岸边集装箱起重机灭火系统及配套电气设计

吴丞奇

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

为了降低单个集装箱跨洋运输的成本，海运集装箱货轮的体量不断增长，船公司纷纷订购船体宽堆高较高的货轮。码头为了能够配套逐渐升高的装卸要求，所订购的岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）参数也随之不断增加。例如3E-plus型岸桥，其起升高度达55 m，前伸距超过70 m[1]。设备的高大化给码头的防火灭火带来新的课题，也给岸桥配套灭火系统的设计工作带来了新的挑战。为了更好地提供设计解决方案，需要针对性地梳理岸桥灭火系统所处的特殊环境条件，配合相关强制性或推荐性的消防规范，提出合理化、合规性的解决方案。

1 岸桥火灾的要素

火灾预防和灾后报告都会指出起火条件的三要素分析，三要素分别是着火源、可燃物、助燃物。广义的三要素分析往往流于表面，工业机械设备上的可燃物无非为液压油、电气元件外壳、线束等，助燃物一般也限于氧气的流通和供应，与工业消防的安全教育内容并无差别，在此不作赘述。本文会将火灾要素分析偏向岸桥实际情况，着重分析起火的来源、火源所在环境及对火源的扑救效果等。

1.1 岸桥火灾的来源

岸桥的主要组成部分为钢结构、传动机构和部件、驱动机构等。其中，钢结构和传动部件以各类金属制品和通用机械部件组合而成，与起火源无直接关系。驱动机构主要由电力驱动，且往往是大功率电力工作单元，岸桥上的火灾隐患主要来源于驱动机构中的电气系统。

1）变压器、谐波柜、整流器等感性元件本身有很强的自发热需求，一旦负载过大或热量积蓄不及时散热会造成感性线圈击穿，整体燃烧。

2）配电系统的输电电缆因载流量大，长时间工作在超负荷状态，会造成热量积蓄造成绝缘层的起火[2]；制动电阻等能耗元件同理，有起火隐患。

3）大功率电气驱动元器件因长时间工作本身有一定失效率，如IGBT晶体管、大电容等工作失常时，会产生能量释放和大热量，引起明火。

4）储能元件，如不间断电源的电池因故障失效，也会引起明火燃烧。

5）电力配电屏、柜部分因施工安装原因造成连接部虚接触，长期打火引起火花直至起火[3]。

6）因人为忽视安全规范，在作业维保工作期间，违规使用火源，如电焊、切割、各类油品安置、抽烟等行为带来的起火隐患。

由此可见，岸桥起火的原因主要分为设计负载、元件故障、人为违章等3个因素。

1.2 岸桥火灾的环境特点

前述分析的岸桥起火火源主要集中在驱动机构，绝大多数都集中在机房内部，所以已知的岸桥火灾案例都发生在机房部分。考虑到现代集装箱货轮大型化的发展趋势，岸桥的体量和高度也随之逐渐增加。图1为起升高度56 m岸桥的机房高度示意图，高度大约为65 m。按我国民用住宅标准计算，约为20层楼高。在消防规范内属于第2类高层建筑，故岸桥火灾的首要特点是起火点的绝对水平高程较高。

图1 岸桥机房高度及布置示意图

由图1可知，岸桥机房由空调温度环境控制区域的电气房和非空调控制区域的机械房2部分组成。电气驱动系统器、控制系统柜、配电柜、监控系统等需要环境温度受控单元均布置于电气房，而电动机和中高压设备等部件则放置于相对空间较大的机械房内。机械房内非空调温度控制区域，一般会安装通风强度达一定规模的吸/排风机以避免区域内过热。由岸桥设备的自身工作性质决定，设备运行期间仅有操作司机工作于设备上，随着远控自动化岸桥的兴起，岸桥正在向无人化工作的方向发展，不论是电气房还是机械房均不需要工作人员长时间在监察区域停留，若发生意外情况不能立即察觉。考虑到电气房的空调控制密闭性，火灾的发现往往在明火火势极大情况下才被注意，为时已晚。由此，岸桥火灾的第2个环境特点便是火情的发现有较大滞后性。

1.3 岸桥火灾的扑救和防治分析

岸桥一旦发生明火火灾往往已具有相当的火势，由于主要起火隐患点都位于离地60 m高处，已超出传统消防水车的云梯和水枪的高程辐射范围，而岸桥作为相对移动机械设备又不具备固定建筑结构消防设施布置条件，这些因素使岸桥明火火灾的施救工作困难重重，故岸桥消防的主要工作应聚焦在防范于未然时。

为达到消防防火的目的，配套布置具有较强扑灭初期火灾的自动灭火系统成为岸桥整机设计的重要工作。根据住建部发布的GB55036—2022《消防设施通用规范》[4]，自动灭火系统分为自动喷水系统、泡沫灭火系统、细水喷雾系统、消防炮系统和气体灭火系统等。岸桥火灾的起火点主要位于电气房部分，而电气房为封闭的空气流动受控空间，适合气体自动灭火系统。考虑到岸桥的驱动系统为电气驱动，使用环境布满电气装置，如使用水/水雾或泡沫灭火系统，误触发的将会使设备造成极大损坏，不符合设计初衷，故自动气体灭火系统应是较好选择。目前，岸桥常用自动灭火系统气体主要为FM200(七氟丙烷)，原因是其不仅灭火速度快、效率高、电绝缘性高，而且不会对设备和人员产生2次伤害，在洁净、环保、安全方面有很大优势，广泛用于各领域的发电动机房、应急处及主配电房等重点消防部位[5]。二氧化碳浸没型自动灭火系统不能用于有人员逗留的区域，造成人员危险，故不适用于岸桥电气房的自动气体灭火系统选择。

考虑到常规岸桥机械房内部会布置维修机构，机房的房顶高度接近6 m，且机械房采用吸排风机作为通风系统，不具备安装气体自动灭火系统的密封条件，故机房内的灭火方案以手持二氧化碳或干粉灭火器为主。近年来，部分配置要求较高的岸桥会在机房内的电抗器、滤波器、中亚变压器等元件配置火探管型自动气体灭火装置，但火探管系统为了达到良好湮灭初期火灾的效果，会要求这些电气设备有封闭外壳，相对外界密闭。这样的罩壳要求与电气设备的良好散热需求相互矛盾，会使器件罩壳空间变大，机房底座加大，大幅提高了岸桥的设计制造成本，并未得到推广。机械房内的灭火方案不以自动扑灭为目标，而是需要以及时报警发现为主。

2 岸桥起重机的自动灭火系统设计

2.1 火灾监控设备

岸桥自动灭火系统的监控感知设备主要由烟雾探测传感器和温度探测传感器组成。考虑到引起岸桥火灾的主要因素集中于电气元件及其附件引起的电气火情，这些部件的材料决定了其燃烧初期的表现形式主要以烟雾为主。根据岸桥设备消防系统监控设备应用经验实践，空气采样烟雾传感器的选用优先于空气温度探测传感器[6]。

为了减少火灾损失，限制表面隐患向深位火灾发展，GB50370—2005《气体灭火设计规范》[7]要求尽量配备高灵敏读的火灾探测器，做到及时发现及时灭火。其中，温感探测器的灵敏度应为一级，烟感应结合探测区内环境和烟雾种类选择相应时间最短的品类。该规范中同时指出：自动控制装置应在接到2个独立的火灾信号后才能启动。但是，采用哪种火灾探测器组合提供2个独立的火灾信号则必须根据防护区及被保护对象的具体情况选择。岸桥的电气房由空调控制温度，当发生初期火灾时，电气房温度不会立即升高，感烟探测器会较快的感应。所以，在电气房火灾探测器的选择和线路设计时，不论采用温—烟独立火灾信号的组合，还是采用烟—烟独立火灾信号的组合，都符合灭火系统设计强制规范的要求。

2.2 灭火气体管路设备

自动灭火系统的管路设备包括灭火气体存储罐、气体输送管路和末端喷头等。在岸桥气体自动灭火方案中，一般电气房设有气体保护，机房内仅设置传感器用于报警，所以管路设备的设计配套工作一般限于电气房部分。

GB50370—2005《气体灭火设计规范》要求：喷头宜贴近防护区顶面安装，距顶面的最大距离不宜大于0.5 m。由此，气体传递管路一般也走管于电气房顶面。根据GB50016—2014《建筑消防规范》[8]，其他走线管路与消防物质管路平行走线时距离应至少为300 mm，为了防止电力管路发生故障时影响消防功能。

GB50370—2005《气体灭火设计规范》要求气体灭火系统储存装置应设在专用的储瓶间内，储瓶间宜靠近防护区，且应有直接通向室外或疏散走道的出口。考虑到岸桥机房的实际布置情况，一般建议将触瓶布置于机械房和电气房的隔断墙部分，并尽可能靠近最近的逃生门。如无法再设计审核时满足专用房间的要求，一般为储罐加装独立罩壳来规避风险。

2.3 灭火系统报警控制装置

采用气体灭火系统的防护区应设置火灾自动报警系统，该系统应设有自动控制、手动控制和机械应急操作3种启动方式。由于电气房不能被认定为GB50016—2014《建筑消防规范》中“平时无人工作的防护区”，同时岸桥消防系统正常工作时为自动启动控制，根据GB50016—2014《建筑消防规范》应有不大于 30 s 的可控延迟喷射，以便于人员安全撤离电气房。为了人员疏散有明确的指示，结合规范标准，警报设计应注意以下要求：

1）电气房、PLC房、机械房等单独隔离房间均应设有警报装置；

2）气体防护区的通道门入口外侧需要有明显警示状态指示灯；

3）气体保护防护区等每个通道门出口侧附近应设有警铃；

4）消防监控系统控制取范围通道门（机房出口、电气房出口）应设有声光报警装置；

5）地面工作站、司机室等需要相关人员及时撤离的位置应设有声光报警装置。

2.4 岸桥自动灭火系统方案整合推荐

将对灭火系统监控部分、气体工作部分、控制警报部分的各要求整合后，可得到一份较完整的岸桥气体自动灭火系统的方案。图2是某型岸桥机房内气体自动灭火系统的设计示意图，该设计贯彻了国家标准关于自动灭火系统的要求。机房内的电气房和机械房被分割为空调温度控制区和抽排风区域，在空调控制区内安装全套FM200气体自动灭火系统，在抽排风空气流通区域的重点部位安装部分监控设备和警报设备，图中可知本系统在高压变压器上方安装探测装置。所有监控设备点位设定一烟感一温感配置，提供2路独立信号。气体保护控制的各独立区域逃生门侧设置警铃；气体保护区入口设置气体排放标志；消防通风控制区域逃生门和主要人员停留点设置声光报警。岸桥项目的消防设计方案在满足GB50370—2005《气体灭火设计规范》的前提下，应力求不改变岸桥的机房结构设计，在功能性和经济性上达到协调统一的目标。

图2 岸桥机房气体灭火系统方案图

3 灭火系统配套电气设计要点

气体自动灭火系统作为岸桥等的功能组成部分，不能独立于其他功能模块，很多电气设计要素与之紧密相连。为了使自动灭火系统的功能正常，保证岸桥生产活动的安全有序进行，部分电气系统设计优化相关工作必须得到重视。

3.1 通风空调设计优化

电气房和PLC房是岸桥上主要的室内温度控制区域，由空调系统进行温度调节和空气循环。作为气体灭火系统的主要防护区域，结构设计时首先要注意区域内密封效果，接口工艺处采用易于对接且密封性良好的工艺和材料。若因密封效果不佳而无法保证区域内灭火气体在喷发后的浓度，则灭火效果得不到有效实现。为此，电气房内空调系统的工作状态必须与自动灭火系统的信号联动。

图3为简述自动灭火系统信号逻辑图，在烟感温感传感器信号经灭火系统控制器确认后发送信号给主控PLC，有人经停区域的灭火气体自动喷发延时为30 s以上，主控PLC需在30 s内切断电气房空调装置的工作，使保护区处于相对密闭状态。需要注意的是，如果电气房采用的是大型风管机型空调，为了达到密闭区域的效果，在设计时需在电气房空调通风口加装电磁风阀，否则即使切断空调电源电气房依然形同开放空间，无法保证灭火器体的浓度。

图3 自动灭火系统信号逻辑图

3.2 照明系统设计优化

为了防止电气火灾的持续发酵复燃，标准要求确认火警信号后尽快切断有关线路电源。岸桥的电气房是电气控制系统的中枢，电气线路布放形式多样，线路繁杂，几乎汇集了所有供电直线。因此，在实际操作中，如遇有明确火灾信号并引致气体喷发，总电源会被保护切除。在总电被切除的同时，首要目的是保证机上人员的尽快撤离[9]，防护区内的照明系统应采用应急显示，提示人员情况异常并延时断电。主逃生通道主梯的照明系统应采用备用电源供电模式，确保机上人员快速疏散至地面。应急逃生照明的备用电源供电时间应不小于30 min，照度大于10 lux。

3.3 相关电缆选型优化

灭火系统各传感器、处理器、控制器、执行机构之间通过电缆的连接进行能量传递和信号传输。如果整个灭火系统的连接线是系统的薄弱点，当火灾发生时电缆的损坏先于合理的能量和信号传递，则整体灭火系统将无法发挥应有供能。所以，灭火系统的电缆选型应能满足最恶劣情况下灭火气体释放和人员疏散警示的时间。

GB50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[10]规定：火灾自动报警系统的供电线路、消防联动控制线路应采用耐火铜芯电线电缆，报警总线、消防应急广播和消防专用电话等传输线路应采用阻燃或阻燃耐火电线电缆。据此标准，在岸桥的自动灭火电气设计中，应充分考虑阻燃/耐火电缆的应用场景和选型配套。阻燃和耐火电缆的定义是有区别的，GB1966—2019《阻燃和耐火电线电缆或光缆通则》[11]中指出：阻燃指试样在规定的条件下燃烧，在撤去火源后能够阻滞或延缓火焰沿着电线电缆的扩散和延伸的能力；耐火指试样在规定的火源和时间下，能够持续地在指定条件下运行的特性。由此可知，在一般情况下，耐火电缆可以取代阻燃电缆，而阻燃电缆不能取代耐火电缆。耐火电缆在火灾发生时能维持一段时间的正常供电，而阻燃电缆不具备该特性。所以，灭火系统全系统的连接在功能性上应用耐火电缆是比较可靠的选择；在经济性上从电缆原材料到电缆性能，耐火电缆的要求比阻燃电缆的高，所需要的成本也就更高，价格比阻燃电缆价格高。

GB50016—2014《建筑消防规范》规定中细化地指出：火灾自动报警供电系统需使用不低于B2级别的耐火电缆，报警总线、消防应急回路传输回路需使用不低于B2级的阻燃电缆。该规定实质从功能和经济的角度为防火电缆的选择做了规定。根据GB31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》[12]和GB/T 19666—2019《阻燃和耐火电缆通则》[13]的总结，耐火B级电缆指800℃燃烧环境中可正常工作90 min的电缆，燃烧性B2级电缆指在GB/T 31248—2014《电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延、热释放和产烟特性的试验方法》的试验条件下，20.5 kW火源条件下火焰蔓延FS小于1.5 m。

综合以上所述各标准的要求，合理定义消防线路功能，选择相适应的电缆，在经济性、功能性、可靠性上可以给岸桥自动灭火系统及整机安全性的提高带来优化和保障。

4 结语

由于地处高空，岸桥机房的电气房一旦发生明火火灾，救援与善后修复难度很大，更会直接影响到集装箱码头前场的作业效率。消防作为岸桥作业管理的重要内容，需要得到重点关注。岸桥火灾的防治工作涉及生产、组织、运营、维护等各方面，在各地岸桥用户的管理、意识、规章无法统一的前提下。通过岸桥整体设计上的规范，结合各类消防标准的分析，使岸桥配套自动灭火系统在技术上有防范可预见风险的能力，提高了设备可靠性和安全性。未来随着港口设备信息化、智能化、物联网化的发展，相信不久的将来岸桥上消防灭火系统会有新的防治理念，配套而来也会有更安全可靠的系统。