某客船细水雾灭火系统研究

俞丽慧，王 荣

(天津新港船舶重工有限责任公司，天津 300456)

客船上层建筑发达，具有多层甲板，用于布置旅客舱室。一般设有完善的餐厅、卫生间和娱乐设施。在抗沉、防火、救生等方面的安全要求较严格。船级社入级对于客船的安全要求相对比较高，在火灾预防这方面，细水雾系统是一种安全、环保、绿色并切实有效的灭火手段。因此研究细水雾灭火系统对于建造客船有重要的意义。

1 细水雾灭火系统的简介

细水雾是在喷头最小工作压力下，喷头喷出雾滴的体积分布直径Dv0.99小于1 000 μm的水雾[1]。这是一种用体积法表示雾滴直径的方法，Dv0.99表示小于1 000 μm的直径体积含量为99%。根据雾滴直径可将细水雾分为3级：第一级细水雾的体积累积分布直径Dv0.99小于200 μm；第二级细水雾的体积累积分布直径Dv0.99大于200 μm且小于等于400 μm[2]；第三级细水雾的体积累积分布直径大于400 μm小于1 000 μm。

细水雾灭火系统是具有供水设备单元、分配管(路)网和探火及火灾报警装置，并与一个或多个细水雾喷嘴相连接，能够释放细水雾来控制火灾、抑制火灾或灭火的系统[3]。

细水雾灭火系统对其保护对象可实施灭火、抑制火灾、控制火灾、控制温度和降尘的多种方式进行保护[4]，其灭火的相关原理可以归纳为如下几点[5]：窒息作用、冷却作用、浸润作用、阻隔热辐射、乳化作用。在水雾灭火的过程中，通常会有几种作用是同一时间发生的，从而进行有效灭火。

细水雾灭火系统特点有：①用水量低；②降低了火灾损失和水浸损失；③具有很强的阻隔辐射热能力；④电气绝缘性能更佳，可以有效扑灭带电设备火灾；⑤系统重量轻、管径小、方便安装和维修；⑥具有很强的除烟性能、安全环保性；⑦细水雾具有相当好的冷却火灾场所及燃烧物的作用，可以有效避免火灾高温造成的相关结构变形，并且灭火结束以后不会产生复燃。

细水雾灭火系统的分类方式有以下4种：①按管路的压力大致分为低压水雾灭火系统、中压水雾灭火系统、高压水雾灭火系统[6]；②按其应用方式可分为全浸没应用系统、局部应用系统、分区应用系统；③按其雾化的方式可分为单相流系统、两相流系统；④按其管路充水方式可分为干式细水雾灭火系统、湿式细水雾灭火系统。

2 某客船细水雾灭火系统设计

2.1 船舶用途和总体概述

某客船是长期国际航行的客船，其采用全回转电力推进装置。通常在一个港口靠泊一段时间后前往另一个港口。该船总长约175 m、型宽约29 m、设计吃水约6 m、结构吃水约6.2 m、服务航速12 kn，总吨位预计36 600 t，载重量在密度为1.025 t/m3的海水中应不少于4 500 t。其悬挂马耳他旗，入级英国劳氏船级社，在出海航行时定员约500人，在港靠泊可达约950人。船舶在港时船上人员有职员和旅客约650人，日间工作人员约200人。

2.2 基本设计参数

本船设备和系统需要满足下述环境工况，环境工况如表1所示。

表1 环境工况

2.3 保护区域及分区

在诸多类别的船舶当中，大型的客船由于载客量大，通常能达到千人，发生火灾时易造成重大人身财产损失[7]。而某客船作为客船的一种，在航行工况时载客人数超500人，在码头工况时可以载客900人，因此，通过布置合理完整的防火结构，将火灾在一定时间内控制在火源舱室内，这个方案在实践上是可行的。因此防火结构区域划分在一定程度上可以控制火灾蔓延。本船的保护处所有生活区和公共场合服务处所、机舱区域。

2.4 细水雾灭火系统的主要部件

细水雾灭火系统由淡水舱、淡水输送泵、过滤器、进水电磁阀、喷淋泵组单元、应急备用气瓶装置、喷淋管路、分区控制阀、细水雾喷头等组成，水雾灭火系统原理图如图1所示。

1-阀控面板复示器；2-阀控面板；3-喷头；4-深煎锅区域阀；5-上建区域阀；6、7-机舱水雾区域阀；8-手动常开操作阀；9-电动常闭电磁阀；10-手报按钮；11-1#泵组；12-2#泵组；13-3#泵组；14-备用单元；15-截止阀；16-滤器；17-止回阀；18-海底阀箱；19-总用泵；20-淡水舱

2.5 喷头的设计

船舶中由于保护对象的不同，需要喷头的形式也有所区别，在了解喷头的类型之后，需要根据喷头所用的场所和空间的净高度等因素对喷头进行选择和布置。

1)喷头的选型。水雾系统喷头的选型需要从多个方面进行考虑，其喷雾的角度、流量以及速度都是在设计中考虑的重点。喷雾水滴的速度以及大小直接影响灭火效果，如果喷雾水滴大就不能有效地冷却火灾的气体，如果喷雾水滴太小就不能集中到达火灾位置，从而影响灭火的时间及效果[8]。

当喷头与燃烧物的距离H比较大时，必须选用喷雾强度较大的喷嘴。所以喷头高度的设计必须考虑喷头的性能参数。为了满足设计的要求，应该多考虑选择流量系数大的喷头。

根据本船的特点，客舱房间较多，被保护机器处所不是特别集中，另外局部保护设备较多，在喷头的选用上面需要分类、分区仔细地进行选择。具体喷头的选用参见表2。

表2 喷头的选用

2)喷头的排列形式和间距计算。喷头的排列有单排(一线)和网格化(三角形和矩形)2种方法，喷嘴的间距是根据喷头布置方式不同，根据的水雾柱底圆的半径乘以一个常数得出，喷嘴间距R要求如公式所示，三角形喷头布置示意图如图2所示。喷头间距按公式(1)计算：

图2 三角形喷头布置示意图

(1)

矩形喷头布置示意图如图3所示。喷头间距按公式(2)计算：

图3 矩形喷头布置示意图

(2)

式中，Rrrmax为水雾柱底圆半径，m。

喷头间距通过计算可得出，喷头的最大间距如表3所示。

表3 喷头的最大间距

当只有火源点一点时，可选用单点布置，此时喷头应布置在火源点的上方。水雾喷头与保护对象之间的距离不得大于水雾喷头的有效射程。确定喷头的排列间距与安装高度时，应能确保喷嘴喷出的细水雾能完全覆盖保护区，同时还要有一定的喷雾强度[9]。

2.6 系统水力计算

船舶细水雾灭火系统需要正常运行，就需要有充足的水源，船舶上应该有一定的淡水存储。淡水的存储占用船舶一定量的空间，并且影响船舶的自重，所以需要对细水雾系统的水量进行核算。

1)单个喷头流量计算。每种形式的喷头流量是有所不同的，单个喷头流量是由这种喷头的流量系数和工作压力决定的，具体单个喷头流量按式(3)计算：

(3)

式中，q为水雾喷头的流量，L/min，P为水雾喷头的工作压力，MPa；K为水雾喷头的流量系数。

由公式(3)计算得出各类型喷头流量见表4。

表4 各类型喷头流量

2)水雾系统的计算流量。系统的流量按照保护区域的喷头数量和实际流量决定，具体按公式(4)计算：

(4)

式中，Qj为系统的计算流量，L/min；n为系统启动后同时喷雾的喷头数量，只；qi为水雾喷头的实际流量，L/min。

本船中保护区域多，流量是按最大的保护区(前主机舱)计算，按照公式(4)可得出：Qj=1 485.9 L/min。

3)水雾系统的设计流量。水雾系统的设计流量应大于系统的计算流量，使系统流量有一定的余量。系统的设计流量由安全系数和计算流量计算得出，具体按公式(5)计算：

Qs=kQj,

(5)

式中,Qs为系统的设计流量，L/min；k为安全系数，应取1.05～1.10(通常取1.10)。

由公式(5)可得：Qs=1 634.5 L/min。

4)水雾系统泵的流量计算。水雾系统泵的选用根据系统的设计流量，并按照安全返港(SRtP)的要求，满足每台单元泵组要达到总流量的50%，所以泵的流量应按公式(6)计算：

Q=50%Qs,

(6)

式中，Q为泵组的设计流量，L/min。

由公式(6)可得：Q=817 L/min。

5)水舱的储存水量。按照技术规格书的要求，本船的水量存储要满足保护区的喷雾时间实际为30 min的要求，水舱的存储按照经验需要有一定的余量，所以需要的总水量按公式(7)计算：

Qc=1.2×30Q，

(7)

式中,Qc为水舱的储存水量，L。

由公式(7)可得出：Qc=29 412 L≈29.4 m3(包含20%余量)。由于本船是使用船舶淡水舱作为细水雾系统的水源的，容量满足供水量的要求。

6)系统主管管径计算。系统的主管是给管道末端提供水的管道，主管的管径直接影响到系统末端是否能及时地被供应上所需要的水，主管道的管径要根据泵组的流量运算得出。系统的主管管径按公式(8)计算：

(8)

式中，di为主管的管径，mm。

由公式(8)可得：di=52.02 mm。

根据管子的现有规格进行管径选取，所以主管径的取值为60 mm。

2.7 系统压力计算

水的输送需要一定的压力，压力驱动水输送到每一个用水单元。本系统使用水雾泵组单元加压后将水输送到各喷头。

1)系统的压力计算。系统压力计算要考虑到管路系统中最不利位置处的压力值。流体在管路中经过管路、阀门和弯头后都会有压力损失(包含沿程的压力损失和局部压力损失)，因为本系统的流体流速高，产生紊流更会加大压力损失，所以系统的压力按公式(9)计算：

Pt=Pf+Pe+Po，

(9)

式中，Pt为系统供水压力；Pf为管路压力损失；Pe为最不利点喷头与储水箱最低位的静压差值；Po为喷头设计的工作压力。

2)管路压力损失及流量校核。系统中选用2个典型最不利区域进行压力损失及流量的计算分析：区域1局部水雾系统中喷头最多；区域2是区域局部水雾系统中距离单元泵组最远的。对以上2个最不利点的计算，验证水泵的泵组单元的压力满足要求。

3 结束语

推进细水雾系统的自主设计，有利于提高其技术水平，增强船舶产品的市场竞争力；有利于积累经验和环境保护，使真正绿色的消防技术在完成消防保护的同时，不对环境造成任何危害。