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高压细水雾灭火技术在数据机房中的应用

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引 言
本文介绍了高压细水雾的工作原理及特点,针对机房火灾的特点并与传统机房灭火技术进行对比,从安全性、有效性、经济性上分析了高压细水雾适用于通信机房的可行性,最后简单阐述了高压细水雾在设计中需要注意的一些问题。高压细水雾电绝缘性好、灭火效果突出、使用维护成本低,可适用于通信机房中,应用前景较广阔。
机房是实现通信传输的主要枢纽,机房内消防系统的合理选择是保证机房设备安全和稳定运行的重要保障。 从上世纪后期开始,气体灭火系统在电信行业中得到了非常广泛的应用。其中卤代烷 1301 由于对环境造成影响而被淘汰,气溶胶误喷后产生的高温会导致机房内环境温度过高,对交换机、电子元件等会造成影响。现在常用的洁净气体灭火系统主要有 IG-541 混合气体和七氟丙烷等。 IG-541 混合气体喷放过程中不会对人造成伤害,由于是高压储存及气态输送,所以具有较大的保护半径,适合机房距离钢瓶间较远的机房使用。七氟丙烷系统灭火剂储存压力低,安全性较好,且储存容器少,占地面积也较小,因此在通信机房中较为常用。 但是气体灭火也存在一些不足之处。 从药剂本身来说,IG-541 系统储存压力高,增加了使用的危险性,钢瓶间占地面积较大;七氟丙烷灭火系统输送距离短,不适用于大型护区和输送距离远的场合,且药剂的价格也较贵,灭火过程中遇高温分解产生的 HF 会对人体和电子设备造成危害。 设计要求上来说,气体灭火的设计对保护区划分较为严格,规范规定若采用管网系统,一个护区面积不宜大于 800㎡,容积不宜大于 3600m3。目前的很多大型及特大型机房面积都较大,在设计气体灭火时都需要将机房划分若干个小区域,这不仅限制了机房的使用,同时众多的防护区也造成管线长而复杂、设计及管理量增加。 因此,行业内一直在积极研究开发在技术上适用、经济上合理的其他类机房灭火方式。

01 机房消防系统比较

基于机房灭火需求,从下列几个方面对 高压细水雾灭火系统 与 气体灭火系统 进行分析比选: 1、系统灭火效果比较 高压细水雾灭火系统通过高压喷放细水雾实施灭火。灭火剂为水,取材方便低廉;灭火机理是冷却和窒息,灭火效果较好,灭火后不易复燃,在水源保证的情况下,可重复使用。但对于珍贵物品和特别重要的电气设备,使用该系统存在水渍损失风险。 气体灭火系统主要利用灭火剂储瓶释放压力,通过管网和喷嘴喷放灭火气体。七氟丙烷灭火系统主要灭火机理为化学抑制;惰性气体气体灭火系统主要灭火机理为物理窒息。气体灭火的优势在于没有水渍损失风险。但灭火剂只能单次释放,无法解决复燃问题。 2、对环境影响的比较 高压细水雾以水为灭火剂,绿色环保,对人体和环境没有危害,兼具清洗有毒烟雾和消减烟尘的功能,利于人员的逃生。高压细水雾雾滴水渍损失非常小,对保护对象影响很小。 七氟丙烷系温室效应气体,其全球变暖潜能值 GWP100=3 350。惰性混合气体(N2、Ar、CO2)或氮气(N2)均来源于空气,对大气环境无不良影响,但对火灾烟尘没有消减作用。 3、对建筑平面布置及相关设备设计的影响比较 高压细水雾灭火系统灭火后不会产生有害气体,仅需在灭火后加强通风;由于耗水量少,可充分利用现有排水系统。 气体灭火系统在灭火后,防护区内会有灭火气体滞留,须打开排烟风机排放。且灭火气体质量密度比空气大,集中于防护区底部,因此,排风口需设置在防护区低位,会影响防护区的使用。另一方面,由于气体灭火组合分配系统对防护区数量和输送距离的限制,如果大型档案库房采用气体灭火将不可避免设置相当多数量(或面积)的钢瓶间,不利于档案库区的布置。 4、经济性分析比较 结合某档案库房案例(该档案馆设置 18 个防护分区),对运用 IG541 气体灭火系统和高压细水雾灭火系统进行造价比较,分别按采用国产设备和进口设备列表比较,见表 1 和表 2(按 20 年使用期测算运维费用,包含灭火剂更换)。 表 1 国产设备造价估算对比 高压细水雾灭火技术在数据机房中的应用 注:以国产 IG541 的设备及管网投资费用为基准价格,设为 A 表 2 进口设备造价估算对比 高压细水雾灭火技术在数据机房中的应用 注:以进口 IG541 的设备及管网投资费用为基准价格,设为 B 从造价估算对比表 1 和表 2 可以得出,无论是进口还是国产设备,高压细水雾系统在工程投资和运维费用上都低于对应的 IG541 气体灭火系统,特别是由于高压细水雾的灭火剂为水,没有额外的灭火剂更换费用,运维费用有很大的经济优势。进口和国产高压细水雾系统的总投资均是对应 IG541 气体灭火系统总投资的 45%以下。 因此,对于机房,采用高压细水雾灭火系统的经济性较高,特别是后期维护费用优势明显。

02 高压细水雾灭火机理

高压细水雾灭火系统是水灭火系统的一种新型技术,它是一种由高压水通过特殊喷嘴产生的细水雾来灭火的自动消防给水系统。高压细水雾的给水压力不小于 10MPa,DV0.99<200μm。其灭火机理主要包括: 1、汽化吸热、阻隔辐射 高压细水雾水滴体积较小,较大的比表面积能增加其热交换面积,提高吸热效能和灭火效率。细水雾遇热汽化后,体积急剧膨胀可达 1700 多倍,水蒸气紧密笼罩在燃烧物周围,形成一道屏障阻挡新鲜空气的进入,使燃烧物因缺氧而中断燃烧。对火焰的辐射热具有很强的阻隔能力,防止火焰蔓延。 2、降烟洗尘、表层浸润 电气类火灾中有毒有害烟气较多,细水滴可与燃烧的灰烬、炭粒和有害气体等粘合而得到洗消,大大减少火场中烟气和毒气的危害性。高压细水雾雾粒速度大,能深入到油类燃烧物表层,使燃烧物得到浸湿,阻止可燃气体燃烧物的进一步产生,同时,由于细水雾颗粒极小,不会扰动液面,造成飞溅,到达灭火和防止火灾蔓延的目的。 3、三维移动、横线灭火 在喷雾时,部分直径小的雾滴,由于受到空气的阻力,并不全部沿喷射方向前进,雾滴在射流方向产生横向和向上翻腾运动进入喷头上部空间,使得细水雾能够充满保护区域的整个空间,对火灾的扑灭深度较高。 机房消防系统的选择遵循安全性、有效性和经济型的原则。安全性在于消防系统应最大限度的减少室内人员及机房内的设备的损害,首先必须具有较高的绝缘性,不能造成设备短路损坏;有效性在于能及时将火灾扑灭而非暂时控制火灾;经济型在于消防系统的投入价值。 与其服务对象的价值之间要达到平衡关系。高压细水雾自身的特点使得其适用于机房消防系统。

03 高压细水雾与传统水消防系统的比较

传统水消防系统是严禁应用在电气类区域的。对于高压细水雾来说,雾滴长时间地悬浮在空中,水雾的汇聚、凝结需要极长的时间才能完成,因此很难在电极表面形成导电的连续水流或表面水域。国内外学者也做了较多的相关研究,比如美国国家技术标准局(NIST)和加拿大国家研究局(NRC)的许多实验室进行了水雾抑制、扑灭电子设备火灾的研究,结果表明高压细水雾对电气设备的损害很小。国际火灾安全机构对配电转换开关进行了细水雾灭火的有效性和安全性试验,当水雾系统启动时,立即关闭电源,试验结束后将电气设备干燥处理,试验结果表明,在高压细水雾能有效地抑制、扑灭火灾,不会造成电器短路和电子元件的其它损坏。杨琦对某银行数据中心项目进行高压细水雾实体灭火试验,几种不同复杂火源均在 1 min 内成功扑灭,并有效防止了火灾复燃。灭火期间,带电工作的计算机一直处于正常工作状态下,喷放结束后重新启动工作正常。这些都充分说明,在安全性上高压细水雾适用于通信机房灭火。 机房内强弱电线路的绝缘材料多为热塑性塑料等,其燃烧火焰温度高、火势蔓延速度快、发烟量大。火灾烟气含有大量 CO、HCl、HF 等有毒腐蚀性气体,极易在电气柜中蔓延,腐蚀电气开关、电路板等,易造成二次灾害。且有研究表明火灾造成的损失中,95%是由烟雾造成的,而仅有 5% 是由火场温度造成的。因此对机房灭火系统的设计既要求快速灭火,又能够有效降低烟尘量,从灭火原理可以看出,高压细水雾均可以满足这些条件。 高压细水雾可即时喷放,在喷放时对人员无影响,无需人员疏散。设计时对防护分区的面积、容积以及空间的密封性相对气体灭火系统要求要小很多,可以通过技术手段对大型机房进行物理意义上的分区,避免了分割成较多防护区的繁冗。 高压细水雾以水为灭火剂,且用水量仅为水喷淋的 3%至 5%,避免了大量的排水造成的次生损害。相对于传统的灭火系统而言,其管道管径小(≤DN40),使安装费用也相应降,其使用成本和日常维护工作量相对其他灭火方式大大减少。 高压细水雾灭火系统由高压细水雾泵组、区域控制阀组、细水雾喷头、不锈钢管道等组成。其在设计时区别与传统的水喷淋系统。 1、水质 高压细水雾系统采用特殊喷头,为避免喷头堵塞,对灭火介质的水质有着极高要求。系统用水的最低标准为国家饮用水标准,用水需进行预处理。水质过滤主要通过过滤器。对于泵组式系统,储水箱前的进水管、高压吸水管、水泵进水口均应考虑过滤措施,系统贮配水容器、管道、加压设备等应选择不会造成系统二次污染的设备或装置,并定期清理水箱进行换水,以免影响喷头喷雾效果或堵塞喷头。 2、管材 高压细水雾系统的设计压力达 12MPa 以上,测试压力达 18 MPa 以上。系统要求的抗高压性高于其他水消防系统。其设备、组件、管材的选材要求,首要原则是耐高压;其次考虑水质要求,要耐腐蚀,保证不淤积,不堵塞;最后平衡考虑性价比和使用寿命。 3、遇风问题 高压细水雾雾滴的质量较轻,发生火灾时,排烟增加了火羽流的浮升力,造成高压细水雾很难到达火焰根部,降低了灭火效果。有研究表明,在风速小于 3m / s 的场所,高压细水雾系统可以保持较好的控火灭火效果。所以在系统设计时需要和暖通等专业等共同协商相关设计参数。 4、系统形式 高压细水雾系统可分为开式和闭式 2 种选型,闭式系统必须待火情发展到一定程度,喷头处的温度达到 57 ℃,闭式喷头爆破才能实现灭火,快速灭火效果略低于开式系统,且无法实现人员就地手动启动系统进行灭火,存在延误灭火的风险。开式系统灭火时整个防护(分)区的喷头均同时打开喷放细水雾,相比于闭式系统更能控制火灾蔓延及迅速扑灭火灾,并可以实现人员就地紧急启动系统进行灭火。本项目普通纸质档案库房主要采用密集柜储存档案,火灾危险性高,蔓延速度较快。 另外,密集柜相对封闭的结构也会影响喷头感温元件的及时响应,导致闭式系统灭火动作迟缓,相对而言,开式系统可利用外部独立的火灾探测系统来及时响应。综上所述,本项目普通纸质档案库房采用开式高压细水雾系统更为合适。《细水雾灭火系统技术规范》3.1.3 条对密集柜档案库使用开式高压细水雾系统也是支持的。

04 《细水雾灭火系统技术规范

《细水雾灭火系统技术规范》对全淹没开式细水雾系统的防护区的数量和容积提出了要求:防护区不能超过 3 个,泵组系统的每个防护区容积上限定为 3000 m3。 机房内设备较为重要,为降低高压细水雾产生误喷的可能性,不建议采用闭式(湿式)系统,设备房间根据火灾的阴燃、低温明火等特点,推荐采用开式系统保护。 合理有效地选择机房消防系统对于设备的运行维护、快速处理设备故障、降低建设成本具有十分重要的意义。高压细水雾作为一种新生的消防技术,其良好的电绝缘性可以有效地解决电子信息设备的水渍和导电性敏感问题,突破了水系统不能灭电气类火灾的禁区,应用在通信机房中安全、高效,同时能有效降低火场中的毒气、毒烟,对保障通信机房的稳定运行、减少火灾的二次损失具有显著作用,在通信机房消防领域中具有较大的应用潜力。目前国家及地方规范缺少高压细水雾应用于通信机房的详细指导条文,在设计时没有针对性的可参考的规范,因此高压细水雾在后期设计及推广方面有待新规范及相关指导规程的出台。 高压细水雾灭火技术在数据机房中的应用 标准层高压细水雾系统原理 每套高压细水雾系统包括高压细水雾泵组[含高压柱塞泵(5 台,4 用 1 备)、稳压泵(2 台,1 用 1 备)]、补水增压泵(2 台,1 用 1 备)、水箱、分区阀(分区控制阀、开式区域阀)、细水雾喷头及管路、报警控制系统等(见上图)。 泵组中,稳压泵的作用是维持分区控制阀前的管网压力,并确保第一点火灾探测器报警时,分区控制阀至开式区域阀组间管网的预充水。 补水增压泵的作用是保持高压泵(柱塞泵)入口的正压压力,确保其高效率工作。 开式区域阀组设于对应的防护分区(单间档案库房)的外部便于操作的位置。开式区域阀组在确认火灾信号(第二点火灾探测器报警)后打开,系统正式进入灭火状态。


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