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新聞主題 |
柴油發電機室防火規范、消防設計及滅火強度計算 |
摘要：根據《高層民用建筑設計防火規范》、《水噴霧滅火系統設計規范》、《建筑防火通用規范》、《人民防空工程設計防火規范》的國標要求，康明斯公司在本文中介紹了發電機房的常見火災特點，在列舉柴油發電機室水噴霧滅火系統的設計方案中，著重闡述了對柴油發電機類不規則物體應用非"圓整"的方法來確定噴頭數，及對其不規則表面，尤其是側面在傾斜噴頭噴射下的噴霧強度的校核，使按照柴油發電機消防規范來設計的滅火系統更加安全可靠。
一、柴發機房火災特點與引發原因
1、火災特點
柴油發電機由發電機、柴油機主機、柴油機冷卻系統等組成，日用油箱單獨設置在油箱間內。
（1）機組的發電機部位主要是電氣類火災，失火后容易燒毀發電機。
（2）柴油機部位主要是液體火災，除需撲滅主機部位燃燒外，還需防止流趟液體擴大火勢。
（3）冷卻系統及通風系統中的管道處無可燃物且封閉，失火后需防護冷卻。
（4）柴油發電機房內通常儲存有大量的燃油，一旦發生火災，很容易引起火勢的迅速擴大。同時，柴油發電機房內還存在著高溫設備和電氣線路，這些設備一旦著火，也會加劇火勢的蔓延。
（5）柴油發電機房內空間通常比較密閉，氧氣供應相對不足，但燃燒所產生的熱量和有毒氣體卻容易在室內積聚，給人員造成極大的威脅。
（6）柴油發電機房內往往存在大量的電子設備和敏感儀器，傳統滅火方式如噴水或干粉會對設備造成二次損害，甚至使設備無法繼續使用。
2、設備本體火災原因
（1）燃油箱泄漏
柴油發電機的燃油箱在長時間使用中很容易發生泄漏。燃油泄漏會導致燃油在發動機的周圍形成積水，而積水會進一步增加發動機的溫度并加速故障的形成。當燃油到達一定溫度或者接觸到發動機的熱部件時，就會引起燃燒。
（2）延長電纜
柴油發電機在使用過程中，電纜需要連接到各種設備和工具。如果電纜長度不足，很容易發生斷裂或拉扯現象。這種情況可能會導致火花或電弧放電，這些火花或電弧可能會引起燃燒。
（3）故障電氣元件
柴油發電機在長時間使用期間，電氣元件也有可能失效或者損壞。在這種情況下，電氣元件可能會引起短路或者過載等故障情況，從而引發火災。
（4）不當的維護
柴油發電機需要經常維護，如果不正確維護或者保養，就可能導致柴油發電機的某些部件異常磨損或者故障。柴油發電機的維護需要遵循正確的維護程序和標準，否則就會增加火災發生的風險。
3、水噴霧滅火系統優勢
針對以上柴油發電機火災兼有電氣火災和可燃液體火災的特點，且電壓較高，撲救難度較大。水噴霧滅火系統可以發揮以下優勢：
（1）水噴霧滅火系統可以迅速響應火災，快速將水霧噴射到火源周圍，形成一層細小的水霧幕，阻止火勢的蔓延，控制火災發展。
（2）水噴霧滅火系統可以迅速將火源降溫，有效撲滅火源，避免火勢的進一步擴散，保護柴油發電機房內的設備和人員。
（3）水噴霧滅火系統使用水量少，可以將水霧噴灑到更廣的區域，從而降低水霧對設備和敏感儀器的二次損害。
因此，水噴霧滅火系統兼能撲滅液體火災和電器火災，系統組成簡單、占地小、投資較省，且該工程鍋爐房也需設置水噴霧滅火系統，故設計選用水噴霧滅火系統。其布置和組成分別如圖1、圖2所示。
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圖1 發電機房水噴霧滅火系統布置圖 |
圖2 發電機房泵組式噴霧滅火系統組成圖 |
二、設計標準的依據
1、高規規范
根據《高層民用建筑設計防火規范》（GB 50045—95，2005版，以下簡稱“高規”）4.1.3 柴油發電機房布置在高層建筑和裙房內時，應符合下列規定：
4.1.3.1 可布置在建筑物的首層或地下一、二層，不應布置在地下三層及以下。柴油的閃點不應小于55℃;
4.1.3.2 應采用耐火極限不低于2.00h的隔墻和1.50h的樓板與其他部位隔開，門應采用甲級防火門；
4.1.3.3 機房內應設置儲油間，其總儲存量不應超過8.00h的需要量，且儲油間應采用防火墻與發電機間隔開；當必須在防火墻上開門時，應設置能自動關閉的甲級防火門；
4.1.3.4 應設置火災自動報警系統和除鹵代烷1211、1301以外的自動滅火系統。
2、霧規規范
根據《水噴霧滅火系統設計規范》（GB 50219—95，以下簡稱“霧規”）中對發電機房設計參數沒有具體規定，但對液體火災和幾種電氣火災的參數作了規定。
3、建規規范
根據《建筑防火通用規范》 （GB 55037，2022版，以下簡稱“建規” ）4.1.5 附設在建筑內的燃油或燃氣鍋爐房、柴油發電機房，除應符合本規范第4.1.4條的規定外，尚應符合下列規定：
4.1.5.1 常（負）壓燃油或燃氣鍋爐房不應位于地下二層及以下，位于屋頂的常（負）壓燃氣鍋爐房與通向屋面的安全出口的最小水平距離不應小于6m；其他燃油或燃氣鍋爐房應位于建筑首層的靠外墻部位或地下一層的靠外側部位，不應貼鄰消防救援專用出入口、疏散樓梯（間）或人員的主要疏散通道。
4.1.5.2 建筑內單間儲油間的燃油儲存量不應大于1m3。油箱的通氣管設置應滿足防火要求，油箱的下部應設置防止油品流散的設施。儲油間應采用耐火極限不低于3.00h的防火隔墻與發電機間、鍋爐間分隔。
4.1.5.3 柴油機的排煙管、柴油機房的通風管、與儲油間無關的電氣線路等，不應穿過儲油間。
4.1.5.4 燃油或燃氣管道在設備間內及進入建筑物前，應分別設置具有自動和手動關閉功能的切斷閥。
4、人防工程規范
《人民防空工程設計防火規范》（GB50098，2009版，以下簡稱“人防工程”）3.1.10 柴油發電機房和燃油或燃氣鍋爐房的設置除應符合現行國家標準《建筑設計防火規范》GB 50016的有關規定外，尚應符合下列規定：
3.1.10.1 防火分區的劃分應符合本規范第4．1．1條第3款的規定；
3.1.10.2 柴油發電機房與電站控制室之間的密閉觀察窗除應符合密閉要求外，還應達到甲級防火窗的性能；
3.1.10.3 柴油發電機房與電站控制室之間的連接通道處，應設置一道具有甲級防火門耐火性能的門，并應常閉；
3.1.10.4 儲油間的設置應符合本規范第4．2．4條的規定。
參考“霧規”的規定及其他設計資料，考慮到發電機組一般有較好的自我保護控制，發電機房內過多水漬對發電機房安全維護不利，設計噴霧強度采用最不利處不小于13 L/（min·m²），側面可能有流趟液體火災處不小于20 L/（min·m²），滅火時間采用0.5 h，系統的響應時間不大于45 s。
三、設計方案的確定與布置
1、噴頭布置方法的確定
柴油發電機室水噴霧滅火系統是以保護發電機，撲滅其火災為主要目的，故采用立體法，圍繞發電機組周圍布置噴頭。由于噴頭與電氣設備（裸露）部分的最小安全距離為1.12m，則保護一臺發電機組的水平側噴噴頭將處在另一臺發電機組的危險區內，故改為布置高位側噴噴頭，反復調整安裝角度和噴頭高度，保證噴頭在危險區外噴射且水霧能包圍覆蓋整個發電機組。
2、噴頭的選擇和噴霧強度計算
由于柴油發電機室具有電氣火災兼油類火災的特點，設計選用ZSTWB系列離心式高速水霧噴頭（見表1）。其噴射出的霧狀水滴霧化程度高，具有良好的絕緣性能，因而能保證火災現場周圍人員的安全，而且在用于撲滅油品火災時，其細小的霧粒還能發揮對油的較強乳化作用。
表1 發電機房水霧噴頭選型
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序號 |
噴頭型號 |
流量系數 K |
工作壓力 MPa |
噴頭出水量 L/min |
霧化角 ° |
部位 |
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1 |
ZSTWB-80 |
43 |
0.35 |
80.446 |
90 |
頂噴 |
|
2 |
ZSTWB-40 |
21 |
0.35 |
39.287 |
45 |
側噴 |
噴霧強度按下式計算：
W=q /（πR2）=1.00658 K√P/[Btan（θ/2）]2..........................（公式1）
式中，W——水霧錐底圓處噴霧強度，L/（min·m²）；
q——噴頭出水量，L/min；
P——噴頭工作壓力，MPa；
K——噴頭流量系數；
R——水霧錐底圓半徑，m；
B——水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離，m；
θ——水霧噴頭的霧化角，°。
3、噴頭布置
由式（1）可看出影響直接噴射到被保護對象上的噴霧強度的因素有噴頭流量系數K，噴頭工作壓力P，噴射距離B，霧化角θ。
在柴油發電機組噴頭布置時，一般工作壓力P先確定，噴射距離B由安全區域決定，噴頭的流量系數和霧化角已知，則可計算得出滿足噴霧強度的水霧錐底半徑R，依據R，按不留空白點的原則進行噴頭布置，可保證有足夠強度的水霧覆蓋在發電機組表面，再按實際布置的噴頭數及各噴頭的出水量可確定總設計流量。
由于發電機組形狀不規則，水霧噴頭的出水總有一部分直接噴射到地面或非保護區域。因此若按“霧規”中的方法，將發電機圓整為長方體，根據長、寬、高計算表面積，再按噴霧強度確定噴頭個數，不但容易造成噴頭個數偏少，而且根據圓整后的長方體布置噴頭，有些部位如側進風段，噴口與保護區域的實際距離大于設計值，致使其噴霧強度不能滿足要求。而采用上述布置方法，可保證被保護區域的直接噴射水霧強度。
頂部下噴噴頭（以下簡稱"頂噴"）和側噴噴頭的布置見圖3和圖4。噴頭離發電機組的安全距離按1.3 m考慮，確定危險區域。
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圖3 發電機房滅火系統前側噴與頂噴布置圖 |
圖4 發電機房滅火系統側噴布置剖面圖 |
4、噴頭噴霧強度核算
在噴頭工作壓力為0.35 MPa情況下，"頂噴"噴射到發電機組頂面的噴霧強度為15.1 L/（min·m²）>13L/（min·m²），滿足要求。對于發電機組的側面，水霧錐與噴射保護面相交處為近似拋物線形狀，且相鄰噴頭水霧在被保護面下部交叉重疊，故核算時按單個噴頭保護區域進行復核（見圖5），核算結果側噴噴頭的噴霧強度均超過20 L/（min·m²），可以滿足撲滅液體火災的要求。
5、噴霧流量計算
將圖6中的環狀配水管網拆成兩分支，采用計算軟件進行逐點法計算，最不利點處的側噴噴頭流量系數K值取一半為11。報警閥設計流量取兩分支流量之和為21.6 L/s，乘以安全系數1.1，得23.8L/s。
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圖5 發電機房滅火系統側噴強度核算 |
圖6 發電機房水噴霧系統流量計算 |
6、系統布置
水噴霧配水干管在機房頂部成環狀布置，可減小不同噴頭之間的壓差，使作用在發電機組表面的水霧盡可能均勻、有效。而噴頭則在危險區域外盡可能接近發電機組，以保證滅火效果。另外配水管道和支吊架均做等電位連接。油箱間因噴頭數較少，布置管道時，就近并入柴油機噴霧系統。
為控制噴水量和減少水漬危害，采用5臺發電機組由5組雨淋閥組分別控制。而雨淋閥組的動作則由設于各發電機組頂部的溫感探測器控制，當同一發電機組頂部的2個火災探測器均發出火災信號時，對應該發電機組的雨淋閥組開啟滅火。雨淋閥組也可手動啟動或由消防控制中心啟動。
水噴霧系統專用水泵設于1層消防水泵房內，1用1備，水泵出水管至雨淋閥進水管呈環狀布置，屋頂高位水箱重力出水、氣壓罐穩壓設備出水及噴霧水泵接合器均接入雨淋閥進水管。
總結：
由于柴油發電機組外形復雜，有部分水霧沒有直接噴射到被保護面，若按"霧規"中7.1.3條公式，將其圓整后計算外表面積，確定噴頭個數并進行噴頭布置，由于噴頭與保護對象的實際距離大于設計值，因此噴霧強度一般不能滿足滅火要求。應按照實際發電機組外形，在保證被保護面處水噴霧強度條件下，按水霧錐相交覆蓋的原則布置噴頭，并按逐點法計算實際工作壓力和噴霧流量，才能保證有足夠強度的水霧覆蓋被保護發電機組。
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