黄登水电站水轮发电机IG541混合气体灭火系统设计

姚建国

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 前言

黄登水电站位于云南省怒江州兰坪县境内，工程以发电为主，总装机容量1 900 MW。电站按“无人值班（少人值守）”原则设计。

黄登水电站厂房为地下式，厂内装设4台单机容量475 MW大型水轮发电机组。作为水电站最关键的核心设备，确保水轮发电机的安全是电站消防设计的核心工作。根据《水电工程设计防火规范》GB 50872-2014第8.0.1条规定：“额定容量为25 MW及以上的水轮发电机组（含抽水蓄能机组）应设置自动灭火系统”[1]。

2 发电机灭火方式选择

目前水轮发电机的灭火方式主要有两种。第一种是采用水灭火方式，在发电机定子上、下两端设置消防环管及水雾喷头，利用雨淋阀开启水喷雾灭火，可快速地在发电机上覆盖水雾灭火、降温，水雾可同时隔绝火焰，具有很好的灭火效果；缺点是系统启动后对发电机破坏较大，绕组、线圈等需干燥、绝缘处理，生产恢复工作量大、投资大，对电厂造成的损失大。另一种是采用气体灭火方式，将气体灭火剂通过管路喷放到发电机机坑的密闭空间内，形成一定的气体浓度并保持到规定的浸渍时间，进而扑灭发电机火灾，其优点是对发电机破坏小，灭火完成后只需将发电机机坑内的气体排至厂外，机组即可重新启动，停机时间短，对电厂造成的损失较小；缺点是系统复杂，造价和运行维护费用高。

经综合分析比较，黄登水电站水轮发电机采用气体灭火方式。

3 气体灭火介质选择

目前，在气体灭火技术上比较成熟、性能指标符合我国现行防火规范和其它相关法规要求，具有实际推广应用价值的气体灭火材料主要有FM-200（七氟丙烷）、IG541（烟烙尽）、CO2（二氧化碳）和气溶胶4种产品，其性能指标及经济性综合对比[2]见表1。

从技术、经济、安全性及空间布置等因素综合考虑，选用IG541混合气体作为黄登水电站水轮发电机气体灭火系统的灭火介质。IG541气体灭火剂由大气中的氮气(N2)、氩气(Ar)、二氧化碳(CO2)3种气体以52%、40%、8%的比例混合而成[2]，其灭火机理属于物理灭火方式，具有保护环境、保护生命安全、保护财产安全、保护距离长、使用维护方便等特点。

4 气体灭火系统设计

4.1 气体灭火系统形式及设备选择

IG541混合气体灭火系统有组合分配式和单元独立式两种形式。经分析比较，黄登水电站4台水轮发电机采用1套IG541全淹没组合分配式气体灭火系统[3,4]，该气体灭火系统同时覆盖左端副厂房1 487.00 m高程的地下控制室。4台水轮发电机各为1个独立防护区，地下控制室为1个独立防护区，共5个独立防护区。

灭火剂设计用量按组合分配系统中最大一个保护区计算，最大一个防火分区（每台发电机风罩内）的有效容积约为1 800 m3。根据GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范》进行计算，灭火剂设计用量见表2，灭火系统设备配置见表3。

4.2 气体灭火系统布置

气体灭火剂储瓶和启动气体储瓶布置在水轮机层左端头的气体消防设备室，高程为1 470.00 m，通过选择分配阀及管网分别引至4台水轮发电机机坑和左端副厂房地下控制室。发电机气体灭火供气管管径DN125 mm，地下控制室气体灭火供气管管径DN80 mm。管网采用不锈钢无缝钢管，与分配阀连接处采用高压法兰连接，与消防喷嘴采用丝扣连接。图1为IG541气体灭火系统管网透视图。

4.3 防护区泄压设计

当气体灭火系统投入时，气体灭火剂高速喷入防护区内，由于防护区为密闭空间，防护区的内压会显著增加，如果没有可靠的泄压措施，防护区的围护结构和防护区内设备将可能承受不住增长的压力而遭到破坏[5,6]。

表2 气体消防灭火剂用量计算表

表3 灭火系统设备配置表

根据GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范》计算，每台发电机机坑防护区泄压口面积不应小于0.57 m2，左端副厂房地下控制室泄压口面积不应小于0.26 m2。在每台发电机机坑壁上设置两个700 mm×500 mm泄压口，左端副厂房地下控制室外墙上设置一个700 mm×500 mm泄压口。泄压口处装设自动泄压阀，在防护区内压力达到1 050 Pa时泄压阀自动开启泄压。

图1 IG541气体灭火系统管网透视图

4.4 系统控制方式

IG541气体灭火系统设有自动控制、手动控制和应急机械手动控制3种方式。自动控制和手动控制可通过专用的自动/手动选择开关切换[2]，在无人值班时采用自动联动控制方式，有人工作或值班时采用手动操作控制方式，火灾自动报警系统故障时可采用现场应急[3]机械手动控制方式。

装设在发电机机坑内的空气采样管、光纤感温探测器和装设于机坑外壁的空气采样感烟探测装置、装设于机旁盘区域报警控制柜内的光纤测温报警装置承担着气体灭火区域的火情监视和自动报警任务，信号传递给电站火灾自动报警及消防控制系统和机组气体灭火控制系统，并联动与气体灭火有关的风机、风阀等设备，同时获取气体灭火动作的状态反馈信号。气体灭火系统的自动控制应在接到两个独立的火警信号后才能启动，并能将灭火控制系统正常、故障及灭火等信息发送到电站火灾自动报警及消防控制系统。每个防护区的出入口外侧均设有1套释放灭火剂的紧急启动/停止按钮、声光报警器和放气指示灯[4]。

4.5 灭火后通风设计

水轮发电机机坑不具备自然通风条件，气体灭火后的机坑应进行通风换气。按换气次数5次/h计算事故通风量，选用一台排风量不小于12 230 m3/h的离心风机，布置在左端副厂房1 501.50 m高程的排风机室。每台发电机机坑下游墙上引出一根900 mm×500 mm排风管并设置自动复位防火阀，接到主厂房中间层下游墙边的900 mm×500 mm排风总管，排风总管从中间层引至左端副厂房下游侧排风夹墙内，并向上引至1 501.50 m层排风机室的发电机机坑消防排风机，排风机排风管引至主厂房排风洞。

发电机灭火后开启相应机组段排风管上的自动复位防火阀，启动离心风机排风，通过排风机排到主厂房排风洞，再通过地面主排风楼的离心风机排出室外。

5 结束语

IG541混合气体灭火剂取自于大自然，灭火时只是将这些天然气体放回大气，该灭火系统具有优良的技术性能、环保性能和安全性能。

经综合分析比较，黄登水电站水轮发电机采用IG541混合气体作为气体灭火系统的灭火介质，并粘度、稳定性好，胶凝时间可控，结石率高，结石体渗透系数能达到10-6～10-9cm/s，防渗效果佳等。采用粘土固化剂灌浆，水泥的用量小，对粘土料的质量要求低，可就地取材，运距短，成本低、施工简便，施工基本不受天气影响。

总之，粘土固化剂防渗灌浆技术已成为水利工程防渗中一种比较成熟的新防渗技术，施工简单，经济实用，低碳环境，应大力推广。

金钩水库大坝经过粘土固化剂浆液灌浆处理，工程运行4年来，大坝右坝肩绕坝渗漏已消失，说明防渗效果好，达到了防渗的目的。粘土固化剂浆液防渗灌浆技术在金钩水库大坝坝基防渗处理中成功的设计和施工经验，供类似工程的防渗设计与施工时借鉴和参考。