主變壓器消防細水霧滅火系統GB標準與NFPA標準的對比

黃 毅

（上海勘測設計研究院有限公司，上海市 200335）

1 引言

發電工程中開關站（變電站）是輸送電力的核心部位，其中最重要的輸變電設備是主變壓器，必須設置可靠的消防措施，保護其運行安全。

水是最常用的滅火劑，應用方便、來源豐富、價格低廉，因此，在消防上獲得廣泛的應用。其中細水霧滅火系統具有清潔、高效的滅火特點，是20世紀末發展起來的哈龍滅火系統的替代系統之一，高壓細水霧滅火系統的壓力高、管道管徑小、布置緊湊；用水量少、水漬損失少；細水霧滅火除煙效率高、隔熱冷卻效果好、電氣絕緣性能好，有利于保護人員疏散等，在主變壓器及變電站設備房消防上得到較多應用。

目前我國的高壓細水霧滅火系統正處于國外產品進入、國內產品跟進的發展階段，國內應用在重要變電站的消防設備都選用了歐美產品。為了更好地完成發電工程變電站的消防設計工作，有必要對細水霧滅火系統的國內外技術標準進行對比理解。

2 概述

細水霧滅火系統的技術標準，有我國的GB 50898《細水霧滅火系統技術規范》，美國消防協會的NFPA750《Standard on Water Mist Fire Protection Systems（細水霧滅火系統標準）》，歐盟的CEN/TS14972《固定滅火系統——細水霧滅火系統設計安裝標準》，以及美國工廠互保研究中心（Factory Mutual）的FM5560《細水霧滅火系統認證標準》等，各國的標準都對細水霧的設計、施工、驗收、維護管理、安全性問題等進行了指導和規定。

本文將GB 50898—2013標準和美國NFPA 750—2015版標準進行對比和分析，從設計單位關注的系統定義及分類、主要設計參數、水力計算方法、主要設備部件的設置要求等方面，提出一點粗淺的認識和看法。除了本文的設計關注點，上述技術標準還對系統施工及驗收、維護管理等提出了一些要求和建議，對指導工程的建設實施也是非常實用的。

3 標準的對比

3.1 定義及分類

無論GB標準還是NFPA標準，對細水霧的定義都是指噴頭在最小設計工作壓力下、霧滴在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑分布DV0.99（指噴霧液體總體積由1%直徑大于該數值、99%直徑小于或等于該數值的霧滴組成）為某值的水霧。那么DV0.99的值是多少呢？NFPA標準3.3.22條對細水霧的定義，“A water spray for which theDV0.99, for the flow-weighted cumulative volumetric distribution of water droplets is less than 1000μm within the nozzle operating pressure range.”細水霧也就是DV0.99≤1000μm的水霧。針對此條，在附錄中進行了說明，“This standard addresses the use of fine water sprays for the efficient control, suppression, or extinguishment of fires using limited volumes of water.Properly designed water mist systems can be effective on both liquid fuel(Class B) andsolid fuel (Class A) fires.Research indicates that fine(i.e., smaller than 400 microns) droplets are essential for extinguishment of Class B fires, although larger drop sizes are effective for Class A combustibles, which benefit from extinguishment by fuel wetting.For this reason, the definition of water mist in this standard includes sprays withDV0.99of up to 1000μm”。雖然研究結果表明，DV0.99≤400μm時能較好地撲滅B類火災，但考慮較大的水滴能有效撲滅A類火災，標準還是將細水霧定義為DV0.99值≤1000μm。GB標準中直接對細水霧的定義為“水在最小設計工作壓力下，經噴頭噴出并在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑DV0.50小于200μm、DV0.99小于400μm的水霧滴”，可見，該標準中DV0.99值小于400μm。

對于DV0.99值，GB標準中分析了國家權威專業機構的實際測試數據后進行了解釋：按NFPA標準中采用DV0.99≤1000μm的分類方法，水噴霧范圍內的水霧也包括在其中，不利于區別細水霧滅火系統和水噴霧滅火系統的工程應用。因此，對主變壓器這種B類火災來說，GB標準中的定義DV0.99值＜400μm更合理，查閱NFPA標準時要注意它的附錄說明。

對于細水霧滅火系統的分類，NFPA標準按工作壓力分類，大于等于3.45MPa為高壓、1.21～3.45MPa之間為中壓、小于等于1.21MPa為低壓；而GB標準中沒有定義壓力等級的高低。工程實際中，通常按NFPA標準分壓力等級，分別是高壓系統工作壓力大于等于3.45MPa、中壓系統工作壓力在1.21～3.45MPa、低壓系統工作壓力小于等于1.21MPa，這樣便于直觀理解。

3.2 系統設計參數

細水霧滅火系統主要的設計參數包括噴霧強度、噴頭參數和持續噴霧時間，理論上設計參數應根據實體火災模擬試驗結果確定。為了方便設計，GB標準在分析、歸納、總結的基礎上給出了一些典型值。以保護油浸式變壓器為例，GB標準中規定：“細水霧滅火系統用于保護油浸式變壓器室、噴頭工作壓力≤10MPa時，噴頭的安裝高度≤7.5m，系統最小噴霧強度1.2L/（min·m2），噴頭的最大布置間距3.0m，設計持續噴霧時間不應小于20min ”；NFPA標準中沒有對具體的保護對象提供噴霧強度、噴頭參數的要求，籠統地推薦“ (細水霧系統的）水量應能持續供應不少于30min”，與標準引言“1.2.2 The user of this standard shall recognize the complexity of water mist fire suppression systems.”and “1.3 This standard shall apply to water mist fire protection systems and shall establish minimum requirements for water mist technology on the basis of sound engineering principles, test data, and field experience.”所表達的“用戶應認識到細水霧滅火系統的復雜性，本標準是基于成熟的工作原理、可靠的試驗數據和現場經驗提出的最低要求”所表達的觀點一致。

由于細水霧產品多種多樣，不同制造商生產的產品性能差異較大，影響細水霧滅火效果的因素眾多、關系復雜，細水霧滅火系統的應用應建立在實體火災試驗或實體火災模擬試驗的基礎上。因此，工程設計之初，可按不小于GB標準的規定值進行初定，后期招標確定具體制造商后，應結合經試驗驗證的實際產品性能參數進行設計，保證消防系統的可靠和安全。

3.3 水力計算

細水霧滅火系統設計的重要內容就是管網的水力計算。采用的計算方法，GB標準和NFPA標準一致。計算沿程損失，推薦Darcy-Weisbach（達西—魏茨）公式，該公式考慮了管道的粗糙度、流體密度、動力黏度等，較復雜，但是結果精確；當管徑≥20mm、流速小于7.6m/s時，也可以采用Hazen-Williams（海澄—威廉）公式簡化計算，海澄—威廉公式只考慮了管道的材質（粗糙度）因素。計算局部損失，推薦采用當量長度的計算方法，結果較精確，大部分管件和常用閥門的當量長度都有經驗值可插取，但滅火系統獨特結構的過濾器、閥門等的當量長度往往需要制造商提供，在系統初期設計計算時非常不便；因此，一般初算時，將沿程損失值乘以一定的系數作為局部損失值以計算總損失。

水力計算的難點是系統設計流量的精確計算，因為保護區內管網上同時動作的噴頭數量多、流量和工作壓力是動態變化的。GB標準推薦的計算方法是以最不利點噴頭滿足最小設計工作壓力和設計流量的原則，按同時動作的每個水霧噴頭處的損失推算到它的實際工作壓力，逐個計算各噴頭的流量，然后累計同時動作的噴頭流量總和。這個方法也是我們常用的工程管網計算軟件中采用的。NFPA標準中未詳細提及。

確定系統設計流量和管網損失、噴頭最小工作壓力后，就可以選擇消防供水泵了。

3.4 消防泵

首先，消防泵的設計流量和工作揚程，應滿足系統最大滅火時的要求；第二，消防泵要有備用，包括流量備用和動力源備用[1]。這兩點基本原則，GB標準和NFPA標準是一致的。其中，動力源100%備用是大家都認可的，但兩個標準對流量備用的說法有所不同。

GB標準提出“工作泵及穩壓泵均需要設置備用泵，備用泵的流量和壓力等要求與最大一臺工作泵相同”，NFPA標準第12.5.2.2條，“Electrical or diesel-driven pumps supplying water mist systems shall be of sufficient capacity to exceed both the system flow rate and pressure demands as determined by hydraulic calculations, by a minimum of 10 percent for bothflow and pressure.”規定“供應細水霧的電力或柴油泵應具有足夠的容量，其流量和揚程超過設計計算值的10%”。

以保護地下大型開關站（變電站）中主變壓器室及主要電氣設備室（如GIS室、柴發、電抗器室等）的高壓細水霧滅火系統為例，由于各保護對象的消防用水量差別比較大，最大的保護對象是油浸式變壓器室，其余保護區的用水量只有最大用水量的1/4～1/8左右。按NFPA標準和消防水泵的相關樣本，高壓細水霧消防供水泵可選用5～6臺主泵并聯運行加1臺備泵的方式（見圖1），通過靈活組合啟動的消防泵數量從而滿足不同的消防用水量需要[2]，此時大部分保護區的消防泵都達到100%的流量備用，最少有16%～20%的備用。如果按GB標準，除了配1臺備用泵外，主泵臺數可設1臺、2臺、3臺直到n臺，當然最經濟合理的是設置5～6臺主泵方案。可見，消防泵作為主要的消防供水設備，NFPA標準中規定備用流量的比例，對工程設計更具有指導性。

圖1 細水霧泵組Figure 1 Water mist pump units

3.5 水霧噴頭

水霧噴頭是細水霧滅火系統的關鍵滅火部件，見圖2，由于噴頭的霧化效果和滅火性能需要通過型式試驗和火災模擬試驗驗證[3]，不同品牌產品的滅火性能差別較大，因此，GB標準和NFPA標準都只是提出了噴頭選擇和布置的一些原則。

GB標準主要提出了噴頭對不同的保護對象的布置原則和要求，保證細水霧噴放均勻、完全覆蓋保護區域，噴頭與保護對象、帶電設備的安全距離等；尤其對保護油浸式變壓器的噴頭布置進行了較詳細的規定，對工程設計比較實用。NFPA標準則建議選用時收集生產制造上的信息，提醒應該關注噴頭的哪些性能，包括噴頭流量、安裝高度、布置間距、作用面積、工作壓力、適用的保護對象的特征等，更注重與制造商的專業配合工作。

總之，合理的噴頭結構設計、精細的加工質量以及合適的布局，才能保證水霧噴頭取得良好的滅火效果[4]。

圖2 水霧噴頭Figure 2 Water mist nozzles

4 結語

細水霧滅火系統的GB標準與NFPA標準相對比，GB標準給出了典型保護對象設計參數的強制性規定作為設計依據，使設計工作更加便捷高效；NFPA標準給出了精細的系統壓力分類、消防泵設計要求等，但在參數的使用方面較謹慎，很多參數需要經過試驗研究后確定，雖然工作嚴謹，但對初期的設計工作造成了不便。總的來說，NFPA標準的優勢在于更注重細節，GB標準的優勢在于更注重對宏觀的把控。

作為電氣設備滅火最經濟、使用最廣泛的一種，進行細水霧滅火系統的設計時，要綜合運用GB標準和NFPA標準，充分考慮保護對象的火災特性、空間幾何特征、環境條件等實際情況，項目前期采用估算的方式，實施階段采用具體設備試驗性能來準確計算并完成詳細設計工作，使細水霧滅火系統真正承擔起對電氣設備有效的防護，保證電力工程的安全穩定運行。