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柴油发电机室防火规范、消防设计及灭火强度计算 |
摘要：根据《高层民用建筑设计防火规范》、《水喷雾灭火系统设计规范》、《建筑防火通用规范》、《人民防空工程设计防火规范》的国标要求，康明斯公司在本文中介绍了发电机房的常见火灾特点，在列举柴油发电机室水喷雾灭火系统的设计方案中，着重阐述了对柴油发电机类不规则物体应用非"圆整"的方法来确定喷头数，及对其不规则表面，尤其是侧面在倾斜喷头喷射下的喷雾强度的校核，使按照柴油发电机消防规范来设计的灭火系统更加安全可靠。
一、柴发机房火灾特点与引发原因
1、火灾特点
柴油发电机由发电机、柴油机主机、柴油机冷却系统等组成，日用油箱单独设置在油箱间内。
（1）机组的发电机部位主要是电气类火灾，失火后容易烧毁发电机。
（2）柴油机部位主要是液体火灾，除需扑灭主机部位燃烧外，还需防止流趟液体扩大火势。
（3）冷却系统及通风系统中的管道处无可燃物且封闭，失火后需防护冷却。
（4）柴油发电机房内通常储存有大量的燃油，一旦发生火灾，很容易引起火势的迅速扩大。同时，柴油发电机房内还存在着高温设备和电气线路，这些设备一旦着火，也会加剧火势的蔓延。
（5）柴油发电机房内空间通常比较密闭，氧气供应相对不足，但燃烧所产生的热量和有毒气体却容易在室内积聚，给人员造成极大的威胁。
（6）柴油发电机房内往往存在大量的电子设备和敏感仪器，传统灭火方式如喷水或干粉会对设备造成二次损害，甚至使设备无法继续使用。
2、设备本体火灾原因
（1）燃油箱泄漏
柴油发电机的燃油箱在长时间使用中很容易发生泄漏。燃油泄漏会导致燃油在发动机的周围形成积水，而积水会进一步增加发动机的温度并加速故障的形成。当燃油到达一定温度或者接触到发动机的热部件时，就会引起燃烧。
（2）延长电缆
柴油发电机在使用过程中，电缆需要连接到各种设备和工具。如果电缆长度不足，很容易发生断裂或拉扯现象。这种情况可能会导致火花或电弧放电，这些火花或电弧可能会引起燃烧。
（3）故障电气元件
柴油发电机在长时间使用期间，电气元件也有可能失效或者损坏。在这种情况下，电气元件可能会引起短路或者过载等故障情况，从而引发火灾。
（4）不当的维护
柴油发电机需要经常维护，如果不正确维护或者保养，就可能导致柴油发电机的某些部件异常磨损或者故障。柴油发电机的维护需要遵循正确的维护程序和标准，否则就会增加火灾发生的风险。
3、水喷雾灭火系统优势
针对以上柴油发电机火灾兼有电气火灾和可燃液体火灾的特点，且电压较高，扑救难度较大。水喷雾灭火系统可以发挥以下优势：
（1）水喷雾灭火系统可以迅速响应火灾，快速将水雾喷射到火源周围，形成一层细小的水雾幕，阻止火势的蔓延，控制火灾发展。
（2）水喷雾灭火系统可以迅速将火源降温，有效扑灭火源，避免火势的进一步扩散，保护柴油发电机房内的设备和人员。
（3）水喷雾灭火系统使用水量少，可以将水雾喷洒到更广的区域，从而降低水雾对设备和敏感仪器的二次损害。
因此，水喷雾灭火系统兼能扑灭液体火灾和电器火灾，系统组成简单、占地小、投资较省，且该工程锅炉房也需设置水喷雾灭火系统，故设计选用水喷雾灭火系统。其布置和组成分别如图1、图2所示。
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图1 发电机房水喷雾灭火系统布置图 |
图2 发电机房泵组式喷雾灭火系统组成图 |
二、设计标准的依据
1、高规规范
根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045—95，2005版，以下简称“高规”）4.1.3 柴油发电机房布置在高层建筑和裙房内时，应符合下列规定：
4.1.3.1 可布置在建筑物的首层或地下一、二层，不应布置在地下三层及以下。柴油的闪点不应小于55℃;
4.1.3.2 应采用耐火极限不低于2.00h的隔墙和1.50h的楼板与其他部位隔开，门应采用甲级防火门；
4.1.3.3 机房内应设置储油间，其总储存量不应超过8.00h的需要量，且储油间应采用防火墙与发电机间隔开；当必须在防火墙上开门时，应设置能自动关闭的甲级防火门；
4.1.3.4 应设置火灾自动报警系统和除卤代烷1211、1301以外的自动灭火系统。
2、雾规规范
根据《水喷雾灭火系统设计规范》（GB 50219—95，以下简称“雾规”）中对发电机房设计参数没有具体规定，但对液体火灾和几种电气火灾的参数作了规定。
3、建规规范
根据《建筑防火通用规范》 （GB 55037，2022版，以下简称“建规” ）4.1.5 附设在建筑内的燃油或燃气锅炉房、柴油发电机房，除应符合本规范第4.1.4条的规定外，尚应符合下列规定：
4.1.5.1 常（负）压燃油或燃气锅炉房不应位于地下二层及以下，位于屋顶的常（负）压燃气锅炉房与通向屋面的安全出口的最小水平距离不应小于6m；其他燃油或燃气锅炉房应位于建筑首层的靠外墙部位或地下一层的靠外侧部位，不应贴邻消防救援专用出入口、疏散楼梯（间）或人员的主要疏散通道。
4.1.5.2 建筑内单间储油间的燃油储存量不应大于1m3。油箱的通气管设置应满足防火要求，油箱的下部应设置防止油品流散的设施。储油间应采用耐火极限不低于3.00h的防火隔墙与发电机间、锅炉间分隔。
4.1.5.3 柴油机的排烟管、柴油机房的通风管、与储油间无关的电气线路等，不应穿过储油间。
4.1.5.4 燃油或燃气管道在设备间内及进入建筑物前，应分别设置具有自动和手动关闭功能的切断阀。
4、人防工程规范
《人民防空工程设计防火规范》（GB50098，2009版，以下简称“人防工程”）3.1.10 柴油发电机房和燃油或燃气锅炉房的设置除应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016的有关规定外，尚应符合下列规定：
3.1.10.1 防火分区的划分应符合本规范第4．1．1条第3款的规定；
3.1.10.2 柴油发电机房与电站控制室之间的密闭观察窗除应符合密闭要求外，还应达到甲级防火窗的性能；
3.1.10.3 柴油发电机房与电站控制室之间的连接通道处，应设置一道具有甲级防火门耐火性能的门，并应常闭；
3.1.10.4 储油间的设置应符合本规范第4．2．4条的规定。
参考“雾规”的规定及其他设计资料，考虑到发电机组一般有较好的自我保护控制，发电机房内过多水渍对发电机房安全维护不利，设计喷雾强度采用最不利处不小于13 L/（min·m²），侧面可能有流趟液体火灾处不小于20 L/（min·m²），灭火时间采用0.5 h，系统的响应时间不大于45 s。
三、设计方案的确定与布置
1、喷头布置方法的确定
柴油发电机室水喷雾灭火系统是以保护发电机，扑灭其火灾为主要目的，故采用立体法，围绕发电机组周围布置喷头。由于喷头与电气设备（裸露）部分的最小安全距离为1.12m，则保护一台发电机组的水平侧喷喷头将处在另一台发电机组的危险区内，故改为布置高位侧喷喷头，反复调整安装角度和喷头高度，保证喷头在危险区外喷射且水雾能包围覆盖整个发电机组。
2、喷头的选择和喷雾强度计算
由于柴油发电机室具有电气火灾兼油类火灾的特点，设计选用ZSTWB系列离心式高速水雾喷头（见表1）。其喷射出的雾状水滴雾化程度高，具有良好的绝缘性能，因而能保证火灾现场周围人员的安全，而且在用于扑灭油品火灾时，其细小的雾粒还能发挥对油的较强乳化作用。
表1 发电机房水雾喷头选型
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序号 |
喷头型号 |
流量系数 K |
工作压力 MPa |
喷头出水量 L/min |
雾化角 ° |
部位 |
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1 |
ZSTWB-80 |
43 |
0.35 |
80.446 |
90 |
顶喷 |
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2 |
ZSTWB-40 |
21 |
0.35 |
39.287 |
45 |
侧喷 |
喷雾强度按下式计算：
W=q /（πR2）=1.00658 K√P/[Btan（θ/2）]2..........................（公式1）
式中，W——水雾锥底圆处喷雾强度，L/（min·m²）；
q——喷头出水量，L/min；
P——喷头工作压力，MPa；
K——喷头流量系数；
R——水雾锥底圆半径，m；
B——水雾喷头的喷口与保护对象之间的距离，m；
θ——水雾喷头的雾化角，°。
3、喷头布置
由式（1）可看出影响直接喷射到被保护对象上的喷雾强度的因素有喷头流量系数K，喷头工作压力P，喷射距离B，雾化角θ。
在柴油发电机组喷头布置时，一般工作压力P先确定，喷射距离B由安全区域决定，喷头的流量系数和雾化角已知，则可计算得出满足喷雾强度的水雾锥底半径R，依据R，按不留空白点的原则进行喷头布置，可保证有足够强度的水雾覆盖在发电机组表面，再按实际布置的喷头数及各喷头的出水量可确定总设计流量。
由于发电机组形状不规则，水雾喷头的出水总有一部分直接喷射到地面或非保护区域。因此若按“雾规”中的方法，将发电机圆整为长方体，根据长、宽、高计算表面积，再按喷雾强度确定喷头个数，不但容易造成喷头个数偏少，而且根据圆整后的长方体布置喷头，有些部位如侧进风段，喷口与保护区域的实际距离大于设计值，致使其喷雾强度不能满足要求。而采用上述布置方法，可保证被保护区域的直接喷射水雾强度。
顶部下喷喷头（以下简称"顶喷"）和侧喷喷头的布置见图3和图4。喷头离发电机组的安全距离按1.3 m考虑，确定危险区域。
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图3 发电机房灭火系统前侧喷与顶喷布置图 |
图4 发电机房灭火系统侧喷布置剖面图 |
4、喷头喷雾强度核算
在喷头工作压力为0.35 MPa情况下，"顶喷"喷射到发电机组顶面的喷雾强度为15.1 L/（min·m²）>13L/（min·m²），满足要求。对于发电机组的侧面，水雾锥与喷射保护面相交处为近似抛物线形状，且相邻喷头水雾在被保护面下部交叉重叠，故核算时按单个喷头保护区域进行复核（见图5），核算结果侧喷喷头的喷雾强度均超过20 L/（min·m²），可以满足扑灭液体火灾的要求。
5、喷雾流量计算
将图6中的环状配水管网拆成两分支，采用计算软件进行逐点法计算，最不利点处的侧喷喷头流量系数K值取一半为11。报警阀设计流量取两分支流量之和为21.6 L/s，乘以安全系数1.1，得23.8L/s。
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图5 发电机房灭火系统侧喷强度核算 |
图6 发电机房水喷雾系统流量计算 |
6、系统布置
水喷雾配水干管在机房顶部成环状布置，可减小不同喷头之间的压差，使作用在发电机组表面的水雾尽可能均匀、有效。而喷头则在危险区域外尽可能接近发电机组，以保证灭火效果。另外配水管道和支吊架均做等电位连接。油箱间因喷头数较少，布置管道时，就近并入柴油机喷雾系统。
为控制喷水量和减少水渍危害，采用5台发电机组由5组雨淋阀组分别控制。而雨淋阀组的动作则由设于各发电机组顶部的温感探测器控制，当同一发电机组顶部的2个火灾探测器均发出火灾信号时，对应该发电机组的雨淋阀组开启灭火。雨淋阀组也可手动启动或由消防控制中心启动。
水喷雾系统专用水泵设于1层消防水泵房内，1用1备，水泵出水管至雨淋阀进水管呈环状布置，屋顶高位水箱重力出水、气压罐稳压设备出水及喷雾水泵接合器均接入雨淋阀进水管。
总结：
由于柴油发电机组外形复杂，有部分水雾没有直接喷射到被保护面，若按"雾规"中7.1.3条公式，将其圆整后计算外表面积，确定喷头个数并进行喷头布置，由于喷头与保护对象的实际距离大于设计值，因此喷雾强度一般不能满足灭火要求。应按照实际发电机组外形，在保证被保护面处水喷雾强度条件下，按水雾锥相交覆盖的原则布置喷头，并按逐点法计算实际工作压力和喷雾流量，才能保证有足够强度的水雾覆盖被保护发电机组。
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