NFPA12标准下水电站发电机CO2灭火管路设计探讨

王 伟，曹 静

(1.四川省电力工业调整试验所，四川成都 610016;2.中水顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

中国水电建设和设计公司进入国际市场，会面临很多挑战，比如，使用语言不一致，在交流方面与在中国执行合同过程中显然不一样;中国设计单位和建设单位要在国际上逐渐树立自己的品牌，赢得国际社会认可;投标与合同执行过程中采用新的设计、建设标准，要重新了解、学习、掌握国际标准与中国标准的不同，以便在投标、合同谈判以及执行过程中游刃有余。发电机灭火标准就是其中的一项。与中国采用水喷雾灭火不同，国外一般执行NFPA12标准，采用发电机CO2灭火。

1 水电站发电机水喷雾灭火与CO2灭火比较

中国水电站发电机灭火设计中采用水喷雾灭火，但国外水电站尤其是美国、欧洲电站或者在历史上被欧洲殖民过的国家中一般采用发电机CO2灭火。国外电站一般采用无人值班的方式，当发电机失火，CO2灭火系统可自动将火灾扑灭。中国水电站虽然按照“无人值班”设计，但实际上一般采用少人值班，达不到“无人值班”，所以，发电机使用CO2灭火对电站运行人员有一定的危险性。表1列举水电站发电机水喷雾灭火与CO2灭火的优缺点。

表1 水电站发电机水喷雾灭火与CO2灭火的优缺点

2 发电机CO2灭火管路设计

2.1 设计要点

首先，发电机CO2灭火使用标准要根据业主要求，NFPA12或国标GB 50193，标准不同决定了CO2使用量不同。其次，发电机CO2灭火系统组成要根据业主要求，比如全厂设置发电机CO2灭火系统数量，以及主喷放灭火浓度、主喷放时间、延时喷放灭火浓度、维持浓度时间。再次，业主对于系统动作以及停止的要求。如，感温探头探测温度达到80℃，并有感烟探头警报，CO2灭火系统收到报警后动作。在机组检修时，系统可探测发电机机坑进人门是否打开，如果打开，即使有火灾报警，发电机灭火系统也不动作，保证电站工作人员的人身安全。最后，过压保护系统。一般认为机坑是一个密闭系统。CO2气体进入机坑内灭火后，抽离装置未开启前的基坑压强虽然不足以将风罩混凝土破坏，但是出于保护发电机附属设备以及基坑盖板不变形，要设立过压保护系统。

2.2 实例计算

以非洲某项目水电站发电机CO2灭火管路设计为例。该项目共10台机组，单机容量187 MW，机坑内净空间按照机坑体积减去定、转子体积(定、转子重量除以铜的密度)来估算，经计算机坑内净空间约683.42 m3。主合同要求全厂发电机共设置两套CO2灭火系统，即每5台发电机共用一套CO2灭火系统。灭火系统分为主喷放和延时喷放两阶段。主喷放阶段CO2浓度达到40%，并在60 s内喷放完毕。1 min时启动延时灭火设备，应在20 min内保持CO2密度25%。CO2使用70 L、42 kg(每个钢瓶的重量定义为m)容量钢瓶储存，钢瓶储存间平均温度约为20℃，此时钢瓶内压强为15 MPa。仅考虑一台发电机失火情况。

1)主喷放阶段CO2钢瓶数量

根据NFPA12中表5.3.3(b)条规定，在34%的条件下，127.36～1 415 m3空间容积范围内，选 1.3 m3/kg，得出需要 CO2灭火剂重量为 683.42/1.3=525.7 kg。

根据NFPA12第5.3.4条规定，超过34%的设计浓度对象，按图5.3.4增加用量，按主合同要求，初始浓度40%，查表得系数1.204，则初始设计用量为

M1=525.7 ×1.204=632.95 kg

N1=M1/m=632.95/42=15.07 瓶

取16瓶。

式中，M1为套发电机CO2灭火系统主喷放阶段所需CO2质量;N1为套发电机CO2灭火系统主喷放阶段所需CO2钢瓶数量。

2)延时喷放阶段CO2钢瓶数量

根据NFPA12中表 A5.5.3(b)条规定，查表插值得延时系统灭火喷射应维持25%浓度20 min的CO2最低估算量为 M2=620.5 kg。

N2=M2/m=620.5/42=14.77 瓶

取15瓶。

式中，M2为一套发电机CO2灭火系统延时放阶段所需CO2质量;N2为一套发电机CO2灭火系统延时放阶段所需CO2钢瓶数量。

3)过压保护系统计算

使用公式:理想状态气体公式——P1×V1/T1=P2×V2/T2

分压定律——在一密闭容器内装有混合气体，容器内的总压强P等于所有气体的压强和。

从启动CO2灭火系统后，可以分为两个阶段，第一阶段是CO2从主喷放钢瓶及延时喷放钢瓶中释放至机坑内(初始是气液两相，随时间和温度的变化，最终变成气态)，并且CO2温度由20℃上升至80℃(根据设定的火灾报警温度)。第二阶段是机坑内空气及CO2(考虑此时全部变成气态)混合后压强增加。暂时不考虑CO2由气液两相转化为气态的过程中吸热，机坑内温度下降。

第一阶段:钢瓶内CO2的压强为P1=15 MPa，主喷放与延时喷放钢瓶内CO2的体积为V1=31×70/1 000=2.170 m3，钢瓶间温度为 T1=20+273=293 K;P2为机坑内CO2气体的压强，机坑内体积为V2=683.42 m3，发生火灾后机坑内的温度为T2=80+273=353 K。

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

第二阶段:常压空气由20℃变为80℃时，压强变化不大，与上面计算类似，总压强由分压定律得P=0.122+0.057 4=0.179 4 MPa。

由于未考虑CO2由气液两相转化为气态的过程中吸热，机坑内温度下降。机坑内实际压强应该小于0.179 4 MPa，大于标准状态下大气压力，但是根据NFPA 5.6.2计算泄压孔的面积，配置泄压孔。泄压孔需由管路连接至室外。

式中，Q为CO2喷放速率，kg/min，因延时喷放在主喷放1 min后才开始，所以，CO2喷放速率取两次喷放的较大值，取42×16=672 kg/min;P为建筑物可承受压强，kPa，因为发电机基坑可承受压力较大，取值为4.8 KPa;X为泄压孔面积，mm2。

X=239 ×672/4.80.5=73 307.19 mm2

4)主喷放管路以及延时喷放管路管径选择

式中，D为管路直径，mm;Q为平均主管管路中的流量，kg/min;T为喷放时间，1 min。

由上式，可计算出主喷放管路与延时喷放管路主管管径均可选用DN50。

5)管路材质及壁厚选择

管路材质一般根据主、合同要求。合同没有要求的，可以使用不锈钢管、焊接钢管，若使用焊接钢管要内外镀锌，个别项目业主要求不能内镀锌，但可以涂防锈油漆，根据合同要求执行。管路安装完毕后需要进行打压试验，一般钢管均可承受，若合同已经规定的管路腐蚀厚度，应根据管路壁厚计算公式计算，然后选择钢管厚度。公式如下。

式中，S为管路壁厚，mm;P为管路设计压力，MPa;d为管路公称直径，mm;σ为设计工作温度下材料许用应力，MPa;c为腐蚀厚度，mm;:▽S为制造偏差，取15%管路壁厚，mm。

6)灭火后气体抽离系统

发电机灭火后，需要从发电机机坑内将CO2抽离，并且排出室外。

3 结语

从水电站设立值班人员数量看，中国值班人员较多，国外水电站多按照无人值班设计，尤其是欧洲电站。在中国水电站，发电机水喷雾灭火发生误报警误动作时，若灭火采用自动方式，则水喷雾会使线圈损坏，导致水电站损失较大，所以中国发电机水喷雾灭火一般采用手动方式。当有报警发生后，值班人员去现场确认，确认发生火灾后，手动启动灭火装置，给发电机灭火。这时，发电机灭火快慢取决于值班人员的动作快慢。无人值班水电站一般采用发电机CO2灭火，发生火灾后灭火系统动作迅速，即使误动作，抽离CO2后，不影响机组继续使用。随着社会和科技的发展，中国水电站会逐步实现无人值班，发电机灭火也会由水喷雾灭火为主，逐步改变为CO2灭火。

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