上海磁悬浮快速列车示范运用管线工程低压二氧化碳灭火系统介绍万芳

上海磁悬浮快速列车示范运用管线工程低压二氧化碳灭火系统介绍

1 工程概况 上海磁悬浮快速列车示范运营线是世界上第一条正式投入商业性运营的磁悬浮列车线路，它西起上海地铁二号线的龙阳路站，东至浦东国际机场，全长约为33公里，总投资约为89亿元人民币。 上海磁悬浮列车系统引进了德国的磁悬浮列车技术，为了向磁悬浮列车提供强大的电力，上海磁悬浮快速列车示范运营线在龙阳路站和临近浦东国际机场的维修基地内建造了两个规模庞大的牵引变电所。 龙阳路牵引变电所所和维修基地牵引变电所的内部布局基本一致，但维修基地牵引变电所的规模略大于龙阳路站牵引变电所：维修基地牵引变电所的建筑平面尺寸为72.2×34.4m，而龙阳路牵引变电所的建筑平面尺寸为55.8×34.4m。 牵引变电所的地下一层主要为电缆夹层和输入/输出变压器油坑，建筑高度为3m；一层为变频器室、输入/输出变压器室、配电装置室、牵引控制室、控制中心和灭火装置室，建筑高度为6.3m；局部的二层建筑则作为分散运营控制室，建筑高度约为3.8m。最大保护区域的体积为1332m3。

2 灭火系统的选择 由于上海磁悬浮列车系统引进的是德国的磁悬浮列车技术，因此整个磁悬浮列车系统包括配套设施的工艺设计和初步方案均由德国方面完成。 根据德国方面提供的初步方案，在这两个牵引变电所中都考虑采用高压二氧化碳灭火系统。由于每个牵引变电所中需要保护的区域数量都比较多，因此该初步方案还考虑了100%的备用钢瓶组，以提高系统的安全性。 针对德国方面的初步方案，我们与设计院共同进行了讨论，原则上同意了这个初步方案，其理由如下： □ 牵引变电所内安装的都是电缆和电气设备，如采用常规的室内消火栓和自动喷水灭火系统灭火将会对这些设备造成损害。 □ 牵引变电所的地下一层虽然只处在室外地坪以下1.5m（一层的地面高出室外地坪1.5m），可以看作是半地下室，但如果采用水喷雾灭火系统的话，其灭火时的消防排水仍然会成为一个大问题。 □ 虽然目前上海地区电力系统的大型地面变电所和半地下的变电所都习惯采用水喷雾灭火系统，但无论如何其规模都要小于本工程中这两个牵引变电所。本工程中如采用水喷雾灭火系统，由于保护区面积大、高度高，其消防水量必然庞大，为此而需要设置专门的消防水池和消防泵组和泵房，其投资也必然巨大。 □ 在目前可以选择的气体灭火系统中，七氟丙烷气体灭火系统因其输送距离太近，不适合本工程；IG-541气体灭火系统虽然其输送距离长，但其需要的钢瓶组数量多、压力高，加上还需要100%的备用钢瓶组，投资较大。 □ 二氧化碳灭火系统输送距离长，初期投资和运行成本也省，虽然对人体有窒息作用，在有人工作的环境中使用存在一定的危险性，但本工程中的所有电气设备基本为无人操作，平时只有少量的人员需要进入进行巡检。因此在完善系统设计和加强运行管理的前提下，其安全性是可以得到保证的。

3 系统的设计 维修基地牵引变电所共有12个区域需要二氧化碳灭火系统保护，而龙阳路牵引变电所则有10个区域需要二氧化碳灭火系统保护。这些保护区主要包括地下一层的电缆夹层，一层的变频器室、配电装置室、牵引控制室、控制中心，二层的分散运营控制室。输入/输出变压器及其油坑都没有考虑采用二氧化碳灭火系统保护。 二氧化碳灭火系统主要是按照国家标准《二氧化碳灭火系统设计规范》（GB 50193-93）（1999年版）中的规定进行设计，并参考了美国国家防火协会标准NFPA12中的有关内容。 由于保护的对象为电缆和电气开关设备，因此确定火灾类型为电气火灾，二氧化碳灭火系统采用全淹没的灭火方式，设计灭火浓度按照规范要求确定为47%，物质系数Kb=1.5，抑止时间为10min。电气火灾应该属于深位火灾，因此二氧化碳的喷放时间不应大于7min，并应保证在前2min中使二氧化碳的浓度达到30%。 经计算，每个牵引变电所中最大一个防护区的二氧化碳设计用量都为1673kg。由于每个牵引变电所中的保护区数量都较多，因此二氧化碳灭火系统考虑采用组合分配的系统形式，并根据其中最大的一个保护区所需的二氧化碳设计用量确定系统的规模，并按照规范的要求考虑有至少100%的备用量。 虽然德国方面提供的初步方案中考虑采用的是高压二氧化碳灭火系统，根据以上的计算结果应该需要45Kg的二氧化碳的钢瓶约40只,再加上还需要考虑100%的备用量，因此二氧化碳的钢瓶总数将达到80只。但如果改用低压二氧化碳灭火系统，在满足同样的使用要求前提下，其初期投资应该比高压二氧化碳灭火系统要小。经与德国方面商议，并征得消防监督管理部门的同意，为努力节省系统的投资，维修基地牵引变电所和龙阳路牵引变电所最后都确定采用低压二氧化碳灭火系统。 在实际确定低压二氧化碳灭火系统的储罐时，考虑到低压二氧化碳灭火系统的二氧化碳储存量除设计用量和管道中的二氧化碳剩余量外，还需要考虑储罐中平时因蒸发而以气相存在的量，总的储存量一般应比设计用量多10%。因此，最后确定包括100%备用量在内的二氧化碳储存量至少为3700Kg。维修基地牵引变电所和龙阳路牵引变电所都选用了美国安素（ANSUL）公司生产的低压二氧化碳灭火系统产品，每个变电所各设置了一座规格为6美吨的低压二氧化碳储罐，放置在一层的灭火装置室中。 美国安素公司生产的6美吨的低压二氧化碳储罐为卧式结构，是符合美国ASME标准的钢质压力容器，二氧化碳的设计最大储存量为4082kg，最大工作压力为2.41MPa，出厂前的试验压力为工作压力的1.5倍。储罐的外层包裹了厚度不小于100mm的聚氨酯泡沫保温层，并在保温层外采用白色铝合金作为保护外壳。 该低压二氧化碳储罐中平时同时存在着气相的二氧化碳和液相的二氧化碳，在正常情况下，储罐内的温度是由配套的致冷压缩机保持在-17.77℃，此时储罐中气相的二氧化碳的蒸汽压为2.06MPa，气相和液相的二氧化碳在此条件能达到一定的动态平衡。储罐配套了一台风冷式制冷压缩机，工作电压为220VAV，最大工作电流为8A，采用的环保型的制冷剂，它会根据储罐中的气相二氧化碳蒸气压力，不断的自动启动和停止，随时维持气液两相二氧化碳处于动态平衡。 该低压二氧化碳储罐上设有两种安全泄压装置：泄放阀和主安全阀。当储罐中的压力缓慢上升至2.28MPa时，泄放阀能自动开启，释放出二氧化碳气体而使压力降低。如果储罐中压力继续上升至2.41MPa时，主安全阀将自动开启排出更多的二氧化碳而泄压。两种安全泄压装置释放出的二氧化碳气体都由管道直接排放至室外。 美国安素公司的低压二氧化碳储罐并不是用机械或电子的称重装置来测量储罐中二氧化碳的总量，而是采用液位表来测定液相二氧化碳气体的重量，液位表的表盘直径为150mm，液位表的量程大于储罐的最大储存量。 该低压二氧化碳储罐设有充装二氧化碳气体的充装管和压力平衡管，并直接接至室外，因此大型冷冻槽罐车可以靠近灭火装置室在就地充装二氧化碳。 每个防护区都设有一个选择阀，最大保护区的为3”，最小保护区的则为1”。美国安素公司的选择阀能自动启动和手动启动：在自动启动方式下，是通过火灾报警控制装置来自动打开选择阀气动管上的电磁阀，再利用气动管中二氧化碳气体的压力自动开启选择阀，当达到规定的喷放时间后，再自动关闭选择阀气动管上的电磁阀即可关闭选择阀；而在手动启动方式下，可由人工在就地开启选择阀气动管上的手动旁通阀来打开选择阀，并在达到规定的喷放时间后关闭该手动旁通阀而人工关闭选择阀。由于选择阀的安装位置比较高，为方便操作人员能迅速、方便地人工操作选择阀，在安装选择阀的位置下方设置了具有一定高度的钢平台及上下爬梯。 与高压二氧化碳灭火系统及其它的气体灭火系统不同，低压二氧化碳灭火系统的喷嘴可以有较大的保护半径，美国安素公司规定喷嘴之间的最大间距可以达到12m。因此，每个保护区是根据保护区需要的设计总流量和单个喷嘴的设计流量来计算喷嘴的口径和数量，并最终满足规定的喷嘴之间的间距，并保证喷放时的均匀性。 维修基地牵引变电所和龙阳路牵引变电所中都设有独立的火灾自动报警系统，因此各保护区中都是由火灾自动报警系统来设置火灾探测器，并且在发生火灾时由火灾自动报警系统联动各保护区中通风空调系统中的防火阀和其它设备。而低压二氧化碳灭火系统自身设置了火灾报警控制装置，主要用于接受火灾自动报警系统送出的保护区预火警和火警信号，并自动启动保护区的声光报警装置和按设定的程序控制二氧化碳气体喷放。 每个牵引变电所的低压二氧化碳火灭火系统都配置了美国安素公司的IQ-396型多区域报警控制器，它是由美国NOTIFIER公司OEM生产的，并与该公司的AFP-400型智能型报警控制器是完全相同的。该报警控制器除能作为一般的火灾报警和联动控制功能外，还有10个区的气体灭火控制功能（报警、延时、气体释放、紧急停止、手动启动），并得到了美国UL和FM的认可。 每台报警控制器都具有自动控制、手动控制两种控制方式。在自动控制方式下，收到火灾自动报警系统送出的预火警信号后，可以自动启动保护区内的警铃发出预警信号；收到火灾自动报警系统送出的火警信号时，可以自动启动保护区内外的蜂鸣器及闪灯发出火警信号，同时开始不大于30s的延时。在延时结束后，可以自动打开选择阀喷放二氧化碳气体，并自动开始计时，在持续喷放至规定时间后自动关闭选择阀。而在手动控制方式下，收到由火灾自动报警系统送出的预火警和火警信号后，可自动启动保护区内外的警铃、蜂鸣器及闪灯发出预火警和火警信号，但不能自动打开选择阀喷放二氧化碳气体。此时打开设在保护区的电气式手拉开关后，可以打开选择阀喷放二氧化碳气体。 每台报警控制器都配有免维护的后备电池，其容量可保证在正常电源失去后可维持至少24h的对系统的实时监测，以及至少15min的连续报警和控制。报警控制器装置都能以无源干节点的形式向火灾自动报警系统送出每个防护区的气体喷放信号和系统控制状态（自动或手动）信号和系统的电气故障和设备故障信号。 每个保护区都设有手动操作装置，手动操作装置包括电气式手拉开关、紧急停止开关、手动/自动选择开关3种。 电气式手拉开关采用两段式的操作方式，可有效地防止误操作：操作时需先掀起外盖，再用力拉下内部操作手柄，才能动作；复位时必须采用钥匙，便于检查核实具体位置。 紧急停止开关是手动持续加压才能起效的类型，可有效防止恶意的操作，保证系统的可靠性。只有持续按下紧急停止开关的按钮，才可以在系统还处于延时阶段，暂时中止释放气体的过程；但当送开按钮后，系统重又开始延时并最终释放气体。但无论如何，在启动紧急停止开关后，仍然可以用电气式手拉开关人工启动系统。 而手动/自动选择开关则用于将系统有选择地置于手动状态或自动状态。手动或自动状态的选择，是用专用的钥匙开关完成。选择开关表面有状态指示灯会点亮，提醒操作人员注意其实际处于的状态。 按照规范的要求，维修基地牵引变电所所和龙阳路牵引变电所所的低压二氧化碳灭火系统都考虑同时具有自动控制、手动控制和机械应急操作三种控制方式，并允许使用者根据今后的使用、管理情况，自主地选择经常采用的控制方式。 为防止在灭火时，二氧化碳气体沿保护区域中的通风管道大量泄漏而影响灭火效果，要求火灾自动报警系统应将空调系统的送、排风设备在气体喷放之前或同时必须自动关闭，因此有关的风管上都设有接收到24VDC电信号后可自动关闭的防火阀。 为了保证安全，在每个防护区的管道上都设有了能在二氧化碳气体泄漏或喷放时增加特殊气味的装置。它是一种装有易挥发的特殊气味剂的安培瓶，可在气体喷放时破碎而将气味散发到保护区中。另外还配置了4套带储气瓶的专用空气呼吸器，每套的气瓶容量能维持1人1小时的呼吸量。 在系统投入运行后，使用方考虑到牵引变电所中实际的操作人员数字已大大超过了原来德国方面建议的人数，因此人员进出保护区的机率也大大增加，而原先一些无人的区域也因调试和检修的需要而会经常有人员停留。因此，为充分保证人员的安全，在每个牵引变电所所中还特意增加了一套固定式的二氧化碳泄漏探测系统。它包括设置在各保护区中的二氧化碳泄漏探测器和设置在灭火装置室中的报警控制器。灭火装置室中的报警控制器上能实时显示出各保护区空气中二氧化碳的实际浓度，并在保护区二氧化碳浓度出现异常时发出声光报警信号。这样一来，工作人员可以在每次进入保护区之前，事先就确认保护区中是否有二氧化碳气体泄漏和积聚，和对人员是否安全。另外，还配置了一定数量的便携式二氧化碳泄漏探测仪，由进入保护区的工作人员随身携带，并可随时发出报警信号。由于考虑价格的因素，增加的这套固定式二氧化碳泄漏探测系统采用的是国内的产品，从实际使用情况来看，运行并不十分稳定。

4 结论 由于以前确实有一部分已经投入使用的低压二氧化碳系统在运行过程中曾经发生过各中不同类型的事故，所以在人们的心目中一般总认为使用低压二氧化碳灭火系统存在着一定的风险。但通过上海磁悬浮快速列车示范运营线低压二氧化碳灭火系统的设计、安装和调试，包括之前在上海金茂大厦和上海浦东国际机场低压二氧化碳灭火系统的安装、调试，我们认为低压二氧化碳灭火系统是一个相对成熟的灭火系统，不但在国外已经有相当长的使用历史，而且在国内的使用历史也并不短暂，只要对系统的设计、设备选型及系统安装严格把关，就一定能保证系统的可靠性和安全性，否则就不可避免埋下了事故的隐患。 同高压二氧化碳灭火系统及其它灭火系统相比，在大空间保护区的气体灭火中，低压二氧化碳灭火系统在系统投资上有不可替代的优势，而在系统的运行管理和维护费用方面也并不存在很大的困难，可以得到很好地应用。 今后，可以结合一些大型项目中低压二氧化碳灭火系统的安装调试和验收，有意识地进行一些专项的测试，如管道中各点压力、温度的变化，保护区中温度随时间变化的情况等，为更好地设计低压二氧化碳灭火系统收集必要的参数和资料。 查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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