氣體滅火系統(tǒng)在地下變電站的應用探討

田 珍，田 會，刁懷亮，李 燕

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250100）

近年來，為配合城市景觀及節(jié)約土地，城市變電站常常采用全地下形式。由于變壓器等含油電氣設備都布置在地下變電站，因此地下站的消防不同于常規(guī)地上站，有其特殊要求。由于傳統(tǒng)水滅火系統(tǒng)用水量巨大，排水存在問題，造成泵站面積較大和埋深較大，從而導致投資增加。由于滅火時地下站各設備房間應全封閉，所以固定式全淹沒氣體滅火系統(tǒng)是最為經(jīng)濟合理的滅火系統(tǒng)，因此被地下變電站消防設計采用。

氣體滅火系統(tǒng)的滅火劑為化學氣體，系統(tǒng)包含化學氣體和火災探測報警系統(tǒng)。水滅火系統(tǒng)常用于固體可燃物的火災，但是氣體火災、液體火災及電器火災沒有能力滅除，氣體滅火系統(tǒng)彌補傳統(tǒng)水滅火系統(tǒng)的缺點，具有滅火高效、高速且不損壞物體、無污染的特點。

1 常用氣體滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析

1.1 二氧化碳滅火系統(tǒng)

該滅火系統(tǒng)是應用最早的氣體滅火系統(tǒng)，其滅火機理是物理方式（窒息、冷卻）。二氧化碳氣體滅火系統(tǒng)是目前僅有的可用于全淹沒滅火系統(tǒng)和局部應用滅火系統(tǒng)的氣體滅火劑。

1.1.1 主要優(yōu)點

滅火快速、不損壞保護設備且空間淹沒性好。若為高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)，二氧化碳氣體在常溫狀態(tài)下可以液態(tài)存儲，具有結構簡單、高安全性能及低運行費用等優(yōu)點。

1.1.2 主要缺點

一是CO2具有低毒性，致人死亡的濃度為20%，而系統(tǒng)滅火的最低濃度為34%（電子機房設計最低濃度為40%），因此對人身傷害的風險較大。盡管實際應用中采取延時30 s等措施來疏散防護區(qū)人員，但國內(nèi)意外發(fā)生的事例仍屢見不鮮。二是CO2噴射時，汽化時吸熱，冷凍效應較強，會影響磁記錄設備的正常運行。三是因為CO2屬三原子分子結構，屬于溫室氣體，是造成地球“溫室效應”的元兇之一。

1.2 惰性氣體滅火系統(tǒng)

該滅火系統(tǒng)的滅火劑是由氮、氬和二氧化碳，按一定比例組合而成的，其中氮氣成分占52%，氬氣成分占40%，二氧化碳成分占8%。該系統(tǒng)采用全淹沒滅火方式，是一種物理方式，通過釋放惰性混合氣體，使防護區(qū)空氣中的氧氣濃度降低，阻止燃燒從而將火災撲滅。

1.2.1 主要優(yōu)點

一是滅火劑由自然氣體組成，無毒、無腐蝕性分解物產(chǎn)生，是一種綠色環(huán)保型氣體，滅火使用濃度噴放不會人體造成傷害。二是存儲方式為高壓儲存，氣態(tài)輸送保護半徑較大。三是可采用組合分配系統(tǒng)用于防護區(qū)較分散的工程。

1.2.2 主要缺點

儲存方式為高壓儲存，儲存壓力高。

1.3 七氟丙烷滅火系統(tǒng)

七氟丙烷是一種人工合成的滅火劑。七氟丙烷滅火系統(tǒng)（FM-200）是一種潔凈氣體自動滅火系統(tǒng)，滅火機理是當FM-200滅火氣體釋放到全淹沒式系統(tǒng)環(huán)境時，會發(fā)生一系列的物理和化學反應，短時間內(nèi)有效地消除熱能，從而阻止火災的發(fā)生。

FM-200的物理反應表現(xiàn)為在七氟丙烷分子汽化階段能迅速吸收大量的熱量，冷卻火焰溫度，并且在化學反應中會釋放游離基，阻止燃燒的連鎖反應。

1.3.1 主要優(yōu)點

一是滅火效率高，尤其是單一的保護空間，滅火劑用量少。二是滅火劑人身安全性高。三是滅火劑為低壓存放，安全性好。四是占地少，投資省[1]。

1.3.2 主要缺點

一是保護區(qū)之間高差大或輸送距離長，不宜采用該滅火系統(tǒng)。二是使用范圍較小，僅適用于500 m2以下及2000 m3以內(nèi)的防護區(qū)。三是滅火過程中產(chǎn)生的酸性氣體，會對人及保護對象有害，但其濃度較低，不會對電子儀器及精密儀器和貴重物品產(chǎn)生損害。四是藥劑使用成本高，約為1301藥劑的2.5倍。

2 地下變電站氣體滅火系統(tǒng)的比選

選用潔凈氣體滅火劑所考慮的指標和技術要求有10項，分別為：蒸發(fā)后的殘漬，應無殘留；滅火的效率；對臭氧層破壞能力（耗損潛能值，ODP）；在大氣中存留時間（ALT）；毒性應為低毒或無毒；對溫室效應的影響（溫室效應潛能值，GWP）；導電性能，應具有良好電絕緣性；儲存的安全性能，具有良好的儲存性和穩(wěn)定性；滅火濃度，相對于哈龍1301的滅火濃度；經(jīng)濟合理性，考慮市場價格。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范及各滅火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，筆者對下述幾個方面進行分析比較。

2.1 適用范圍

CO2、IG-541滅火系統(tǒng)可以應用于任何空間大小的保護區(qū)域，尤其適用于較大的消防工程，工程越大，單位面積的投資越小。FM200滅火系統(tǒng)滅火劑管道輸送距離較短，所以只適用于小保護區(qū)域。而且天花板高度限制FM200滅火系統(tǒng)噴頭的設置，單列噴頭的最大長度為3.7 m，當防護區(qū)域大于3.7 m時，為了迅速有效地滅火，需另設置一列噴頭。

CO2、IG-541、FM200滅火劑均能適用于A、B、C類火災，所以都可以在地下變電站使用。但是，保護范圍有充油電氣設備房間、變配電室及電氣設備房間等總舵種類的房間，且面積較大，層高較高（如主變壓器室，其層高在9 m以上），因此采用IG-541滅火系統(tǒng)和CO2更適合于地下變電站。

2.2 環(huán)保指標比較

通常情況下，選用一些綠色環(huán)保的滅火劑，滅火劑的ODP值越小，合成物的ALT值就越小，GWP值也越小，對環(huán)境破壞越少。三種氣體滅火系統(tǒng)的分析比較如表1所示。

表1 三種氣體滅火劑環(huán)保性能對比

從表1可以看出，CO2和FM-200不破壞臭氧層，但是CO2和FM-200為溫室氣體，其ALT值較大，大量的CO2和FM-200的使用會影響全球的溫室效應，不宜長期使用。IG-541的組成氣體為N2、Ar、CO2，制作滅火劑時，三種惰性氣體來源于大氣，使用后又釋放回大氣，不影響環(huán)境。因此，單從保護環(huán)境來看，IG-541的性能優(yōu)勢是毋庸置疑的，電力行業(yè)設計應結合實際情況，優(yōu)先考慮。

2.3 安全性比較

安全性主要是指滅火劑對人員的安全性，主要表現(xiàn)為三個方面：首先是缺氧引起人員窒息，滅火濃度和二氧化碳濃度是人員窒息主要的因素，高滅火濃度導致滅火劑釋放后防護區(qū)氧濃度低，從而導致人員缺氧。二氧化碳濃度超過10%，就會影響人的正常呼吸，濃度超過25%時就會造成人員缺氧窒息。其次是中毒，藥劑自身的毒性或分解物的毒性導致人員中毒。最后是影響逃生，滅火劑噴放后會降低防護區(qū)的能見度，從而影響人員逃生。表2主要從滅火劑濃度方面進行分析。

表2 三種氣體滅火劑對人體安全性比較

從表2可以看出，CO2系統(tǒng)由于滅火設計濃度高，大大超過了人的致死濃度，危險性極大，故二氧化碳系統(tǒng)不能用于保護經(jīng)常有人的場所。FM-200氣體滅火系統(tǒng)設計濃度、無毒反應與有毒反應濃度非常接近，設計中通過控制滅火設計濃度和噴放時間，可將對人員的毒害降至低于安全濃度。而IG-541的有毒與無毒反應濃度均較高，在IG-541環(huán)境中，氧氣濃度較高，缺氧引起人員窒息的風險大大降低。從對人體安全性而言，IG-541滅火系統(tǒng)及FM-200滅火系統(tǒng)優(yōu)于CO2系統(tǒng)。

2.4 運營維護比較

兩種氣體滅火系統(tǒng)均需按各地的規(guī)定定期檢驗，由于各地的情況和要求不一樣，所以產(chǎn)地不同，運營維護也不一樣。氣體滅火系統(tǒng)的綜合費用包括滅火系統(tǒng)一次性工程投資及運行維護保養(yǎng)費。運行維護保養(yǎng)費主要包含定期的檢查檢驗費、補充藥劑費和維修費。滅火劑價格越高，系統(tǒng)的鋼瓶設備越多，則系統(tǒng)的維護保養(yǎng)費用就越高。根據(jù)常年數(shù)據(jù)分析，各系統(tǒng)的成本比例大約為：七氟丙烷滅火系統(tǒng):IG-541滅火系統(tǒng):CO2滅火系統(tǒng)=1.0:4.5:8.4。

經(jīng)過比較，CO2滅火系統(tǒng)由于成本高，且環(huán)保性能和對人體安全性均很差，所以不推薦采用。IG-541氣體滅火系統(tǒng)雖然環(huán)保性能和人體安全性具有優(yōu)勢，但由于設備及管路布置很復雜，投資和成本較高，經(jīng)濟性很差。七氟丙烷滅火系統(tǒng)環(huán)保性能好且人身安全性方面可以接受，設備及管路布置簡單，投資和成本不高,因此七氟丙烷氣體系統(tǒng)在地下變電站中應用較多。

3 地下變電站中氣體滅火系統(tǒng)設計應注意的問題

3.1 防護區(qū)的設置

電氣設備房間是地下變電站滅火系統(tǒng)的主要防護區(qū)，在氣體滅火系統(tǒng)設計中，很多防護區(qū)并沒有嚴格的固定封閉空間來劃分，而是考慮裝修、采光等因素，采用玻璃隔斷等輕質材料進行劃分且門窗均不能自行關閉。另外，設備間的功能要求不同，所以整個房間只能按照功能分割，不能形成相對封閉的空間，從而導致防護區(qū)的封閉性不能滿足要求、防護區(qū)的門窗和隔墻的耐火極限和圍護構件的耐壓強度也達不到規(guī)范的要求。

為克服上述問題，設計時要著重考慮以下措施：嚴格進行滅火空間的劃分，在緊急狀態(tài)下，所有門窗、風口均能聯(lián)動自動關閉，從而形成封閉空間；為提高圍護構件耐壓強度，建議采用防火玻璃、實墻隔斷；應高效響應，響應時間短；采用補償設計手段，以確保滅火效果。

3.2 管網(wǎng)和噴嘴的布置

噴頭布置應對稱布置，管網(wǎng)布置應簡單和距離最短。設計時要標注出管道的外徑、內(nèi)徑和壁厚等參數(shù)，而不能籠統(tǒng)地標注公稱直徑。如有個別小的防護區(qū)影響系統(tǒng)組合，可采用單獨區(qū)分、設置無管網(wǎng)系統(tǒng)的辦法加以解決。

噴嘴設計與布置應考慮以下幾個因素：防護區(qū)的容積（含大小、形狀）及保護對象的分布和燃燒特性；噴嘴的設計流量和最大保護面積；管網(wǎng)末端最不利處的噴嘴設計壓力；滅火劑在規(guī)定時間內(nèi)噴射到保護區(qū)且均勻地達到防護區(qū)各處的設計的滅火濃度；噴嘴布置均衡性；噴嘴應避免設置在回風口和其他開口位置。

在氣體滅火系統(tǒng)設計時，系統(tǒng)管網(wǎng)的管徑設計步驟為：首先是初步確定管徑，初步確定管徑的設計依據(jù)為平均質量流量，確定的方法是通過實際的計算來確定。其次是確定進行管徑優(yōu)化，最終確定管徑，達到最佳的滅火效果，優(yōu)化依據(jù)為綜合考慮最不利點噴嘴的壓力、噴嘴的數(shù)量和流量以及藥劑的容積和充裝比、管網(wǎng)的容積等因素。

3.3 氣體鋼瓶儲瓶間的設置

為了簡化管路布置和降低管道流動阻力損失，在氣體滅火系統(tǒng)設計時，氣體鋼瓶的儲存間應設置在距離各防護區(qū)較近的地方。設計時，一定要按照氣體滅火系統(tǒng)的設置，綜合考慮該建筑的功能與使用情況，進行合理布局。

3.4 火災報警裝置及滅火系統(tǒng)的聯(lián)動控制

氣體滅火系統(tǒng)包含化學氣體和火災探測報警系統(tǒng)。為了實現(xiàn)火災報警裝置和滅火系統(tǒng)控制的聯(lián)動，消防水、電氣自控專業(yè)需要進行通力合作和相互協(xié)調。設計圖中要完善氣體滅火系統(tǒng)與火災報警系統(tǒng)的聯(lián)動控制要求，同時實現(xiàn)對通風空調系統(tǒng)的控制。

4 結語

氣體滅火系統(tǒng)的設計選型應從安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理、環(huán)保節(jié)能、符合國家及地方法規(guī)政策等方面進行考慮。在地下變電站工程氣體滅火系統(tǒng)設計時，人們要充分結合實際情況，綜合考慮上述因素，為達到最佳的設計滅火效果，選型時要經(jīng)過經(jīng)濟與技術比選，最終確定。隨著現(xiàn)代變電站自動化程度越來越高，無人化運行越來越普及，七氟丙烷、惰性氣體等滅火劑具有環(huán)保無污染、對人體基本無傷害的特點，應當是地下變電站消防設計的發(fā)展方向。