低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)船上應(yīng)用及認(rèn)可要求

中國船級(jí)社 溫玉奎

船用二氧化碳滅火系統(tǒng)按照儲(chǔ)存方式可分為低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)和高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)是指液態(tài)二氧化碳在鋼瓶內(nèi)常溫下儲(chǔ)存的系統(tǒng)，環(huán)境溫度20℃時(shí)，鋼瓶內(nèi)壓力56bar，環(huán)境溫度在25℃至30℃時(shí)，鋼瓶內(nèi)壓力可達(dá)到64bar至71bar。低壓系統(tǒng)是指液態(tài)二氧化碳在低溫條件下儲(chǔ)存的系統(tǒng)，通常儲(chǔ)存溫度-20℃至-18℃，溫度在-18℃，罐體內(nèi)部壓力大約在20bar。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高或低壓系統(tǒng)液態(tài)二氧化碳均是從儲(chǔ)存裝置通過系統(tǒng)管路到達(dá)布置在著火區(qū)域的噴嘴向外釋放，降低著火區(qū)域內(nèi)氧氣含量以窒息作用來實(shí)施滅火。

低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的組成

船用低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的基本組成通常包括：儲(chǔ)存裝置、釋放總管、主釋放閥、分配閥、釋放管路、噴嘴、充裝及平衡管路、釋放及報(bào)警系統(tǒng)、制冷裝置等組成。

儲(chǔ)存裝置通常為一個(gè)大型的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)量相對(duì)較大，充分利用船上二氧化碳間內(nèi)的空間，盡量減少占地面積。儲(chǔ)罐內(nèi)膽通常采用細(xì)晶粒合金鋼，有較高的屈服強(qiáng)度，同時(shí)考慮材料低溫沖擊性能。為了保持儲(chǔ)罐內(nèi)二氧化碳較低的溫度，內(nèi)膽外包裹一層絕熱材料，厚度通過傳熱學(xué)理論計(jì)算獲得，為了防止潮濕空氣的侵入和機(jī)械破壞，絕熱層外包裹一層鍍鋅薄鐵皮。穿過罐體上的管路應(yīng)做好絕熱處理，避免出現(xiàn)熱橋，引起罐內(nèi)低溫二氧化碳與外部空間環(huán)境的熱傳導(dǎo)。

在儲(chǔ)罐上應(yīng)設(shè)置兩個(gè)安全閥，布置應(yīng)使任何一個(gè)安全閥關(guān)閉時(shí)另一個(gè)安全閥需接通儲(chǔ)罐，從安全閥排出的氣體應(yīng)直接排放到艙室外的大氣中。儲(chǔ)罐上通常安裝多套液位測(cè)量裝置，一套是安裝在液位測(cè)量管上的液位傳感器，同時(shí)在液位測(cè)量管與儲(chǔ)罐之間安裝三個(gè)液位測(cè)量閥，可以用來測(cè)量儲(chǔ)罐中液態(tài)二氧化碳三個(gè)特定液位值；另外一套是獨(dú)立的液位測(cè)量管，外部沒有絕熱材料包裹，在應(yīng)急情況可以通過打開測(cè)量管下端與儲(chǔ)罐之間的閥門，觀察管上結(jié)冰的高度判斷儲(chǔ)罐內(nèi)二氧化碳的液位值。在儲(chǔ)罐下端和上端分別設(shè)有充裝管和平衡管，用來補(bǔ)充儲(chǔ)罐內(nèi)的二氧化碳，確保二氧化碳在充裝時(shí)氣、液相平衡。

釋放總管是一個(gè)管子焊接而成的管匯，通過主釋放閥與儲(chǔ)罐連接，同時(shí)也裝有通向各被保護(hù)處所的分配閥。當(dāng)船上二氧化碳滅火系統(tǒng)釋放時(shí)，主釋放閥開啟，二氧化碳?xì)庖夯旌衔锸紫韧ㄟ^釋放總管，然后通過分配閥到被保護(hù)區(qū)域。

釋放及報(bào)警系統(tǒng)包括二氧化碳間遙控釋放和控制面板，消防控制站遙控釋放單元兩部分組成，設(shè)置二氧化碳儲(chǔ)罐高低壓報(bào)警、儲(chǔ)罐內(nèi)二氧化碳液位低報(bào)警、主釋放閥泄漏報(bào)警、制冷系統(tǒng)故障報(bào)警等。當(dāng)船員在消防控制站或二氧化碳存儲(chǔ)間遙控釋放二氧化碳滅火時(shí)，用專用鑰匙打開釋放控制箱，自動(dòng)啟動(dòng)船上被保護(hù)區(qū)域二氧化碳釋放聲光報(bào)警，啟動(dòng)第一個(gè)控制閥，釋放總管上通向被保護(hù)處所的分配閥自動(dòng)開啟，同時(shí)發(fā)出艙室通風(fēng)和燃油切斷信號(hào)，啟動(dòng)第二個(gè)控制閥，經(jīng)過最小20s的延時(shí)，給保護(hù)處所人員留有足夠的撤離時(shí)間，釋放總管與儲(chǔ)罐之間的主釋放閥開啟，二氧化碳?xì)怏w通過釋放管路到達(dá)被保護(hù)處所，當(dāng)釋放時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求時(shí)，主釋放閥自動(dòng)關(guān)閉，具體二氧化碳釋放量設(shè)計(jì)原則為釋放體積至少等于該船受保護(hù)的最大貨物處所總?cè)莘e30%的自由氣體，被保護(hù)的最大機(jī)器處所總?cè)莘e的40%或被保護(hù)的最大機(jī)器處所（包括機(jī)艙棚）總?cè)莘e的35%大者。

圖1 源自國外某低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)制造廠網(wǎng)站

圖2 制冷裝置循環(huán)圖

制冷裝置是確保二氧化碳儲(chǔ)罐內(nèi)始終保持低溫環(huán)境，由于儲(chǔ)罐外的環(huán)境溫度高于內(nèi)部溫度，通過罐壁產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，使儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)二氧化碳?xì)饣瑑?nèi)部壓力增大，因此避免二氧化碳液體氣化，有效控制內(nèi)部壓力，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)必須配備制冷裝置。儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高至某一設(shè)定值制冷裝置自動(dòng)啟動(dòng)，罐內(nèi)的蒸發(fā)器冷卻氣化的二氧化碳，二氧化碳?xì)怏w再次被液化時(shí)內(nèi)部壓力降低，當(dāng)壓力降低到某一設(shè)定值時(shí)，制冷單元自動(dòng)停止工作。制冷裝置主要包括：蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥。蒸發(fā)器是安裝在儲(chǔ)罐內(nèi)最上部的金屬盤管，可以與氣化的二氧化碳?xì)怏w直接接觸，從而使其再次液化，冷凝器可以選擇空氣冷卻或水冷卻兩種型式，空氣冷卻使用專用的空氣冷卻式冷凝器加風(fēng)機(jī)組合，水冷卻通常選擇臥式管殼式換熱器。

高低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)實(shí)例比較

國內(nèi)某船廠建造的汽車運(yùn)輸船，35660總噸，總長169.1米，型寬28米，該船機(jī)艙（包括機(jī)艙棚）體積為8048m，機(jī)艙（不包括機(jī)艙棚）體積為6986m，共4個(gè)車輛處所，其中最大一個(gè)車輛處所體積為31198m，固定式滅火系統(tǒng)的類型選擇二氧化碳滅火系統(tǒng)，根據(jù)SOLAS公約要求計(jì)算，船上應(yīng)配備25.07噸二氧化碳。該船舶安裝高、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的應(yīng)用差異對(duì)比如下表。

表 船舶安裝高、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的應(yīng)用差異對(duì)比

1、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合上述實(shí)例的分析對(duì)比，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）占地面積小，裝置總重量輕，可以節(jié)省空間用于布置其他艙室，減小船舶的重量，通過研究可以認(rèn)為船上二氧化碳配備量越大，低壓系統(tǒng)的這方面優(yōu)勢(shì)越明顯。

（2）首次安裝用時(shí)少，節(jié)約造船廠工人勞動(dòng)成本；充裝方便，加注罐車可以直接停靠碼頭通過充裝管線加注，大大節(jié)約了船舶停靠碼頭時(shí)間。

（3）安全性能高，具備完善的監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)容液態(tài)二氧化碳的液位，同時(shí)可持續(xù)監(jiān)測(cè)和顯示儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并提前解決，保證系統(tǒng)的正常工作。

（4）對(duì)要求二氧化碳配備量較大時(shí)，初次投入成本較低，國外某公司對(duì)外說明，當(dāng)二氧化碳儲(chǔ)量超過1818kg時(shí)，使用成本將低于高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)。

（5）低壓二氧化碳溫度低，又稱干冰“雪”，滅火效果優(yōu)于常溫儲(chǔ)存的高壓二氧化碳，而且低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在達(dá)到釋放時(shí)間后，操作人員可以根據(jù)火情，啟動(dòng)再釋放功能，確保火災(zāi)完全撲滅。

（6）由于儲(chǔ)罐安裝了多套液位測(cè)量裝置和內(nèi)部壓力檢測(cè)裝置，船舶營運(yùn)期間低壓二氧化碳系統(tǒng)無需專業(yè)檢測(cè)公司進(jìn)行定期的二氧化碳稱重或液位測(cè)量，同時(shí)不需要每十年的水壓試驗(yàn)，大大降低了船舶的運(yùn)營成本。

2、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)缺點(diǎn)

低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)與高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的比較，具有如下缺點(diǎn)：

（1）對(duì)船舶配備二氧化碳量較小時(shí)，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初次投入成本較大，因此船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。

（2）船舶營運(yùn)時(shí)，設(shè)備維護(hù)成本高，耗能較大，因?yàn)橹评溲b置需要長期運(yùn)轉(zhuǎn)，且需要船舶輪機(jī)人員定期檢查，會(huì)增加船員的工作量。

通過對(duì)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析，船東和船廠在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)綜合考慮船舶建造初期投入和后續(xù)維護(hù)運(yùn)營成本，最終選擇最合適的滅火系統(tǒng)。現(xiàn)階段營運(yùn)和新建船舶，選擇低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)多為被保護(hù)艙室空間較大的船舶，船型主要包括：汽車運(yùn)輸船、客貨滾裝船、大型集裝箱船等。

低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的認(rèn)可要求

現(xiàn)階段船用低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的制造主要是丹麥和韓國的兩家船用產(chǎn)品廠，國內(nèi)產(chǎn)品制造廠處于研發(fā)階段，暫時(shí)未有產(chǎn)品船上使用的實(shí)例，國內(nèi)船廠只能選擇國外產(chǎn)品配套上船使用。船用低壓二氧化碳設(shè)計(jì)和認(rèn)可，需按照《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》（以下稱規(guī)則）的要求進(jìn)行，按照中國船級(jí)社規(guī)范要求，該產(chǎn)品采用產(chǎn)品認(rèn)可＋單套產(chǎn)品檢驗(yàn)＋船上系統(tǒng)檢驗(yàn)的方式進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量控制，其他國際同行采用設(shè)計(jì)評(píng)估＋單套產(chǎn)品出廠試驗(yàn)＋船上系統(tǒng)檢驗(yàn)方式進(jìn)行控制，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)中國船級(jí)社的控制模式相對(duì)比較完善。

產(chǎn)品制造廠選擇中國船級(jí)社產(chǎn)品型式認(rèn)可時(shí)，中國船級(jí)社將對(duì)工廠提交的圖紙及設(shè)計(jì)計(jì)算書等資料進(jìn)行審查，型式試驗(yàn)大綱批準(zhǔn)和試驗(yàn)見證，工廠質(zhì)量管理體系核查和制造過程審核。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，工廠會(huì)按照規(guī)則的要求，使用成熟的計(jì)算方法或行業(yè)通用的計(jì)算軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算中無法確認(rèn)的關(guān)鍵點(diǎn)，可選擇進(jìn)行試驗(yàn)的方式驗(yàn)證和補(bǔ)充，通過理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能的綜合評(píng)估，使產(chǎn)品達(dá)到初始設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足規(guī)則的要求。驗(yàn)船師結(jié)合工廠生產(chǎn)歷史和實(shí)船產(chǎn)品使用的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)了解國際同行對(duì)該產(chǎn)品檢驗(yàn)控制的方式，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙及計(jì)算書、工廠提交的型式試驗(yàn)大綱進(jìn)行綜合評(píng)估，確認(rèn)可直接接受工廠理論計(jì)算無需通過試驗(yàn)驗(yàn)證的部分，同時(shí)向工廠提出理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相互結(jié)合完成的部分，或者部分要求工廠沒有理論計(jì)算作為支持，僅通過試驗(yàn)驗(yàn)證來證明滿足規(guī)則的要求。型式認(rèn)可過程中對(duì)不同設(shè)計(jì)能力的工廠，可能會(huì)提出不同型式試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，充分體現(xiàn)中國船級(jí)社對(duì)工廠設(shè)計(jì)能力具有較強(qiáng)的綜合評(píng)估能力。

中國船級(jí)社按照規(guī)則對(duì)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)可，其中最主要的型式試驗(yàn)項(xiàng)目和技術(shù)要求如下：

規(guī)則中要求安全閥釋放壓力設(shè)定應(yīng)不小于工作壓力的1.1倍，而且考慮儲(chǔ)罐外著火時(shí)液態(tài)二氧化碳?xì)饣a(chǎn)生的氣體通過安全閥向外排放，任何一個(gè)安全閥的排量足夠確保儲(chǔ)罐內(nèi)增大的壓力不超過設(shè)定壓力的20%。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮安全閥開啟時(shí)并具有足夠的排量，確保儲(chǔ)罐內(nèi)壓力不得超過設(shè)定壓力的20%，可以參考《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》中液貨艙透氣的相關(guān)計(jì)算公式和要求進(jìn)行計(jì)算，保證在存儲(chǔ)間發(fā)生火災(zāi)時(shí)二氧化碳儲(chǔ)罐的安全。

規(guī)則中要求對(duì)永久充裝二氧化碳的容器和輸出管，應(yīng)設(shè)有隔熱絕緣，以便當(dāng)制冷裝置斷電后，環(huán)境溫度為45℃且初始?jí)毫Φ扔谥评溲b置的起動(dòng)壓力時(shí)，24h內(nèi)防止安全閥開啟。 該要求主要考核二氧化碳儲(chǔ)罐外的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好絕熱性能，也具有較小的傳熱系數(shù)，通過傳熱學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)罐體圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，并選擇合適的絕熱材料，在罐體內(nèi)壓力升高至制冷裝置自動(dòng)啟動(dòng)壓力時(shí)，制冷裝置停止運(yùn)行，外部環(huán)境溫度45℃，24小時(shí)內(nèi)罐內(nèi)壓力升高，但不能超過安全閥起跳壓力。

規(guī)則中要求二氧化碳儲(chǔ)罐應(yīng)配備兩套完全獨(dú)立的制冷裝置，每一套制冷裝置應(yīng)具有足夠的制冷量，在海水溫度達(dá)32℃和環(huán)境溫度達(dá)45℃時(shí)，每一臺(tái)裝置的制冷能量和自動(dòng)控制應(yīng)能在24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，保持所規(guī)定的溫度。該要求主要考核制冷裝置在外部環(huán)境較為苛刻的條件下，具有足夠的制冷能力。如果制冷裝置冷凝器選擇海水冷卻時(shí)，海水溫度達(dá)32℃，環(huán)境溫度45℃時(shí)，任何一套制冷裝置連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，罐體內(nèi)部溫度可以保持系統(tǒng)工作溫度；如果制冷裝置冷凝器選擇空氣冷卻，環(huán)境溫度45℃時(shí)，每一臺(tái)制冷單元連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，罐體內(nèi)部溫度可以保持系統(tǒng)工作溫度。

規(guī)則針對(duì)低壓二氧化碳系統(tǒng)的相關(guān)要求，主要從系統(tǒng)安全、可靠等幾方面規(guī)定，包括二氧化碳儲(chǔ)罐安裝具有足夠排量的安全閥，在罐外發(fā)生火災(zāi)時(shí)，確保罐體的安全。儲(chǔ)罐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的絕熱性能，在制冷單元無法工作時(shí)，僅靠罐體較好的絕熱性能，而使揮發(fā)的二氧化碳?xì)怏w不會(huì)輕易通過安全閥向外排放。選擇的每一臺(tái)制冷裝置具有足夠的制冷能力，在較為苛刻的外部工作環(huán)境，仍能長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，并保持罐體內(nèi)的低溫環(huán)境不變。

目前，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在船舶領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少，伴隨船舶的大型化，低壓系統(tǒng)在最初投資方面比高壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，而且在安裝、使用等方面具有眾多優(yōu)點(diǎn)，將逐漸被更多船東所接受；低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在船用領(lǐng)域的逐步推廣，國內(nèi)相關(guān)制造廠會(huì)積累更多的研發(fā)和使用經(jīng)驗(yàn)，船用低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)也一定會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海工浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船N999 FPSO下水

2021年4月12日，由啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海工承建的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船N999 FPSO項(xiàng)目舉行下水儀式。

這是中國船企首次為歐洲一流油公司非洲項(xiàng)目建造浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船。據(jù)悉，該項(xiàng)目船長270米，總寬54m，型深為31.5m，設(shè)計(jì)使用年限為30年，最大排水量約為32萬噸，儲(chǔ)油量不少于144萬桶，日卸油量達(dá)110萬桶，日氣處理能力505萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺，空船重量48000噸，上部模塊重2萬噸，生活區(qū)最多可居住140人。