NFPA12標準下水電站發電機CO2滅火管路設計探討

王 偉，曹 靜

(1.四川省電力工業調整試驗所，四川成都 610016;2.中水顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

中國水電建設和設計公司進入國際市場，會面臨很多挑戰，比如，使用語言不一致，在交流方面與在中國執行合同過程中顯然不一樣;中國設計單位和建設單位要在國際上逐漸樹立自己的品牌，贏得國際社會認可;投標與合同執行過程中采用新的設計、建設標準，要重新了解、學習、掌握國際標準與中國標準的不同，以便在投標、合同談判以及執行過程中游刃有余。發電機滅火標準就是其中的一項。與中國采用水噴霧滅火不同，國外一般執行NFPA12標準，采用發電機CO2滅火。

1 水電站發電機水噴霧滅火與CO2滅火比較

中國水電站發電機滅火設計中采用水噴霧滅火，但國外水電站尤其是美國、歐洲電站或者在歷史上被歐洲殖民過的國家中一般采用發電機CO2滅火。國外電站一般采用無人值班的方式，當發電機失火，CO2滅火系統可自動將火災撲滅。中國水電站雖然按照“無人值班”設計，但實際上一般采用少人值班，達不到“無人值班”，所以，發電機使用CO2滅火對電站運行人員有一定的危險性。表1列舉水電站發電機水噴霧滅火與CO2滅火的優缺點。

表1 水電站發電機水噴霧滅火與CO2滅火的優缺點

2 發電機CO2滅火管路設計

2.1 設計要點

首先，發電機CO2滅火使用標準要根據業主要求，NFPA12或國標GB 50193，標準不同決定了CO2使用量不同。其次，發電機CO2滅火系統組成要根據業主要求，比如全廠設置發電機CO2滅火系統數量，以及主噴放滅火濃度、主噴放時間、延時噴放滅火濃度、維持濃度時間。再次，業主對于系統動作以及停止的要求。如，感溫探頭探測溫度達到80℃，并有感煙探頭警報，CO2滅火系統收到報警后動作。在機組檢修時，系統可探測發電機機坑進人門是否打開，如果打開，即使有火災報警，發電機滅火系統也不動作，保證電站工作人員的人身安全。最后，過壓保護系統。一般認為機坑是一個密閉系統。CO2氣體進入機坑內滅火后，抽離裝置未開啟前的基坑壓強雖然不足以將風罩混凝土破壞，但是出于保護發電機附屬設備以及基坑蓋板不變形，要設立過壓保護系統。

2.2 實例計算

以非洲某項目水電站發電機CO2滅火管路設計為例。該項目共10臺機組，單機容量187 MW，機坑內凈空間按照機坑體積減去定、轉子體積(定、轉子重量除以銅的密度)來估算，經計算機坑內凈空間約683.42 m3。主合同要求全廠發電機共設置兩套CO2滅火系統，即每5臺發電機共用一套CO2滅火系統。滅火系統分為主噴放和延時噴放兩階段。主噴放階段CO2濃度達到40%，并在60 s內噴放完畢。1 min時啟動延時滅火設備，應在20 min內保持CO2密度25%。CO2使用70 L、42 kg(每個鋼瓶的重量定義為m)容量鋼瓶儲存，鋼瓶儲存間平均溫度約為20℃，此時鋼瓶內壓強為15 MPa。僅考慮一臺發電機失火情況。

1)主噴放階段CO2鋼瓶數量

根據NFPA12中表5.3.3(b)條規定，在34%的條件下，127.36～1 415 m3空間容積范圍內，選 1.3 m3/kg，得出需要 CO2滅火劑重量為 683.42/1.3=525.7 kg。

根據NFPA12第5.3.4條規定，超過34%的設計濃度對象，按圖5.3.4增加用量，按主合同要求，初始濃度40%，查表得系數1.204，則初始設計用量為

M1=525.7 ×1.204=632.95 kg

N1=M1/m=632.95/42=15.07 瓶

取16瓶。

式中，M1為套發電機CO2滅火系統主噴放階段所需CO2質量;N1為套發電機CO2滅火系統主噴放階段所需CO2鋼瓶數量。

2)延時噴放階段CO2鋼瓶數量

根據NFPA12中表 A5.5.3(b)條規定，查表插值得延時系統滅火噴射應維持25%濃度20 min的CO2最低估算量為 M2=620.5 kg。

N2=M2/m=620.5/42=14.77 瓶

取15瓶。

式中，M2為一套發電機CO2滅火系統延時放階段所需CO2質量;N2為一套發電機CO2滅火系統延時放階段所需CO2鋼瓶數量。

3)過壓保護系統計算

使用公式:理想狀態氣體公式——P1×V1/T1=P2×V2/T2

分壓定律——在一密閉容器內裝有混合氣體，容器內的總壓強P等于所有氣體的壓強和。

從啟動CO2滅火系統后，可以分為兩個階段，第一階段是CO2從主噴放鋼瓶及延時噴放鋼瓶中釋放至機坑內(初始是氣液兩相，隨時間和溫度的變化，最終變成氣態)，并且CO2溫度由20℃上升至80℃(根據設定的火災報警溫度)。第二階段是機坑內空氣及CO2(考慮此時全部變成氣態)混合后壓強增加。暫時不考慮CO2由氣液兩相轉化為氣態的過程中吸熱，機坑內溫度下降。

第一階段:鋼瓶內CO2的壓強為P1=15 MPa，主噴放與延時噴放鋼瓶內CO2的體積為V1=31×70/1 000=2.170 m3，鋼瓶間溫度為 T1=20+273=293 K;P2為機坑內CO2氣體的壓強，機坑內體積為V2=683.42 m3，發生火災后機坑內的溫度為T2=80+273=353 K。

P2=P1×V1×T2/T1/V2=15×2.17×353/293/683.42=0.057 4 MPa

第二階段:常壓空氣由20℃變為80℃時，壓強變化不大，與上面計算類似，總壓強由分壓定律得P=0.122+0.057 4=0.179 4 MPa。

由于未考慮CO2由氣液兩相轉化為氣態的過程中吸熱，機坑內溫度下降。機坑內實際壓強應該小于0.179 4 MPa，大于標準狀態下大氣壓力，但是根據NFPA 5.6.2計算泄壓孔的面積，配置泄壓孔。泄壓孔需由管路連接至室外。

式中，Q為CO2噴放速率，kg/min，因延時噴放在主噴放1 min后才開始，所以，CO2噴放速率取兩次噴放的較大值，取42×16=672 kg/min;P為建筑物可承受壓強，kPa，因為發電機基坑可承受壓力較大，取值為4.8 KPa;X為泄壓孔面積，mm2。

X=239 ×672/4.80.5=73 307.19 mm2

4)主噴放管路以及延時噴放管路管徑選擇

式中，D為管路直徑，mm;Q為平均主管管路中的流量，kg/min;T為噴放時間，1 min。

由上式，可計算出主噴放管路與延時噴放管路主管管徑均可選用DN50。

5)管路材質及壁厚選擇

管路材質一般根據主、合同要求。合同沒有要求的，可以使用不銹鋼管、焊接鋼管，若使用焊接鋼管要內外鍍鋅，個別項目業主要求不能內鍍鋅，但可以涂防銹油漆，根據合同要求執行。管路安裝完畢后需要進行打壓試驗，一般鋼管均可承受，若合同已經規定的管路腐蝕厚度，應根據管路壁厚計算公式計算，然后選擇鋼管厚度。公式如下。

式中，S為管路壁厚，mm;P為管路設計壓力，MPa;d為管路公稱直徑，mm;σ為設計工作溫度下材料許用應力，MPa;c為腐蝕厚度，mm;:▽S為制造偏差，取15%管路壁厚，mm。

6)滅火后氣體抽離系統

發電機滅火后，需要從發電機機坑內將CO2抽離，并且排出室外。

3 結語

從水電站設立值班人員數量看，中國值班人員較多，國外水電站多按照無人值班設計，尤其是歐洲電站。在中國水電站，發電機水噴霧滅火發生誤報警誤動作時，若滅火采用自動方式，則水噴霧會使線圈損壞，導致水電站損失較大，所以中國發電機水噴霧滅火一般采用手動方式。當有報警發生后，值班人員去現場確認，確認發生火災后，手動啟動滅火裝置，給發電機滅火。這時，發電機滅火快慢取決于值班人員的動作快慢。無人值班水電站一般采用發電機CO2滅火，發生火災后滅火系統動作迅速，即使誤動作，抽離CO2后，不影響機組繼續使用。隨著社會和科技的發展，中國水電站會逐步實現無人值班，發電機滅火也會由水噴霧滅火為主，逐步改變為CO2滅火。

［1]NFPA 12 －28，Standard on Carbon Dioxide Extinguishing System［S］.