大型豪華郵輪細水霧滅火系統(tǒng)設計探究

王要波，白秀琴，郭智威，袁成清

(1. 武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063；2. 國家水運安全工程技術研究中心 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063)

0 引 言

火災作為大型豪華郵輪上一種破壞性極大的事故，如果不能得到有效控制，會造成巨大的損失。相比于其他場所，大型豪華郵輪火災具有更大的危險性和復雜性，因此其火災的預防和撲救更加困難。據(jù)統(tǒng)計，在已發(fā)生的郵輪各類事故中，火災爆炸事故所占的比重達15%，屬于頻繁發(fā)生事故，風險等級極高，因此郵輪消防設施的設計建造極其重要。作為郵輪上的主要消防系統(tǒng)之一，細水霧滅火系統(tǒng)的設計建造對郵輪安全尤為重要。探索適用于大型豪華郵輪的細水霧滅火系統(tǒng)設計方案對于我國郵輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

1 郵輪細水霧滅火系統(tǒng)

細水霧滅火系統(tǒng)最早于20世紀40年代用于船舶滅火，并于1987年《蒙特利爾議定書》簽訂之后在國內(nèi)外得到廣泛的研發(fā)與應用。細水霧霧滴直徑較小，滅火機制主要為：吸熱冷卻、稀釋氧氣、隔絕熱輻射、稀釋可燃氣體和霧動力學效應，多種滅火機制共同作用有效撲滅各類火災[1]。除此之外，細水霧還可以對不溶于水的液態(tài)可燃物產(chǎn)生乳化作用，有效降低燃燒強度，防止復燃。在滅火過程中細水霧還能有效吸附火場周圍的固體顆粒，降低現(xiàn)場人員吸入大量粉塵顆粒的可能，因此細水霧滅火系統(tǒng)具有極其廣闊的應用前景。

1.1 郵輪細水霧滅火系統(tǒng)關鍵部件分析

郵輪細水霧滅火系統(tǒng)主要包含以下基本部件：水源、供水裝置、管件、閥件、噴頭、火災探測及控制系統(tǒng)等[2-5]。

1）水源

不同于常規(guī)細水霧滅火系統(tǒng)采用水箱等儲水容器作為水源，在郵輪中采用淡水艙中的部分淡水作為水源，并在淡水艙中設置低位報警裝置，以保證淡水艙中始終儲存有規(guī)范所要求的最小水量。同時在泵組前設置海水進口作為第二水源。

2）供水裝置

為了滿足安全返港要求，采用2組設置在不同防護區(qū)且遠離A類機械處所的泵組為細水霧滅火系統(tǒng)供水，同時設置高壓氮氣瓶作為備用驅(qū)動，防止在全船失電時系統(tǒng)停止工作。供水泵組由可以自動切換的主電源和應急電源供電，并設有手動啟動方式，以備緊急情況下使用。

3）管件

郵輪中采用的管道是由符合DIN標準的不銹鋼AISI316L制成的焊接型管道，管道連接方式主要有專用接頭連接、法蘭連接等。根據(jù)管道鋪設地點的不同，管道還具有其他附件以保證管道的安全。

4）閥件

郵輪細水霧滅火系統(tǒng)中使用的閥門較多，主要有分區(qū)控制閥、調(diào)壓閥/減壓閥、止回閥等。根據(jù)規(guī)范要求，細水霧滅火系統(tǒng)單個防護區(qū)的面積不應超過280 m2，若超過則需要增加分區(qū)控制閥進行分區(qū)保護；在工作壓力可能超過系統(tǒng)、系統(tǒng)部件或兩者系統(tǒng)設計壓力的部位安裝調(diào)壓閥/減壓閥，防止系統(tǒng)壓力過高對管件及閥件造成損壞；在系統(tǒng)與水源永久性連接點之間設置止回閥，防止系統(tǒng)中的水倒流到水源中。

5）噴頭

噴頭通過一定的方式將壓力水霧化成細小的水霧顆粒。根據(jù)工作場合的不同，郵輪中采用開式和閉式2種噴頭。細水霧噴頭在安裝過程中需要考慮諸如火災類型、噴頭最大和最小距離、噴頭最大安裝高度以及安裝角度等因素，并且對可能會對噴頭造成機械損傷的場所如主要的工作通道、倉庫區(qū)、行李存放區(qū)等設置噴頭保護裝置。

6）探測及控制系統(tǒng)

細水霧滅火系統(tǒng)屬于自動消防系統(tǒng)，火災探測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動滅火的關鍵部件。目前郵輪探測系統(tǒng)中常用的探頭主要有感煙探頭、感溫探頭以及火焰探頭等，通常采用其中的2種或3種進行組合使用，防止產(chǎn)生誤報警信號。自動控制系統(tǒng)是一套遙控或自動邏輯控制模塊，當火災探測系統(tǒng)探測到火災信號后將火警信號傳輸?shù)阶詣涌刂葡到y(tǒng)，通過自動控制系統(tǒng)控制消防泵以及分區(qū)控制閥等其他現(xiàn)場設備的開啟，實現(xiàn)自動滅火。

1.2 細水霧滅火系統(tǒng)在大型豪華郵輪上的適用性分析

大型豪華郵輪結(jié)構(gòu)復雜，可燃物種類多，火災發(fā)生的可能性大。大型豪華郵輪上主要存在以下火災類型：

1）固體火災

郵輪上存在較多的易燃裝飾物，極易發(fā)生固體火災；

2）可燃液體火災

在郵輪的機艙空間存放著大量油類，同時機艙空間溫度較高，極易發(fā)生火災；

3）電氣火災

郵輪上存在著排布密集的電纜以及配電室、控制室等各類電氣場所，電氣火災也是郵輪上發(fā)生概率較大的一種火災類型；

4）廚房油脂火災

郵輪廚房以及儲物間存在大量易燃油脂，同時廚房空間在工作時間溫度較高又有大量高溫氣體排放，極易造成火災發(fā)生[6]。大型豪華郵輪中的裝飾材料大都價格不菲，在進行郵輪的滅火過程中，消防系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)滅火功能，還要注意避免二次破壞，降低火災損失。因此，大型豪華郵輪消防系統(tǒng)的選擇極其重要，在以上各類場所中，選用細水霧滅火系統(tǒng)的主要原因包括以下2個方面：

1）適用范圍廣

細水霧滅火系統(tǒng)適用于固體火災、可燃液體火災、氣體火災、電氣火災以及廚房油脂火災等，相比于其他滅火系統(tǒng)具有更加廣泛的應用范圍，極其適合大型豪華郵輪復雜的消防環(huán)境。

2）具有其他消防系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢

在船舶消防系統(tǒng)中應用較多的有自動噴水滅火系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)等消防系統(tǒng)。自動噴水滅火系統(tǒng)耗水量大，大量的水流會對郵輪消防空間的裝飾物或設備造成極大的損耗，增加后期修繕費用。另外，郵輪在海上航行時的淡水儲備也是有限的，因此與細水霧滅火系統(tǒng)相比耗水量較大的自動噴水滅火系統(tǒng)并不適合用于郵輪大多數(shù)消防場所；氣體滅火系統(tǒng)需要使用較多的瓶組及管道存儲和輸送滅火介質(zhì)，正常情況下系統(tǒng)處于高壓狀態(tài)，對系統(tǒng)部件要求較高，因而氣體滅火系統(tǒng)的使用成本較高。同時氣體滅火系統(tǒng)在運行時還會危害人體健康，如果出現(xiàn)泄漏或誤噴，更會引起重大安全事故，在大型豪華郵輪中人員密集的消防場所并不適用。

圖1 某大型豪華郵輪總體設計原理圖Fig. 1 General design diagram of a large luxury cruise ship

2 細水霧滅火系統(tǒng)在大型豪華郵輪上的應用

2.1 郵輪細水霧滅火系統(tǒng)整體設計原理

圖1為某大型豪華郵輪細水霧滅火系統(tǒng)整體設計原理圖。根據(jù)規(guī)范要求，將整個郵輪劃分為多個主豎區(qū)，以確保在郵輪失去一個主豎區(qū)的情況下，其他主豎區(qū)的系統(tǒng)依舊處于正常狀態(tài)。為了保證細水霧滅火系統(tǒng)的管路中始終存有足夠壓力和流量的壓力水，在整艘郵輪中共設置2套一樣的細水霧滅火系統(tǒng)裝置，每套裝置均由2組泵組進行供水并配有備用氣瓶，2套裝置設在2個不同的防護區(qū)內(nèi)，分別通過單獨的立管連接到管網(wǎng)。系統(tǒng)主管路管網(wǎng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)以確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，減小壓力波動。

2.2 細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應用特點

大型豪華郵輪由于其功能特性的需求，在郵輪冷庫、電氣設備間、商用廚房、文檔儲存及精密設備間、電纜處以及A類機械空間中的應用與常規(guī)的消防系統(tǒng)相比存在很大的差異。由于大型豪華郵輪上食品儲量及儲藏時間、環(huán)境的需求高，設置郵輪冷庫的閉式細水霧滅火系統(tǒng)需要考慮管路中壓力水凍結(jié)的問題，郵輪上可采用預填充乙二醇防凍液的方式解決。配電室、控制室等電氣設備間存在設備短路或系統(tǒng)超負荷工作等原因造成的火災隱患，采用閉式細水霧滅火系統(tǒng)進行防護，細水霧不會對設備和人員造成損傷并且采用局部應用系統(tǒng)時，工作人員不必完全撤離，其他設備也可以正常運行。廚房中以油類火災為主的烹飪火災也是郵輪上極易發(fā)生的火災類型，采用開式細水霧滅火系統(tǒng)可以在有效撲滅這類火災的同時降低周圍空間的溫度，防止發(fā)生復燃，同時在滅火過程中控制系統(tǒng)自動切斷廚房設備的供給電源，進一步降低復燃的可能性。對于存有大量紙質(zhì)文檔的檔案館以及安全中心、網(wǎng)絡設備間等對滅火系統(tǒng)的快速響應和自動釋放能力有較高要求的場所，采用預作用式細水霧滅火系統(tǒng)可以避免因誤操作、管路泄漏等原因造成的文檔和設備損壞，并且在滅火結(jié)束后只需打開排水閥將支管中的水排出，系統(tǒng)即可重新使用[7]。電纜夾層是郵輪上極其重要的電力部位，由于電纜夾層內(nèi)部空間狹小，電纜排布緊密，通風散熱條件差，存在很大的火災隱患，特別是位于柴油機等失火危險較高的設備上方的電纜，采用細水霧滅火系統(tǒng)對電纜夾層進行防護，利用水霧的擴散性和強效冷卻性能夠?qū)崿F(xiàn)快速滅火，同時又不會對電纜造成二次損傷，將火災損失降到最低[8]。以郵輪A類機械空間的細水霧消防系統(tǒng)為例進行重點說明。

圖2 A類機械空間應用簡圖Fig. 2 The application diagram of class A mechanical space

船舶A類機械空間存在著大量油類物質(zhì)，并排布有密集的電纜，機器運轉(zhuǎn)過程中還會產(chǎn)生較多的熱量，所以機械空間是油、電、溫三者同時存在的火災高危地點。根據(jù)SOLAS公約規(guī)定，此類場所必須設置固定式氣體滅火系統(tǒng)、固定式高倍泡沫滅火系統(tǒng)或固定式壓力水霧滅火系統(tǒng)中的任意一種[9-10]。在郵輪中采用的是開式細水霧滅火系統(tǒng)，不僅能夠有效撲滅此類火災，且不會對機械設備的使用壽命產(chǎn)生影響。如圖2所示，在郵輪A類機械空間采用開式細水霧滅火系統(tǒng)中的全淹沒系統(tǒng)，為了滿足安全返港的要求，系統(tǒng)設置帶有流量指示器和手動釋放能力的電磁閥作為分區(qū)控制閥與其他系統(tǒng)隔離，在機械空間中設置2個火災探測器，火災探測器一般設置為2個感煙探測器或2個感溫探測器，也可以是1個感煙探測器或感溫探測器與火焰探測器的組合。當?shù)?個探測器探測到火災信號時，聲光報警器啟動，發(fā)出火災警報，當2個探測器都激活時，防護區(qū)的分區(qū)控制閥打開，高壓泵組啟動，系統(tǒng)釋放水霧進行滅火。

3 大型豪華郵輪細水霧滅火系統(tǒng)設計計算方法

在進行郵輪細水霧滅火系統(tǒng)的設計過程中，系統(tǒng)設計計算是進行系統(tǒng)關鍵部件選型的依據(jù)[11-12]。

1）確定保護對象的性質(zhì)及系統(tǒng)設計基本參數(shù)

細水霧滅火系統(tǒng)的噴霧強度、持續(xù)噴霧時間等設計基本參數(shù)應根據(jù)具體保護對象參照制造商技術資料或國家權(quán)威機構(gòu)的型式檢驗報告確定，也可以按照規(guī)范的試驗要求通過實體火災模擬試驗確定。根據(jù)某大型豪華郵輪上的應用場所，結(jié)合國家標準，部分對象的設計基本參數(shù)如表1所示。

表1 部分對象設計基本參數(shù)Tab. 1 Basic design parameters of some objects

2）計算噴頭設計流量

式中：q為單個噴頭的設計流量，L/min；p為噴頭的壓力，MPa；K為噴頭流量特性系數(shù)，L/min·MPa0.5，一般由噴頭生產(chǎn)廠家提供。

3）計算噴頭數(shù)量

式中：N為噴頭的計算數(shù)量；S為系統(tǒng)保護面積，m2；W為系統(tǒng)設計噴霧強度，L/min·m2。

4）計算系統(tǒng)設計流量

系統(tǒng)的計算流量及設計流量分別計算如下式：

式中：Qj為系統(tǒng)計算流量，L/min；n為噴頭數(shù)量；qi為單個噴頭的設計流量，L/min。

式中：Qs為系統(tǒng)設計流量，L/min；k為安全系數(shù)，不小于1.05，一般取1.05～1.10之間。

5）確定系統(tǒng)儲水量

式中：Wc為儲水量，L；t為持續(xù)噴霧時間，min。

郵輪設計中摒棄了壓力水柜的設計方案，通過式（5）可以確定淡水艙中設置低位報警裝置的最低水位。

6）計算管徑

式中：di為管子內(nèi)徑，m；qv為管內(nèi)流量，m3/h；v為管內(nèi)流體流速，m/s，消防總管管內(nèi)推薦流速為2～3 m/s，其他各支管的管內(nèi)流速可以參照此要求進行推算。

7）計算系統(tǒng)壓力

細水霧滅火系統(tǒng)針對不同壓力的系統(tǒng)采用不同的方法進行壓力損失的計算。

低壓系統(tǒng)管道壓力損失為：

式中：pm為管道總水頭壓力損失，MPa；L為管道長度，m；C為管道摩阻系數(shù)；di為管道內(nèi)徑，mm。

中高壓系統(tǒng)管道壓力損失為：式中：pm為管道總水頭壓力損失，MPa；f為管道摩擦系數(shù)，根據(jù)Re值和 Δ 值利用Moody確定；Li為管道長度，m；ρ為流體密度即水的密度，kg/m3；di為管道內(nèi)徑，mm；Re為雷諾數(shù)；μ為動力黏度，cp（厘泊）；Δ為管道相對粗糙度；ε為管壁粗糙度，mm，不銹鋼管一般取0.045 mm。

根據(jù)NFPA750推薦的水力計算方式，管件以及閥件的局部水頭損失可以采用當量長度法進行計算。

系統(tǒng)的供水壓力按下式進行計算：

式中：P為系統(tǒng)總供水壓力，MPa；pm為管道沿程阻力損失和局部水頭損失的累計值，MPa；p為系統(tǒng)最不利點處噴頭的工作壓力，MPa；hz為系統(tǒng)最不利點與水艙最低水位或系統(tǒng)水平供水管中心線之間的靜壓差，MPa，由式（12）計算得到；Δh為高度差，m；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；g為重力加速度；

以計算所得系統(tǒng)總供水壓力為依據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)設計流量確定泵的揚程及流量。

4 細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪應用中存在的問題

1）我國針對細水霧滅火系統(tǒng)的規(guī)范還不夠完善，特別是我國郵輪建設處于基礎階段，對于細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應用更是缺少有效的指導規(guī)范。例如我國相關規(guī)范中沒有明確規(guī)定系統(tǒng)管網(wǎng)的布置問題和開式細水霧滅火系統(tǒng)是否應當設置穩(wěn)壓裝置以及穩(wěn)壓裝置如穩(wěn)壓泵的揚程、流量等選型參數(shù)如何確定。這些問題對于細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應用存在一定的制約作用。

2）在細水霧中應用添加劑的問題。大量研究表明在水中添加適當?shù)奶砑觿┠軌驑O大增強水基消防系統(tǒng)的滅火效果。然而，目前應用的細水霧滅火系統(tǒng)大多采用純水滅火，郵輪上亦是如此，這主要是因為細水霧噴頭的噴孔極小，細微的雜質(zhì)都可能堵塞噴頭，影響系統(tǒng)的正常使用。目前研究較多的細水霧滅火系統(tǒng)添加劑主要有NaCl等鹽類以及堿金屬化合物等，這些添加劑直接添加到水中會對泵組、閥件等設備造成腐蝕、結(jié)垢等不良影響，嚴重時甚至會影響整個系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

3）近年來，大量的實踐證明細水霧滅火系統(tǒng)可以用于撲滅電氣火災，但是作為水基消防系統(tǒng)，它仍舊存在造成電氣設備短路的隱患。例如計算機房等弱電防護空間的設計噴霧強度為1.5 L/min·m-2，最小持續(xù)噴霧時間為12 min，所以在滅火過程中，計算機房等電氣設備間每平方米的耗水量為18 L，除去因高溫蒸發(fā)的部分，仍舊會有大量的積水積存在設備表面甚至有可能滴落到電子線路板上，造成電氣設備短路。因此在郵輪上使用細水霧滅火系統(tǒng)撲滅電氣火災時，還需要考慮到電氣設備的防水、積水和排水問題。

此外，還有閉式細水霧滅火系統(tǒng)的開啟依賴于閉式噴頭感溫玻璃的破裂，而一般情況下造成感溫玻璃破裂的溫度高于燃料低溫陰燃的溫度，因此并不能完全有效的預防火災的發(fā)生。這些問題的存在制約著細水霧滅火系統(tǒng)的進一步應用和推廣，也是今后需要進一步研究的方向。

5 結(jié) 語

作為一種綠色高效的新型水基消防技術，細水霧滅火系統(tǒng)具有廣闊的應用空間和應用前景，特別是針對大型豪華郵輪等具有復雜消防需求的場所，更是具有極大的適用性。相比于其他發(fā)達國家，我國初步進入郵輪市場，郵輪的設計建造處于基礎階段，對于細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應用更是毫無經(jīng)驗，針對大型豪華郵輪復雜的消防需求，探索出適合于大型豪華郵輪的細水霧滅火系統(tǒng)設計方案對促進我國細水霧滅火技術以及郵輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有十分重要的意義。