高压二氧化碳消防系统的设计与应用doc-高压二氧化碳消防

高压二氧化碳消防系统的设计与应用【关键词】高压二氧化碳性能设计方法应用范围【提要】本文结合火力发电厂、变电站二氧化碳消防系统的应用与设计特点，全面的论述、介绍了高压二氧化碳消防系统的各种设计方法和应用范围，并为二氧化碳消防系统在电力工程的应用提供了新的思路。1．前言二氧化碳消防系统已经在世界范围内存在和发展了几十年，技术日趋完善，但由于其灭火效能及灭火药剂浓度和较高的存储压力远不能与卤代烷灭火系统相比，加之对人体有一定的危害性，因此在相当一段时期内卤代烷消防系统一支独秀，无形中限制了二氧化碳消防系统的发展应用，自从发现卤代烷对大气臭氧层巨大的破坏力而被逐步取缔，而同时各种替代系统的研究成果层出不穷的情况下，二氧化碳作为一种洁净的，对环境几乎不构成污染的灭火剂而再一次得到人们的重视，从某种意义讲，二氧化碳作为一种廉价，制取成本低，来源广泛，性能价格比相当高，应用范围广泛，仍然是一种有发展前途的灭火系统。电力系统600MW火力发电厂参考设计中，将二氧化碳气体灭火系统推荐为首选气体消防系统，就是基于上述优点来考虑的。特别是其经济性与其他种类的灭火系统相比，占有绝对的优势。不能否认，二氧化碳灭火系统也存在着不可忽视的缺点，灭火浓度高；存储压力高；在有人场所使用的危险性等，不得不引起人们的高度重视。众所周知，对用于替代卤代烷气体灭火系统来讲二氧化碳系统可算是其中之一，其他如INERGEN，七氟丙烷（FM-200）等灭火系统在安全性，灭火浓度，灭火效能等方面均优于二氧化碳系统。但由于其较为高昂的价格，加之目前国内应用经验不足，应用推广还需一段时间的证明。因此，二氧化碳灭火系统仍然充当着重要角色。尤其是在火力发电厂气体消防系统中会有较广泛的应用。我们有必要充分掌握其设计方法，了解其系统性能。2.系统概述二氧化碳在常温下为气态存在，它的临界温度是31.4C临界压力7.4Mpa(绝对压力)，固、液、气三相共存点的温度为-56C，该点的压力是0.52MPa(绝对压力)。在该压力下液相不复存在；在该温度以上固相不复存在。故在三相点与临界点之间存于密闭容器中的二氧化碳是以液气两相共存的，其压力随温度的升高而增加。二氧化碳作为灭火剂用于消防系统的二氧化碳药剂通常存储在钢瓶中，分为常温高压储存，和低温低压储存。常温高压储存分为三个级别：0C-40C；0C-49C；0C-60C。低温储存：-20C~-18C。由常温储存的钢瓶组成的防护系统称为高压系统，由低温储存的钢瓶组成的防护系统称为低压系统。从系统所针对的保护对象来分，又可分为局部应用系统和全淹没系统。从系统的防护分区来分，又可分为独立运用系统和组合分配系统。从系统的组成形式来分，又可分为有管网系统和无管网系统。上述各种系统时从各种不同角度将二氧化碳系统分类，实际应用中，由于其设备及其技术的成熟和进步，可根据保护对象不同的条件，主要分为两大系统：即局部应用系统和全淹没系统。全淹没系统是指二氧化碳从系统中释放出来，液态的二氧化碳大部分被汽化，大约1kg液态二氧化碳产生0.5M3的二氧化碳气体，在被保护的环境里扩散以至全部充满封闭空间，形成较为均匀的并高于空间内被保护物的灭火浓度，而不论空间内着火部位的灭火系统。该系统保护的是空间内所有物体而不针对具体的物体。局部应用系统与全淹没系统不同，从存储容器释放出的二氧化碳气体通过喷头直接、集中地喷放到被保护对象上。要求喷放的二氧化碳能够穿透火焰，在燃烧物表面达到一定的供给强度，并延续一定的时间。为使二氧化碳穿过火焰而有效灭火，气相喷放效果甚微，只有液态的二氧化碳才具备穿透力和灭火效率。本文不对低压二氧化碳消防系统作讨论。2.1适用范围和设计参数二氧化碳灭火系统可用于扑救如下火灾：1）液体或可熔化的固体（如石蜡，沥青）火灾；2）固体表面火灾及部分固体（如棉花，纸张）深位火灾；3）气体火灾（指灭火前可切断气源的火灾）；4）电气火灾；5）用于火灾危险性大的部位及设备的经常性防护。二氧化碳灭火系统的禁止用于扑救如下火灾：1）含氧化剂的化学制品，如硝化纤维、火药、过氧化氢等；2）活泼金属，如钾、钠、镁、钛、锆等；3）金属氢化物，如氢化钾、氢化钠等。对于火力发电厂和变电站工程中常采用二氧化碳系统对特殊房间和设备进行消防和保护，在«火力发电厂与变电所设计防火规范»GB50229-96中规定了气体灭火系统的使用范围，其中电子设备间；控制室；计算机房；继电器室等原使用卤代烷气体灭火系统的部位，均可使用二氧化碳灭火系统。除规范规定范围外，汽机轴承、磨煤机、煤粉斗、电缆夹层等也可使用或选择使用二氧化碳进行防护。总之，对于不同的部位或设备采用何种手段，何种系统进行防护不是一个简单的问题，需进行多方位慎重的分析和比较二氧化碳灭火作用主要在于窒息，其次是冷却。当二氧化碳从容器中释放出来，容器中压力骤然下降，液态的二氧化碳瞬间汽化，由于焓降，吸收大量的热量，温度急剧下降，当其达到-56C以下，一部分气相分子转变成固相颗粒，形成干冰，干冰吸收热量而升华和温度很低的气体吸收周围环境的热量，从而起到冷却作用。另外，笼罩在燃烧物周围的二氧化碳气体还能起到隔热作用。上述过程在二氧化碳灭火机理中起次要作用。二氧化碳的主要灭火作用为降低燃烧物周围的氧含量，从而起到窒息作用，当空气中氧气的含量低于15%时，燃烧不能继续。二氧化碳-空气混合气体中物质维持燃烧的极限氧含量见表1：表1.燃料甲烷乙烷丙烷丁烷庚烷己烷汽油乙烯天然气苯氢一氧化碳甲醇乙醇乙醚二硫化碳极限氧含量（体积%）14.613.414.314.514.414.514.411.714.413.95.95.913.513138已知极限含量,可计算出某物质的二氧化碳灭火浓度：C=（21-[O2]）/21100（1）式中：C-二氧化碳灭火浓度，（体积%）[O2]-二氧化碳~空气混合气体中某物质维持燃烧的极限氧含量（体积%）21-指一般空气中的氧含量，（体积%）根据上述公式计算出的结果仅为理论上的，与实际测定的结果有一定的差距，尤其是对于固体燃烧物，其差别更大。这是因为虽然热产生率与物性有关，但热散失率却与物质的结构有关。因此，最终灭火浓度的确定应针对燃烧对象通过实验进行测定。规范规定“二氧化碳设计浓度不应小于灭火浓度的1.7倍,并不得低于34%”。各可燃物二氧化碳的设计浓度及灭火抑制时间按下表采用：表2.可燃物Kb设计浓度（%）抑制时间（min）丙酮1.0034-乙炔2.5766-航空燃料115#/145#1.0536-粗笨（安息油、偏苏油）苯1.1037-丁二烯1.2641-丁烷1.0034-丁烯-11.1037-二硫化碳3.0372-一氧化碳2.4364-煤气或天然气1.1037-环丙烷1.1037-柴油1.0034-二乙基醚1.2240-二甲醚1.2240-二苯与氧化物的混合物1.4746-乙烷1.2240-乙醇1.3443-乙醚1.4746-乙烯1.6049-二氯乙烯1.0034-环氧乙烷1.8053-汽油1.0034-己烷1.0335-正庚烷1.0335-正辛烷1.0335-氢3.3075-硫化氢1.0636-异丁烷1.0636-异丁烯1.0034-甲酸异丁酯1.0034-航空煤油JP-41.0636-煤油1.0034-甲烷1.0034-醋酸甲酯1.0335-甲醇1.2240-甲基丁烯-11.0636-甲基乙基酮（丁酮）1.2240-甲酸甲酯1.1839-戊烷1.0335-石脑油1.0034-丙烷1.0636-丙烯1.0636-淬火油（灭弧油）、润滑油1.0034-纤维材料2.256220棉花2.005820纸张2.256220塑料（颗粒）2.005820聚苯乙烯1.0034-聚氨基甲酸酯1.0034-电缆间和电缆沟1.504710数据存储间2.256220电子计算机房1.504710电气开关和配电室1.204010带冷却系统的发电机2.0058至停转止油浸变压器2.0058-数据打印设备间2.256220油漆间和干燥设备1.2040-纺织机2.0058-电气绝缘材料1.504710皮毛储存间3.307520吸尘装置3.307520上表中未列出的可燃物，其灭火浓度应通过试验确定。Kb=ln（1-C）/ln（1-0.34）（2）式中：Kb-物质系数C-某物质的二氧化碳灭火浓度3．系统设计上文提到从系统形式上来讲二氧化碳消防系统最终归结为局部应用系统和全淹没系统。3.1全淹没系统设计3.1.1全淹没系统适用范围全淹没二氧化碳消防系统系统在电厂和变电所均有应用对象,电厂中的全淹没系统一般将几个分区统一考虑设计为组合分配系统,如集中控制楼或单元控制楼中的电子设备间、控制室、计算机房、继电器室、电缆夹层，变电站的室内变压器等。电厂的电缆隧道也可考虑使用二氧化碳消防，而且由于其火灾危险性高，灭火难度大，属无人场所，加之，对于电厂电缆隧道的消防一直未能找到有效的方法。常规的方法是采用阻燃电缆，局部封堵，或在隧道中再加上悬挂式卤代烷1211灭火器。卤代烷灭火器国家公安部已有明令规定，由于1211为破坏大气臭氧物质，因此在非必要场所已禁止使用。随着人们环保意识的增强，建议设计者最好不用此类灭火器。根据来自电厂的信息显示，电厂电缆夹层和电缆隧道的火灾发生率是很高的，扑救难度大，尤其是电缆隧道，火灾发生时毒性烟雾很重，很难判定着火点，加之人员无法进入隧道，所以一直是一个消防难题。采用全淹没式高压二氧化碳消防系统，可以对重点隧道段实施有效的针对性防护，从而大大减少火灾损失，是十分有意义的。随着设计观念的不断更新，模块化，分散控制的设计模式已开始引入大型火力发电厂和变电所的设计中，这样有利于节省系统投资，便于管理。这对于高压二氧化碳气体消防系统来讲，相对于低压二氧化碳系统可能更为适用。因为新的设计理念的引入，导致被保护对象的分散，从而增加系统的数量，由于高压二氧化碳系统的日常维护较低压系统简单容易得多。当然由，气体消防系统的投资有可能增加，但对于电厂总体来讲还是节约的。3.1.2保护区的封闭要求对于一个封闭空间内的对象进行全面保护时应采用全淹没系统，保护区的开口是一个至关重要的问题，因为开口是灭火剂流失的重要根源，当保护区内的开口总面积超过保护区的总表面积的3%时就不适宜适用全淹没系统而应采用局部应用系统，这样更经济合理。由于常温常压条件下二氧化碳的比重比空气重1.5倍，因此保护区的底部是不允许开口的。对于深位火灾，不允许在灭火过程中出现侧面开口，否则灭火剂会流失。虽然全淹没系统对封闭空间的定义和要求都很严，但在封闭空间内还必须按规定设置泄压口，因为二氧化碳在释放时的压力是很大的。为此，应根据建筑维护结构的允许压强保留或设置适当的开口。其计算公式如下：AX=0.45Q/P1/2（3）式中：AX-泄压面积（m2）Q-二氧化碳喷放速率（kg/s）P-维护结构的允许压强（Pa）允许压强选取：标准建筑P=2.4kPa；高层建筑和轻型建筑P=1.2kPa；地下建筑P=4.8kPa。3.1.3全淹没系统二氧化碳的设计用量决定二氧化碳设计用量的主要因素是设计灭火浓度，被保护区的体积及表面积亦会对设计用量产生影响。二氧化碳用量计算公式如下：W=Kb（0.2A+0.7V）（4）A=Av+30Ak（5）V=Vg+Vn（6）式中：W-二氧化碳设计用量（kg）；Kb-物质系数(根据表1选取)；Av-保护区的总表面积，包括内侧面、底面、顶面（包括开口）的总面积（m2）。Ak-开口的总面积（m2）。Vg-保护区的净容积（m3）。Vn-通风带来的附加体积（m3）。其值的计算，指在二氧化碳喷放时间和灭火必须保持的抑制时间内，通过机械装置从保护区排出或送进的空气量。常数0.2-(单位kg/m2),考虑流失影响的系数；常数0.7-(单位kg/m3)，作为二氧化碳基本用量的系数；常数30-开口补偿系数。上述公式中V的计算式与规范中的计算略有不同，规范中给出的公式为：V=Vv-Vg（7）该式中：V-保护区的净容积（m3）Vg-保护区内非燃烧体和难燃烧体的总体积（m3）。V