电力行业细水雾灭火系统设计研究

中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司 汪正明

1 绪论

1.1 研究背景

细水雾灭火系统在消防领域的应用始于上世纪中叶，发展于上世纪九十年代。当前细水雾灭火系统技术的发展日益成熟，已广泛应用于国内外电力行业的消防系统中，尤其是在燃煤电厂、地下变电站、城市综合管廊电缆隧道、储能电站等多个电力行业范畴。

燃煤电厂。根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》规定，机组容量为300MW及以上的燃煤电厂的集中控制楼和网络控制楼的电缆夹层、汽机房的汽轮机油箱等场所及设备应采用固定灭火系统，可采用细水雾灭火系统。有研究表明，细水雾灭火系统应用于大唐山东东营发电有限公司2台百万机组工程集控楼的消防，使该工程消防部分的建设成本得到明显降低[1]。

地下变电站。细水雾灭火系统作为地下变电站内油浸变压器、油浸电抗器及电缆夹层等区域的固定灭火设施有着较为成熟的经验，能用于相对封闭情况下可燃液体、带电固体和可燃固体表面的火灾灭火，不仅有水喷淋的作用，还有气体灭火的作用。此外，地下变电站内消防排水难度较大，该系统具有用水量、排水量小的优势。

城市综合管廊电缆隧道。随着城市化进程的加快，为满足新型发展要求，应全方位推动城市道路配建地下综合管廊的建设，使其占比呈上升趋势[2]。电缆线路敷设于廊道内，实现了城市地下空间的深度利用，但电缆隧道内一旦发生火灾，导致电气设备故障和人员逃生及疏散困难，因此如何让灭火系统发挥最有效的作用成为亟需解决的问题[3]。有研究表明，细水雾灭火系统在地下空间灭火具有其它系统不可替代的优势[4]。目前众多研究聚焦于电缆隧道中细水雾布置设计的优化，从廊道结构、火源位置、细水雾的喷头压力、不同压力的灭火有效性等多种角度优化设计[4-5]，能进一步提高电缆隧道灭火系统的有效性。

储能电站。站内的主体设备是蓄电池集装箱，集装箱内消防灭火设施目前没有统一做法，但考虑到储能集装箱的特殊性及重要性，目前均考虑增设固定式灭火系统，相关国家标准也正处于研究制定中。高压细水雾灭火系统作为储能电站内的固定式灭火系统也有工程应用，同时符合现行的行业标准《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》。

1.2 研究目的

由于细水雾系统不断成熟，国家对电力行业消防设计合理性与功能性要求的提高，电力行业已逐渐应用细水雾灭火系统来解决消防中灭火效率相对较低、排水难度大、安全性相对较差等问题，但仍处于初步研究阶段。本文从实际应用角度进一步优化电力行业细水雾系统的设计，使其能更有效指导工程实际应用，同时能进一步提高该系统的有效性，且与国家环保、安全及可持续发展的主题相符合。

1.3 细水雾灭火系统工作原理

细水雾灭火系统的灭火介质主要是水，采用雾化喷头在压力工作下将水流转换成微小雾滴，充满整个防护空间，通过冷却、窒息等方式进行灭火。细水雾灭火系统由泵组、区域控制阀组、不锈钢管道、喷头和火灾探测报警系统等组成。细水雾灭火系统根据末端细水雾喷头工作压力分为低压、中压及高压细水雾灭火系统。其中高压细水雾灭火系统应用较广，该系统是利用高压（≥10MPa）作用下，水雾喷头使水流变成比表面积大的极小水雾滴，从而能快速吸收周围热量变成水蒸汽，体积急剧膨胀，导致着火点周围没有氧气和其它可燃气体相接近，不能维持继续燃烧而缺氧窒息，具有高效冷却、迅速窒息的双重灭火作用。

2 细水雾灭火系统设计要求

2.1 设计依据

应用范围。系统设计选型按《细水雾灭火系统技术规范》规定：电缆夹层、电缆隧道等选用全淹没开式系统；油浸变压器、涡轮机房等选用局部应用的开式系统。系统的设计持续喷雾时间：用于电缆隧道、电缆夹层等场所时不应小于0.5h；用于含可燃液体机械设备间的油浸变压器室、柴油发电机房、润滑油站、燃油锅炉房等场所时不应小于20min。

系统的分区：全淹没应用方式的开式系统的防护区个数应小于等于3个。单个防护区的容积，泵组系统宜小于等于3000m3。若某防护区大于单个防护区最大容积时，宜将其分为多个分区进行保护；火灾危险性相同或者相近的分区，可按容积最大分区的参数来进行设计；火灾危险性差异大的分区，按各自分区的参数进行设计；若设计参数与上表参数不相符合时，系统的设计参数需通过相关实体火灾模拟试验后进行确定。

系统设计工作压力按最不利点的喷头也能达到10MPa最低工作压力状态进行考虑，系统水阻采用Darcy-Weisbach公式Hf=λ×l/d×ν2/2g，其中：Hf为阻力损失；l为管长；d为管径；ν为管内平均速度；λ与雷诺数Re和管壁相对粗糙度有关。设计时系统补给水的水质标准不应低于《生活饮用水卫生标准》的要求。

2.2 系统设备选型及设计要求

根据系统实际运行要求，泵组在选型时应设置独立的工作泵和备用泵。备用泵的性能应与最大的工作泵保持一致，工作泵、备用泵能自动切换，并能手动操作停泵。同时，采用液位控制阀实现对水箱自动补水，以此进一步提高泵组的可自动操作性和实际有效性。

阀箱的选型应考虑防护等级、工作压力大小、启闭时间等。喷头的选型应充分考虑建筑物的性质和设计合理性，喷头的设计间距和喷头的增设需合理且有效。同时，对于水渍和导电性敏感的电气设备，选用喷头雾滴直径DV0.5应小于65um、DV0.99应小于100um，利用其具有气体窒息作用的特性。

高压细水雾系统的管道应根据工作压力进行选择，可分为高压和低压管道，材质均为不锈钢。水泵吸水口至高压细水雾泵组之间的管道、管道附件、阀门为低压不锈钢管道，应采用不低于304不锈钢的材质。高压泵组后为高压不锈钢管道，应采用不低于316L不锈钢的材质。低压不锈钢管和高压不锈钢罐所对应的公称压力限值不同，分别为不应小于1.0MPa和不应小于16MPa。主管道上每隔不大于100m需设置1根高压U型管。

3 应用实例

某地下变电站内电缆夹层和油浸式变压器采用高压细水雾灭火系统进行保护，该系统存在运行投资成本相对较低、灭火特性好、节能环保等特点。

3.1 系统设计概述

本工程在站内新建一套高压细水雾灭火系统，高压细水雾泵组设置在站内专用消防设备用房内。高压细水雾灭火系统保护对象为-13.40m层#1~#2主变（共2台变压器，包括变压器本体、油枕及油坑）、-17.60m层电缆夹层（包括#1、#2电缆夹层）。主变压器选用局部应用方式的开式系统，电缆夹层采用全淹没应用方式的开式系统。主变压器的设计强度按不小于1.2L/min·m2设计，电缆夹层的设计强度按不小于1.0L/min·m2设计。

表2 防护区具体保护方式及设计参数

3.2 系统组成

高压细水雾系统由高压泵组、补水增压泵、开式喷头、区域控制阀组、过滤装置、储水箱、供水管道和火灾探测报警系统等组成。

3.3 高压细水雾系统设计

3.3.1 主要设计参数

电缆夹层持续喷雾时间≥30min，油浸变压器持续喷雾时间≥20min；系统的响应时间≤30s；系统组件、管道和管道附件的最低工作压力不得低于16MPa；水泵吸水口至储水箱之间的管道、管道附件、阀门的最低工作压力不得小于1.0MPa；区域控制阀组执行器必须采用电动阀；区域控制阀局部阻力不大于0.06MPa；系统组件应具有耐腐蚀性能；高压细水雾泵组设安全阀，安全阀动作压力为系统最大工作压力的1.15倍。

水泵有自动启动、手动启动和巡检功能。巡检过程中接到启动命令，能立马退出巡检，进入正常工作的运行方式。本工程采用常规手动巡检；主、备用泵应具有自动切换功能，并应能手动操作停泵。主、备用泵的自动切换时间不应大于30s；过滤器材质为不锈钢，其网孔孔径不应大于喷头最小喷孔孔径的80%。

3.3.2 主要设备选型

喷头选型：电缆夹层及变压器本体采用K=0.7的开式喷头，q=7L/min，安装间距1.5~3.0m；油枕保护采用K=0.25的开式喷头，q=2.5L/min，安装间距0.5~1.0m；油坑保护采用K=0.125的开式喷头，q=1.25L/min，安装间距0.5~1.0m；选用喷头雾滴直径Dv0.5应小于65um、Dv0.99应小于100um。

泵组选型：系统中泵组流量根据其防护对象同时作用喷头数的流量总和进行确定。根据计算：本系统最大防护区为#2电缆夹层，设计流量Q=1134L/min，系统设计工作压力H=12MPa，因此系统中泵组设计工作压力按14MPa考虑。

由于九柱塞泵具备稳定性和可靠性高的特点，本工程选用九柱塞泵。设两套高压细水雾泵组，单套泵组型号XSWBZ575/14-5＊1，其中主泵五用一备，稳压泵一用一备。单套泵组参数：Q=575L/min，H=14MPa，N=160kW。稳压泵参数：Q=12.8L/min，H=1.4MPa，N=0.75kW，并配套有控制柜。

综上，随着能源系统的改革，环保安全意识加强，电力行业对消防要求越来越高，有关细水雾灭火系统设计的不断优化，今后在电力行业的发展中细水雾灭火系统将得到更多的应用。