大型豪华邮轮细水雾灭火系统设计探究

王要波，白秀琴，郭智威，袁成清

(1. 武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430063；2. 国家水运安全工程技术研究中心 可靠性工程研究所，湖北 武汉 430063)

0 引 言

火灾作为大型豪华邮轮上一种破坏性极大的事故，如果不能得到有效控制，会造成巨大的损失。相比于其他场所，大型豪华邮轮火灾具有更大的危险性和复杂性，因此其火灾的预防和扑救更加困难。据统计，在已发生的邮轮各类事故中，火灾爆炸事故所占的比重达15%，属于频繁发生事故，风险等级极高，因此邮轮消防设施的设计建造极其重要。作为邮轮上的主要消防系统之一，细水雾灭火系统的设计建造对邮轮安全尤为重要。探索适用于大型豪华邮轮的细水雾灭火系统设计方案对于我国邮轮产业的发展具有重要的意义。

1 邮轮细水雾灭火系统

细水雾灭火系统最早于20世纪40年代用于船舶灭火，并于1987年《蒙特利尔议定书》签订之后在国内外得到广泛的研发与应用。细水雾雾滴直径较小，灭火机制主要为：吸热冷却、稀释氧气、隔绝热辐射、稀释可燃气体和雾动力学效应，多种灭火机制共同作用有效扑灭各类火灾[1]。除此之外，细水雾还可以对不溶于水的液态可燃物产生乳化作用，有效降低燃烧强度，防止复燃。在灭火过程中细水雾还能有效吸附火场周围的固体颗粒，降低现场人员吸入大量粉尘颗粒的可能，因此细水雾灭火系统具有极其广阔的应用前景。

1.1 邮轮细水雾灭火系统关键部件分析

邮轮细水雾灭火系统主要包含以下基本部件：水源、供水装置、管件、阀件、喷头、火灾探测及控制系统等[2-5]。

1）水源

不同于常规细水雾灭火系统采用水箱等储水容器作为水源，在邮轮中采用淡水舱中的部分淡水作为水源，并在淡水舱中设置低位报警装置，以保证淡水舱中始终储存有规范所要求的最小水量。同时在泵组前设置海水进口作为第二水源。

2）供水装置

为了满足安全返港要求，采用2组设置在不同防护区且远离A类机械处所的泵组为细水雾灭火系统供水，同时设置高压氮气瓶作为备用驱动，防止在全船失电时系统停止工作。供水泵组由可以自动切换的主电源和应急电源供电，并设有手动启动方式，以备紧急情况下使用。

3）管件

邮轮中采用的管道是由符合DIN标准的不锈钢AISI316L制成的焊接型管道，管道连接方式主要有专用接头连接、法兰连接等。根据管道铺设地点的不同，管道还具有其他附件以保证管道的安全。

4）阀件

邮轮细水雾灭火系统中使用的阀门较多，主要有分区控制阀、调压阀/减压阀、止回阀等。根据规范要求，细水雾灭火系统单个防护区的面积不应超过280 m2，若超过则需要增加分区控制阀进行分区保护；在工作压力可能超过系统、系统部件或两者系统设计压力的部位安装调压阀/减压阀，防止系统压力过高对管件及阀件造成损坏；在系统与水源永久性连接点之间设置止回阀，防止系统中的水倒流到水源中。

5）喷头

喷头通过一定的方式将压力水雾化成细小的水雾颗粒。根据工作场合的不同，邮轮中采用开式和闭式2种喷头。细水雾喷头在安装过程中需要考虑诸如火灾类型、喷头最大和最小距离、喷头最大安装高度以及安装角度等因素，并且对可能会对喷头造成机械损伤的场所如主要的工作通道、仓库区、行李存放区等设置喷头保护装置。

6）探测及控制系统

细水雾灭火系统属于自动消防系统，火灾探测系统和控制系统是实现自动灭火的关键部件。目前邮轮探测系统中常用的探头主要有感烟探头、感温探头以及火焰探头等，通常采用其中的2种或3种进行组合使用，防止产生误报警信号。自动控制系统是一套遥控或自动逻辑控制模块，当火灾探测系统探测到火灾信号后将火警信号传输到自动控制系统，通过自动控制系统控制消防泵以及分区控制阀等其他现场设备的开启，实现自动灭火。

1.2 细水雾灭火系统在大型豪华邮轮上的适用性分析

大型豪华邮轮结构复杂，可燃物种类多，火灾发生的可能性大。大型豪华邮轮上主要存在以下火灾类型：

1）固体火灾

邮轮上存在较多的易燃装饰物，极易发生固体火灾；

2）可燃液体火灾

在邮轮的机舱空间存放着大量油类，同时机舱空间温度较高，极易发生火灾；

3）电气火灾

邮轮上存在着排布密集的电缆以及配电室、控制室等各类电气场所，电气火灾也是邮轮上发生概率较大的一种火灾类型；

4）厨房油脂火灾

邮轮厨房以及储物间存在大量易燃油脂，同时厨房空间在工作时间温度较高又有大量高温气体排放，极易造成火灾发生[6]。大型豪华邮轮中的装饰材料大都价格不菲，在进行邮轮的灭火过程中，消防系统不仅要实现灭火功能，还要注意避免二次破坏，降低火灾损失。因此，大型豪华邮轮消防系统的选择极其重要，在以上各类场所中，选用细水雾灭火系统的主要原因包括以下2个方面：

1）适用范围广

细水雾灭火系统适用于固体火灾、可燃液体火灾、气体火灾、电气火灾以及厨房油脂火灾等，相比于其他灭火系统具有更加广泛的应用范围，极其适合大型豪华邮轮复杂的消防环境。

2）具有其他消防系统所不具备的优势

在船舶消防系统中应用较多的有自动喷水灭火系统和气体灭火系统等消防系统。自动喷水灭火系统耗水量大，大量的水流会对邮轮消防空间的装饰物或设备造成极大的损耗，增加后期修缮费用。另外，邮轮在海上航行时的淡水储备也是有限的，因此与细水雾灭火系统相比耗水量较大的自动喷水灭火系统并不适合用于邮轮大多数消防场所；气体灭火系统需要使用较多的瓶组及管道存储和输送灭火介质，正常情况下系统处于高压状态，对系统部件要求较高，因而气体灭火系统的使用成本较高。同时气体灭火系统在运行时还会危害人体健康，如果出现泄漏或误喷，更会引起重大安全事故，在大型豪华邮轮中人员密集的消防场所并不适用。

图1 某大型豪华邮轮总体设计原理图Fig. 1 General design diagram of a large luxury cruise ship

2 细水雾灭火系统在大型豪华邮轮上的应用

2.1 邮轮细水雾灭火系统整体设计原理

图1为某大型豪华邮轮细水雾灭火系统整体设计原理图。根据规范要求，将整个邮轮划分为多个主竖区，以确保在邮轮失去一个主竖区的情况下，其他主竖区的系统依旧处于正常状态。为了保证细水雾灭火系统的管路中始终存有足够压力和流量的压力水，在整艘邮轮中共设置2套一样的细水雾灭火系统装置，每套装置均由2组泵组进行供水并配有备用气瓶，2套装置设在2个不同的防护区内，分别通过单独的立管连接到管网。系统主管路管网采用环状结构以确保系统压力稳定，减小压力波动。

2.2 细水雾灭火系统在邮轮上的应用特点

大型豪华邮轮由于其功能特性的需求，在邮轮冷库、电气设备间、商用厨房、文档储存及精密设备间、电缆处以及A类机械空间中的应用与常规的消防系统相比存在很大的差异。由于大型豪华邮轮上食品储量及储藏时间、环境的需求高，设置邮轮冷库的闭式细水雾灭火系统需要考虑管路中压力水冻结的问题，邮轮上可采用预填充乙二醇防冻液的方式解决。配电室、控制室等电气设备间存在设备短路或系统超负荷工作等原因造成的火灾隐患，采用闭式细水雾灭火系统进行防护，细水雾不会对设备和人员造成损伤并且采用局部应用系统时，工作人员不必完全撤离，其他设备也可以正常运行。厨房中以油类火灾为主的烹饪火灾也是邮轮上极易发生的火灾类型，采用开式细水雾灭火系统可以在有效扑灭这类火灾的同时降低周围空间的温度，防止发生复燃，同时在灭火过程中控制系统自动切断厨房设备的供给电源，进一步降低复燃的可能性。对于存有大量纸质文档的档案馆以及安全中心、网络设备间等对灭火系统的快速响应和自动释放能力有较高要求的场所，采用预作用式细水雾灭火系统可以避免因误操作、管路泄漏等原因造成的文档和设备损坏，并且在灭火结束后只需打开排水阀将支管中的水排出，系统即可重新使用[7]。电缆夹层是邮轮上极其重要的电力部位，由于电缆夹层内部空间狭小，电缆排布紧密，通风散热条件差，存在很大的火灾隐患，特别是位于柴油机等失火危险较高的设备上方的电缆，采用细水雾灭火系统对电缆夹层进行防护，利用水雾的扩散性和强效冷却性能够实现快速灭火，同时又不会对电缆造成二次损伤，将火灾损失降到最低[8]。以邮轮A类机械空间的细水雾消防系统为例进行重点说明。

图2 A类机械空间应用简图Fig. 2 The application diagram of class A mechanical space

船舶A类机械空间存在着大量油类物质，并排布有密集的电缆，机器运转过程中还会产生较多的热量，所以机械空间是油、电、温三者同时存在的火灾高危地点。根据SOLAS公约规定，此类场所必须设置固定式气体灭火系统、固定式高倍泡沫灭火系统或固定式压力水雾灭火系统中的任意一种[9-10]。在邮轮中采用的是开式细水雾灭火系统，不仅能够有效扑灭此类火灾，且不会对机械设备的使用寿命产生影响。如图2所示，在邮轮A类机械空间采用开式细水雾灭火系统中的全淹没系统，为了满足安全返港的要求，系统设置带有流量指示器和手动释放能力的电磁阀作为分区控制阀与其他系统隔离，在机械空间中设置2个火灾探测器，火灾探测器一般设置为2个感烟探测器或2个感温探测器，也可以是1个感烟探测器或感温探测器与火焰探测器的组合。当第1个探测器探测到火灾信号时，声光报警器启动，发出火灾警报，当2个探测器都激活时，防护区的分区控制阀打开，高压泵组启动，系统释放水雾进行灭火。

3 大型豪华邮轮细水雾灭火系统设计计算方法

在进行邮轮细水雾灭火系统的设计过程中，系统设计计算是进行系统关键部件选型的依据[11-12]。

1）确定保护对象的性质及系统设计基本参数

细水雾灭火系统的喷雾强度、持续喷雾时间等设计基本参数应根据具体保护对象参照制造商技术资料或国家权威机构的型式检验报告确定，也可以按照规范的试验要求通过实体火灾模拟试验确定。根据某大型豪华邮轮上的应用场所，结合国家标准，部分对象的设计基本参数如表1所示。

表1 部分对象设计基本参数Tab. 1 Basic design parameters of some objects

2）计算喷头设计流量

式中：q为单个喷头的设计流量，L/min；p为喷头的压力，MPa；K为喷头流量特性系数，L/min·MPa0.5，一般由喷头生产厂家提供。

3）计算喷头数量

式中：N为喷头的计算数量；S为系统保护面积，m2；W为系统设计喷雾强度，L/min·m2。

4）计算系统设计流量

系统的计算流量及设计流量分别计算如下式：

式中：Qj为系统计算流量，L/min；n为喷头数量；qi为单个喷头的设计流量，L/min。

式中：Qs为系统设计流量，L/min；k为安全系数，不小于1.05，一般取1.05～1.10之间。

5）确定系统储水量

式中：Wc为储水量，L；t为持续喷雾时间，min。

邮轮设计中摒弃了压力水柜的设计方案，通过式（5）可以确定淡水舱中设置低位报警装置的最低水位。

6）计算管径

式中：di为管子内径，m；qv为管内流量，m3/h；v为管内流体流速，m/s，消防总管管内推荐流速为2～3 m/s，其他各支管的管内流速可以参照此要求进行推算。

7）计算系统压力

细水雾灭火系统针对不同压力的系统采用不同的方法进行压力损失的计算。

低压系统管道压力损失为：

式中：pm为管道总水头压力损失，MPa；L为管道长度，m；C为管道摩阻系数；di为管道内径，mm。

中高压系统管道压力损失为：式中：pm为管道总水头压力损失，MPa；f为管道摩擦系数，根据Re值和 Δ 值利用Moody确定；Li为管道长度，m；ρ为流体密度即水的密度，kg/m3；di为管道内径，mm；Re为雷诺数；μ为动力黏度，cp（厘泊）；Δ为管道相对粗糙度；ε为管壁粗糙度，mm，不锈钢管一般取0.045 mm。

根据NFPA750推荐的水力计算方式，管件以及阀件的局部水头损失可以采用当量长度法进行计算。

系统的供水压力按下式进行计算：

式中：P为系统总供水压力，MPa；pm为管道沿程阻力损失和局部水头损失的累计值，MPa；p为系统最不利点处喷头的工作压力，MPa；hz为系统最不利点与水舱最低水位或系统水平供水管中心线之间的静压差，MPa，由式（12）计算得到；Δh为高度差，m；ρ为介质密度，kg/m3；g为重力加速度；

以计算所得系统总供水压力为依据，结合系统设计流量确定泵的扬程及流量。

4 细水雾灭火系统在邮轮应用中存在的问题

1）我国针对细水雾灭火系统的规范还不够完善，特别是我国邮轮建设处于基础阶段，对于细水雾灭火系统在邮轮上的应用更是缺少有效的指导规范。例如我国相关规范中没有明确规定系统管网的布置问题和开式细水雾灭火系统是否应当设置稳压装置以及稳压装置如稳压泵的扬程、流量等选型参数如何确定。这些问题对于细水雾灭火系统在邮轮上的应用存在一定的制约作用。

2）在细水雾中应用添加剂的问题。大量研究表明在水中添加适当的添加剂能够极大增强水基消防系统的灭火效果。然而，目前应用的细水雾灭火系统大多采用纯水灭火，邮轮上亦是如此，这主要是因为细水雾喷头的喷孔极小，细微的杂质都可能堵塞喷头，影响系统的正常使用。目前研究较多的细水雾灭火系统添加剂主要有NaCl等盐类以及碱金属化合物等，这些添加剂直接添加到水中会对泵组、阀件等设备造成腐蚀、结垢等不良影响，严重时甚至会影响整个系统的安全与稳定。

3）近年来，大量的实践证明细水雾灭火系统可以用于扑灭电气火灾，但是作为水基消防系统，它仍旧存在造成电气设备短路的隐患。例如计算机房等弱电防护空间的设计喷雾强度为1.5 L/min·m-2，最小持续喷雾时间为12 min，所以在灭火过程中，计算机房等电气设备间每平方米的耗水量为18 L，除去因高温蒸发的部分，仍旧会有大量的积水积存在设备表面甚至有可能滴落到电子线路板上，造成电气设备短路。因此在邮轮上使用细水雾灭火系统扑灭电气火灾时，还需要考虑到电气设备的防水、积水和排水问题。

此外，还有闭式细水雾灭火系统的开启依赖于闭式喷头感温玻璃的破裂，而一般情况下造成感温玻璃破裂的温度高于燃料低温阴燃的温度，因此并不能完全有效的预防火灾的发生。这些问题的存在制约着细水雾灭火系统的进一步应用和推广，也是今后需要进一步研究的方向。

5 结 语

作为一种绿色高效的新型水基消防技术，细水雾灭火系统具有广阔的应用空间和应用前景，特别是针对大型豪华邮轮等具有复杂消防需求的场所，更是具有极大的适用性。相比于其他发达国家，我国初步进入邮轮市场，邮轮的设计建造处于基础阶段，对于细水雾灭火系统在邮轮上的应用更是毫无经验，针对大型豪华邮轮复杂的消防需求，探索出适合于大型豪华邮轮的细水雾灭火系统设计方案对促进我国细水雾灭火技术以及邮轮产业的发展都具有十分重要的意义。