火车滚装船火车舱水幕系统设计与布置优化

陈婷婷， 陆小科， 刘 华， 钟浩权， 姚堂毅

(中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715)

0 引 言

依据《国际海上人命安全公约》和《国际消防安全系统规则》要求，船舶应布置合适且足够的消防系统/设备，一般包括水喷淋系统、消防水系统、二氧化碳系统、七氟丙烷系统及灭火器和泡沫灭火小推车等。水喷淋系统分类如表1所示。

表1 水喷淋系统分类

船用水喷淋系统主要分为船用居住舱水喷淋系统及火车舱/车辆舱等特定舱室和机械设备间水喷淋系统。船用居住舱水喷淋系统一般是由压力水柜、喷淋泵、补水泵、储气装置、报警阀(干式/湿式)、压力传感器、水流指示器、信号蝶阀、喷头、系统主控制箱、泵组控制箱和显示控制器等组

成的固定水灭火设备，广泛应用于油船、客船和人数较多的工程船船员卧室。船用火车舱/车辆舱和甲板水喷淋系统分为2种：高速水雾和中速水雾。在保护区域发生火灾时，船用火车舱/车辆舱和甲板水喷淋系统启动方式分为2种：遥控启动和现场启动。遥控启动一般指打开保护区的分区信号阀，系统在收到信号阀开启信息后自动启动海水泵，舷侧海水通过主管路到达指定区域的喷头处进行喷淋，实施灭火。在遥控信号失灵时，可通过现场启动海水泵实现为系统供水灭火。机械设备间水喷淋系统一般采用分区阀，可遥控和手动控制球阀；泵组至分区阀间为湿式管路(保证在分区阀打开后水可快速到达喷头处释放)，分区阀至喷头间为干式管路(防止喷头误释放影响舱室设备等)。

国内某火车滚装船项目的火车舱水幕系统基本设计方案为：水泵(1 083.0 m3/h×0.60 MPa)，1组×100%排量；主甲板采用8区设计，分区总管集中布置于火车舱中部且从艏部贯穿至艉部；依据规范MSC.1/Circ.1430要求，应布置1台备用泵或增加1套水基灭火系统。该方案缺点：增加泵组数量或增加水基灭火系统；距分区线最近喷头的喷淋范围无法平均覆盖分区线；喷淋总管和分区阀集中布置产生问题。因此，该方案需要优化。

1 分区优化

火车滚装船火车舱分为2层：一层在主甲板(半封闭区域，层高为6.2 m)；一层在上甲板前部(遮蔽区域，层高为6.6 m)。火车舱布置剖视图如图1所示。

图1 火车舱布置剖视图

依据规范MSC.1/Circ.1430[1]要求，净高>2.5 m且<6.5 m的甲板所需要的最小喷水密度和覆盖面积如表2所示，其中：B为保护区域宽度，m。每平方米主甲板的喷水量至少为10.00 L/min，且分区长度至少为20.0 m。主甲板火车舱长度为166.4 m，按规范极限值计算，主甲板应分为8区。在8区设计中，相邻2个最大分区对应泵组的流量参数则会减少，原因在于：相同保护范围分区越多，对应泵组的流量参数越少。若采用8区设计，则会导致距分区线最近喷头的喷淋范围无法平均覆盖分区线。主甲板火车舱8区设计(局部)如图2所示，其中：第4区和第5区的分区线靠近第5区。在第4区使用水幕灭火时，最接近分区线的一列喷头无法将喷头右侧区域完全覆盖。针对该船复杂的结构布置和2区喷头对称布置的情况，主甲板火车舱优化为7区，如图3所示；喷淋覆盖宽度为火车舱两侧结构舱壁间宽度。

表2 净高>2.5 m且<6.5 m的甲板所需要的最小喷水密度和覆盖面积

图2 主甲板火车舱8区设计(局部)

图3 主甲板火车舱7区设计

依据规范MSC.1/Circ.1430[1]要求，净高>6.5 m且<9.0 m的甲板所需要的最小喷水密度和覆盖面积如表3所示。每平方米上甲板的喷水量至少为15.00 L/min，且分区长度至少为20.0 m。上甲板火车舱长度为166.4 m，但该层甲板对应的水幕系统仅需要针对遮蔽区域(露天区域采用消防炮)，因此实际水幕区域总长为35.7 m，而大面积覆盖喷淋片区长度仅为18.0 m，因此该区域设为1个分区。上甲板火车舱分区如图4所示；喷淋覆盖宽度为上甲板两侧结构舱壁间宽度(两翼遮蔽处仅需要考虑遮蔽宽度)。

表3 净高>6.5 m且<9.0 m的甲板所需要的最小喷水密度和覆盖面积

图4 上甲板火车舱分区

2 泵组优化

依据规范MSC.1/Circ.1430要求：泵组的容量计算应考虑最大的相邻2个分区喷淋水量总和，且应具有备用泵或增加1套水基灭火系统；备用/冗余应足以补偿任何单一供应泵或替代电源的损失。针对火车舱结构复杂、走管空间少等综合情况，初步优化采用备用泵。经软件计算，该泵参数为299.15 L/s(1 076.94 m3/h)×0.80 MPa(1组×100%排量)，将导致泵组采购成本大幅上升。经分析，该船对外消防泵(360.0 m3/h×13.50 MPa)可达到另外一个工况(参数调整为550.0 m3/h×0.85 MPa)的要求。对外消防泵曲线[2]如图5所示。

图5 对外消防泵曲线

若将上述水泵由1组×100%排量拆为2组×50%排量，在修改后每台泵的参数调整为550.0 m3/h×0.80 MPa，则与对外消防泵550.0 m3/h×0.85 MPa工况相似。经与船级社审图中心沟通，在满足水幕系统流量和压力情况下，可接受对外消防泵作为备用泵。因此，优化采用2台550.0 m3/h×0.80 MPa水泵，并采用对外消防泵作为备用泵，在满足水幕系统功能的情况下节省备用泵的数量和费用，降低单台泵组功率，并增加泵组在不同工况条件下的启动台数选择。

3 智能遥控优化

火车舱水幕系统原理如图6所示。在火车舱某区火灾探头探测到火情并发出对应分区报警信号或人为发现火情时，船员A迅速打开对应分区阀，船员B则快速到达艏部设备间内启动1台或2台喷淋泵。喷淋泵由海底门吸水，经分区阀将水迅速送至火情分区各喷头处进行喷淋灭火。船员可借助消防栓喷水灭火。在分区阀打开时，阀上限位开关信号输送至控制箱，提醒值班船员阀门已开启。在火情消失后，关闭对应的分区阀，关闭喷淋泵。将管路中多余的消防海水泄掉，以免外界气温低导致管路结冰或不流动水加剧管路腐蚀的情况。依据规范MSC.1/Circ.1430要求，该系统设置压缩空气吹扫/淡水冲洗接口。

图6 水幕系统原理

若需要对该系统进一步优化，则可将手动分区阀优化为遥控分区阀，并通过其开关信息联锁水泵启停。在火灾报警探测到火情时，遥控打开对应分区阀，分区阀开启信号命令，第一台泵组自动启动；在喷淋总管上的压力开关/传感器检测到压力不足时，自动启动第二台泵组以满足系统使用。

4 喷头布置优化

喷头喷淋范围越大，同一分区布置的喷头相对越少，对应的管路越少，现场施工量越少，但易导致泵组参数增大；反之亦然。火车舱火车与结构剖视图如图7所示。由于火车(含轨道)设计高度达5 171.7 mm，针对在装卸工况等出现的摇摆，火车需要的净高至少为5 223.0 mm，但舱顶下的加强梁高度为720.0 mm，管路等可使用的净高最多仅为257.0 mm，因此喷淋管只能穿过结构梁，现场焊接工作量大幅增加。

图7 火车舱火车与结构剖视图

针对主甲板喷淋布置设计展开分析。火车舱顶部可利用的净高空间较小，且结构梁横纵向布置阻挡，喷头实际喷淋范围大幅减少。初选采用CJ63型喷头(设计压力为0.12 MPa)，总数为1 240个，按1.8 m×2.4 m布置，喷淋泵参数预估为760.0 m3/h×0.70 MPa，分区阀门公称直径为300 mm。初选喷淋计算[3]如表4所示。初选喷头数量较多，增加大量的现场施工和材料费用，且喷淋泵组参数的修改使对外消防泵无法兼作备用泵，需要增加1台备用泵。

表4 初选喷淋计算

经对同类型喷头分析，在喷头流体出口压力增大时喷淋范围可扩大，喷头数量相应减少。在初步优化后上甲板喷头仍为140个，CJ63型(设计压力为0.20 MPa)；主甲板喷头由1 100个减至768个，CJ63型(设计压力为0.30 MPa)；泵组参数为560.0 m3/h×0.9 MPa。初步优化喷淋计算[3]如表5所示。

表5 初步优化喷淋计算

经多次优化对比，最终优化喷淋计算[3]如表6所示。上甲板分区喷头共128个，CJ63型(设计压力为0.20 MPa)。该型喷头在距车厢顶705.0 mm时，喷淋覆盖面积为4 m2，最大布置间距为2.4 m×3.2 m；在距顶甲板600.0 mm布置时，喷头距车厢顶810.0 mm，对应的喷淋覆盖面积比4 m2大：实际喷头布置仍按2.4 m×3.2 m间距，以留有一定裕量。主甲板喷头共773个，CJ42型(设计压力为0.30 MPa)。该型喷头距车厢顶627.0 mm时，喷淋覆盖面积为4 m2，最大布置间距为2.4 m×3.2 m；在距顶甲板350.0 mm布置时，喷头距车厢顶670.0 mm，对应的喷淋覆盖面积比4 m2大：实际喷头布置仍按2.4 m×3.2 m间距，以留有一定裕量。

表6 最终优化喷淋计算

5 分区总管布置优化

由于水幕系统为手动操作，因此分区阀位置选择将影响人员可否快速到达并操作。喷淋总管布置(优化前)如图8所示。

图8 喷淋总管布置(优化前)

在初始设计时，喷淋总管和分区阀统一布置于主甲板下一层消防控制站内。优点是船员可在消防控制站内看到火灾报警信息并同时开启此区阀，加快响应速度；缺点是各分区阀后的分区总管集中布置、管线长，大量粗管穿过结构骨材，使施工难度加大，且结构加强材和管材质量急剧加大。优化设计：喷淋总管由消防控制站移至主甲板左舷走廊，并延伸至机舱棚前；各分区阀布置于对应分区左侧走廊，分区总管由分区阀穿过主甲板左舷走廊内壁至对应分区，延伸至各喷头。优化设计可节省大量管材，减少结构开孔补强数量，减少现场人员在火车舱内的施工等；至于响应速度，由于主甲板各分区阀统一布置于左舷走廊，较为集中，且各分区阀阀杆延伸至显眼处并涂红漆，因此船员可迅速发现并操作。

6 结 论

(1)优化分区设计：由8区改为7区，可使距分区线最近喷头的喷淋范围平均覆盖分区线。

(2)优化泵组设计：将水泵由1组×100%排量拆为2组×50%排量，每台喷淋泵的参数调整为550.0 m3/h×0.80 MPa，并采用对外消防泵作为备用泵，可在满足水幕系统功能的情况下节省备用泵的数量和费用，降低单台泵组功率，增加泵组在不同工况条件下的启动台数选择。

(3)优化智能遥控：手动分区阀改为遥控分区阀，并通过遥控分区阀开关信息联锁喷淋泵启停，可减少船员工作量，缩短系统启动时间，提高灭火成功率。

(4)优化喷头布置：可减少大量现场施工和材料费用，优化泵组参数。

(5)优化分区总管布置：可节省大量管材，减少结构开孔补强数量，减少现场人员在火车舱内的施工。