝热材料，厚度通过传热学理论计算获得，为了防止潮湿空气的侵入和机械破坏，绝热层外包裹一层镀锌薄铁皮。穿过罐体上的管路应做好绝热处理，避免出现热桥，引起罐内低温二氧化碳与外部空间环境的热传导。

在储罐上应设置两个安全阀，布置应使任何一个安全阀关闭时另一个安全阀需接通储罐，从安全阀排出的气体应直接排放到舱室外的大气中。储罐上通常安装多套液位测量装置，一套是安装在液位测量管上的液位传感器，同时在液位测量管与储罐之间安装三个液位测量阀，可以用来测量储罐中液态二氧化碳三个特定液位值；另外一套是独立的液位测量管，外部没有绝热材料包裹，在应急情况可以通过打开测量管下端与储罐之间的阀门，观察管上结冰的高度判断储罐内二氧化碳的液位值。在储罐下端和上端分别设有充装管和平衡管，用来补充储罐内的二氧化碳，确保二氧化碳在充装时气、液相平衡。

释放总管是一个管子焊接而成的管汇，通过主释放阀与储罐连接，同时也装有通向各被保护处所的分配阀。当船上二氧化碳灭火系统释放时，主释放阀开启，二氧化碳气液混合物首先通过释放总管，然后通过分配阀到被保护区域。

释放及报警系统包括二氧化碳间遥控释放和控制面板，消防控制站遥控释放单元两部分组成，设置二氧化碳储罐高低压报警、储罐内二氧化碳液位低报警、主释放阀泄漏报警、制冷系统故障报警等。当船员在消防控制站或二氧化碳存储间遥控释放二氧化碳灭火时，用专用钥匙打开释放控制箱，自动启动船上被保护区域二氧化碳释放声光报警，启动第一个控制阀，释放总管上通向被保护处所的分配阀自动开启，同时发出舱室通风和燃油切断信号，启动第二个控制阀，经过最小20s的延时，给保护处所人员留有足够的撤离时间，释放总管与储罐之间的主释放阀开启，二氧化碳气体通过释放管路到达被保护处所，当释放时间达到系统设计要求时，主释放阀自动关闭，具体二氧化碳释放量设计原则为释放体积至少等于该船受保护的最大货物处所总容积30%的自由气体，被保护的最大机器处所总容积的40%或被保护的最大机器处所（包括机舱棚）总容积的35%大者。

图1 源自国外某低压二氧化碳灭火系统制造厂网站

图2 制冷装置循环图

制冷装置是确保二氧化碳储罐内始终保持低温环境，由于储罐外的环境温度高于内部温度，通过罐壁产生热传导，使储罐内的液态二氧化碳气化，内部压力增大，因此避免二氧化碳液体气化，有效控制内部压力，低压二氧化碳灭火系统必须配备制冷装置。储罐内压力升高至某一设定值制冷装置自动启动，罐内的蒸发器冷却气化的二氧化碳，二氧化碳气体再次被液化时内部压力降低，当压力降低到某一设定值时，制冷单元自动停止工作。制冷装置主要包括：蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀。蒸发器是安装在储罐内最上部的金属盘管，可以与气化的二氧化碳气体直接接触，从而使其再次液化，冷凝器可以选择空气冷却或水冷却两种型式，空气冷却使用专用的空气冷却式冷凝器加风机组合，水冷却通常选择卧式管壳式换热器。

高低压二氧化碳灭火系统实例比较

国内某船厂建造的汽车运输船，35660总吨，总长169.1米，型宽28米，该船机舱（包括机舱棚）体积为8048m，机舱（不包括机舱棚）体积为6986m，共4个车辆处所，其中最大一个车辆处所体积为31198m，固定式灭火系统的类型选择二氧化碳灭火系统，根据SOLAS公约要求计算，船上应配备25.07吨二氧化碳。该船舶安装高、低压二氧化碳灭火系统的应用差异对比如下表。

表 船舶安装高、低压二氧化碳灭火系统的应用差异对比

1、低压二氧化碳灭火系统优点

根据低压二氧化碳灭火系统的结构特点，结合上述实例的分析对比，低压二氧化碳灭火系统的优点如下：

（1）占地面积小，装置总重量轻，可以节省空间用于布置其他舱室，减小船舶的重量，通过研究可以认为船上二氧化碳配备量越大，低压系统的这方面优势越明显。

（2）首次安装用时少，节约造船厂工人劳动成本；充装方便，加注罐车可以直接停靠码头通过充装管线加注，大大节约了船舶停靠码头时间。

（3）安全性能高，具备完善的监测和报警系统，时刻监测储罐内容液态二氧化碳的液位，同时可持续监测和显示储罐内的压力，以便及时发现问题并提前解决，保证系统的正常工作。

（4）对要求二氧化碳配备量较大时，初次投入成本较低，国外某公司对外说明，当二氧化碳储量超过1818kg时，使用成本将低于高压二氧化碳灭火系统。

（5）低压二氧化碳温度低，又称干冰“雪”，灭火效果优于常温储存的高压二氧化碳，而且低压二氧化碳灭火系统在达到释放时间后，操作人员可以根据火情，启动再释放功能，确保火灾完全扑灭。

（6）由于储罐安装了多套液位测量装置和内部压力检测装置，船舶营运期间低压二氧化碳系统无需专业检测公司进行定期的二氧化碳称重或液位测量，同时不需要每十年的水压试验，大大降低了船舶的运营成本。

2、低压二氧化碳灭火系统缺点

低压二氧化碳灭火系统与高压二氧化碳灭火系统的比较，具有如下缺点：

（1）对船舶配备二氧化碳量较小时，低压二氧化碳灭火系统的初次投入成本较大，因此船舶设计时应充分考虑。

（2）船舶营运时，设备维护成本高，耗能较大，因为制冷装置需要长期运转，且需要船舶轮机人员定期检查，会增加船员的工作量。

通过对低压二氧化碳灭火系统优缺点的分析，船东和船厂在船舶设计时，会综合考虑船舶建造初期投入和后续维护运营成本，最终选择最合适的灭火系统。现阶段营运和新建船舶，选择低压二氧化碳灭火系统多为被保护舱室空间较大的船舶，船型主要包括：汽车运输船、客货滚装船、大型集装箱船等。

低压二氧化碳灭火系统的认可要求

现阶段船用低压二氧化碳灭火系统的制造主要是丹麦和韩国的两家船用产品厂，国内产品制造厂处于研发阶段，暂时未有产品船上使用的实例，国内船厂只能选择国外产品配套上船使用。船用低压二氧化碳设计和认可，需按照《国际消防安全系统规则》（以下称规则）的要求进行，按照中国船级社规范要求，该产品采用产品认可＋单套产品检验＋船上系统检验的方式进行产品的质量控制，其他国际同行采用设计评估＋单套产品出厂试验＋船上系统检验方式进行控制，通过对比发现中国船级社的控制模式相对比较完善。

产品制造厂选择中国船级社产品型式认可时，中国船级社将对工厂提交的图纸及设计计算书等资料进行审查，型式试验大纲批准和试验见证，工厂质量管理体系核查和制造过程审核。在进行产品设计过程中，工厂会按照规则的要求，使用成熟的计算方法或行业通用的计算软件进行系统设计，对计算中无法确认的关键点，可选择进行试验的方式验证和补充，通过理论计算与试验验证相结合，实现对产品性能的综合评估，使产品达到初始设计目标，满足规则的要求。验船师结合工厂生产历史和实船产品使用的经验，同时了解国际同行对该产品检验控制的方式，对设计图纸及计算书、工厂提交的型式试验大纲进行综合评估，确认可直接接受工厂理论计算无需通过试验验证的部分，同时向工厂提出理论计算和试验验证相互结合完成的部分，或者部分要求工厂没有理论计算作为支持，仅通过试验验证来证明满足规则的要求。型式认可过程中对不同设计能力的工厂，可能会提出不同型式试验项目的要求，充分体现中国船级社对工厂设计能力具有较强的综合评估能力。

中国船级社按照规则对低压二氧化碳灭火系统进行认可，其中最主要的型式试验项目和技术要求如下：

规则中要求安全阀释放压力设定应不小于工作压力的1.1倍，而且考虑储罐外着火时液态二氧化碳气化产生的气体通过安全阀向外排放，任何一个安全阀的排量足够确保储罐内增大的压力不超过设定压力的20%。在设计时应该考虑安全阀开启时并具有足够的排量，确保储罐内压力不得超过设定压力的20%，可以参考《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》中液货舱透气的相关计算公式和要求进行计算，保证在存储间发生火灾时二氧化碳储罐的安全。

规则中要求对永久充装二氧化碳的容器和输出管，应设有隔热绝缘，以便当制冷装置断电后，环境温度为45℃且初始压力等于制冷装置的起动压力时，24h内防止安全阀开启。 该要求主要考核二氧化碳储罐外的围护结构具有较好绝热性能，也具有较小的传热系数，通过传热学计算设计罐体围护结构厚度，并选择合适的绝热材料，在罐体内压力升高至制冷装置自动启动压力时，制冷装置停止运行，外部环境温度45℃，24小时内罐内压力升高，但不能超过安全阀起跳压力。

规则中要求二氧化碳储罐应配备两套完全独立的制冷装置，每一套制冷装置应具有足够的制冷量，在海水温度达32℃和环境温度达45℃时，每一台装置的制冷能量和自动控制应能在24小时连续运转的情况下，保持所规定的温度。该要求主要考核制冷装置在外部环境较为苛刻的条件下，具有足够的制冷能力。如果制冷装置冷凝器选择海水冷却时，海水温度达32℃，环境温度45℃时，任何一套制冷装置连续运行24小时，罐体内部温度可以保持系统工作温度；如果制冷装置冷凝器选择空气冷却，环境温度45℃时，每一台制冷单元连续运行24小时，罐体内部温度可以保持系统工作温度。

规则针对低压二氧化碳系统的相关要求，主要从系统安全、可靠等几方面规定，包括二氧化碳储罐安装具有足够排量的安全阀，在罐外发生火灾时，确保罐体的安全。储罐的围护结构具有足够的绝热性能，在制冷单元无法工作时，仅靠罐体较好的绝热性能，而使挥发的二氧化碳气体不会轻易通过安全阀向外排放。选择的每一台制冷装置具有足够的制冷能力，在较为苛刻的外部工作环境，仍能长时间连续运行，并保持罐体内的低温环境不变。

目前，低压二氧化碳灭火系统在船舶领域应用相对较少，伴随船舶的大型化，低压系统在最初投资方面比高压系统的优势越来越明显，而且在安装、使用等方面具有众多优点，将逐渐被更多船东所接受；低压二氧化碳灭火系统在船用领域的逐步推广，国内相关制造厂会积累更多的研发和使用经验，船用低压二氧化碳灭火系统也一定会逐步实现国产化。

启东中远海运海工浮式生产储卸油船N999 FPSO下水

2021年4月12日，由启东中远海运海工承建的浮式生产储卸油船N999 FPSO项目举行下水仪式。

这是中国船企首次为欧洲一流油公司非洲项目建造浮式生产储卸油船。据悉，该项目船长270米，总宽54m，型深为31.5m，设计使用年限为30年，最大排水量约为32万吨，储油量不少于144万桶，日卸油量达110万桶，日气处理能力505万标准立方英尺，空船重量48000吨，上部模块重2万吨，生活区最多可居住140人。