煤化工變配電室與電氣設備間消防安全自動滅火系統設計與應用研究

1 火災風險特性與防護挑戰

煤化工生產環境中，油浸電氣設備（尤其是變壓器）與變配電室構成了電力供應的核心樞紐，其火災風險具有顯著的行業特性。這些區域一旦發生火災，不僅會造成設備損毀和生產中斷，還可能引發連鎖事故，威脅整個工廠的安全運營。因此，深入理解其火災特性是設計有效自動滅火系統的前提。

1.1 火災成因與特性

絕緣油分解引發爆炸：油浸變壓器內部通常裝有大量絕緣油作為冷卻和絕緣介質。當設備因過載、絕緣老化或短路故障產生異常高溫或電弧時，絕緣油會迅速熱分解，產生甲烷、乙烯等可燃性氣體。這些氣體積聚到一定程度后，遇高溫或火花會發生爆炸性燃燒，形成油火噴濺現象，火焰高度可達數米，并引燃周備。

隱蔽性強且復燃率高：煤化工變配電室的火災多起源于電纜接頭、開關觸點等隱蔽部位。初期往往表現為陰燃狀態，產生大量有毒煙霧但無明顯火焰。待明火出現時，火勢已在電纜溝、橋架等封閉空間內蔓延，形成多點燃燒源。即使表面火勢被撲滅，深層絕緣材料仍可能保持高溫，導致復燃風險高達40%以上。

多種火災類型交織：不同于普通工業火災，變配電室火災通常同時包含A類（固體可燃物如電纜絕緣層）、B類（變壓器油等液體燃料）和E類（帶電設備）火災特性，要求滅火系統具備多災種兼容能力。

1.2 防護難點與需求

設備兼容性矛盾：傳統水基滅火系統雖對A類火災有效，但噴放后易導致電氣設備短路或絕緣性能下降，產生二次損害。而部分氣體滅火劑在高壓電弧環境下可能分解產生氫氟酸等腐蝕性物質，損害精密控制元件。

快速響應與精準覆蓋：油浸設備從起火到油箱爆裂的“黃金撲救窗口期”通常不足3分鐘。這要求系統必須在30秒內完成火情識別并釋放滅火劑，且需確保藥劑能穿透設備外殼間隙到達火源核心區。

復雜空間適應性：煤化工變配電室常包含電纜夾層溝槽開關柜等結構復雜區域，形成大量滅火死角。特別是當變壓器與配電裝置共室布置時，需同時滿足全淹沒（變壓器區）與局部應用（開關柜）兩種滅火方式的需求。

2 自動滅火系統的選型與設計

煤化工油浸電氣設備及變配電室的自動滅火系統設計需基于精準的風險評估，結合空間布局、設備特性和工藝需求進行差異化配置。系統選型應遵循“快速響應、精準覆蓋、最小損害”原則，確保在火災初期階段實現有效干預。

2.1 滅火劑選型策略

超細干粉系統

針對油浸變壓器火災，超細干粉（90%粒徑<20μm）憑借其固氣兩相滅火機理成為首選。當探測器確認火情后，系統通過氮氣驅動使干粉以超音速噴灑，瞬間形成氣溶膠態滅火介質。其優勢在于：

1）通過化學抑制阻斷燃燒鏈式反應，尤其適用于可燃液體與氣體火災；

2）粒徑極小可有效穿透變壓器散熱片間隙；

3）成本僅為氣體系統的60-70%。但需注意干粉殘留物可能污染精密儀器，后續清理成本較高。工程中常采用雙模啟動技術，即同時配置電控啟動與熱力啟動器（如68℃感溫玻璃球），確保在控制系統失效時仍能可靠觸發18405918333

全氟己酮氣體系統：（18405918333）對于設有精密繼電保護裝置或控制柜的配電室，全氟己酮因其環保性絕緣性成為理想選擇。其滅火濃度僅需4-6%，在常溫下可液態儲存，噴放后迅速氣化吸熱，實現降溫與窒息的協同滅火效果。相較于傳統七氟丙烷，全氟己酮的大氣壽命僅5天（七氟丙烷達34年），全球變暖潛能值（GWP）小于1，符合最新環保要求。設計時需確保防護區密閉性，滅火度維持時間不低于10分鐘，防止復燃。

細水霧系統

適用于空間高度超過5m的敞開式配電裝置區或電纜隧道。高壓細水霧（工作壓力>10MPa）通過三重作用機制滅火：184-0591-8333

1）液滴迅速氣化吸收大量熱量（汽化潛熱2257kJ/kg）；

2）水蒸氣稀釋氧氣濃度；

3）微滴穿透煙塵屏障直達火源。其用水量僅為傳統噴淋系統的10%，電氣設備防護等級達IP55以上時可安全使用。但需注意水質要求（TDS<50ppm）和防堵塞設計，寒冷地區需添加防凍劑。

2.2 系統配置要點

探測報警融合設計：采用多傳感融合技術提升報警準確性。典型配置包括：

1）分布式光纖測溫系統（DTS），沿電纜全程實時監測溫度變化（精度±0.5℃）；

2）雙波段火焰探測器，識別可見光與紅外輻射；

3）VOC傳感器檢測絕緣油分解產物（如乙炔）。通過智能算法對多源信號進行耦合分析，將誤報率控制在5%以下。

管網優化與噴頭布置

變壓器區：采用全淹沒+局部增強方式。頂部布置廣角噴頭（覆蓋角120°）覆蓋油箱整體，底部設置向上噴射噴頭針對泄油池火源，噴頭間距不大于2.5m。

開關柜區：在柜體頂部和底部同時布置噴頭，形成立體覆蓋。對于柜內隱蔽空間，可采用穿孔管方式將滅火劑直接導入。

電纜溝：沿溝槽走向每3米設置一個定向噴頭，噴射角度沿電纜束方向調整至30°-45°。

多級聯動控制：建立三級響應機制：

預警級（溫度>90℃或煙霧濃度>5%/m）：啟動聲光報警，聯鎖關閉通風系統。

關斷級（溫度>120℃且火焰確認）：切斷設備電源，啟動滅火劑預釋放程序。

滅火級（多探測器復合確認）：釋放滅火劑，延時30秒后啟動排煙。

3 特殊場景應用方案

煤化工裝置中油浸電氣設備的布局和使用環境存在顯著差異，需要針對特定場景設計定制化滅火方案。以下是三類典型場景的技術解決方案，均已在工程實踐中驗證其有效性。

3.1 油浸變壓器本體防火

一體化內置滅火裝置：對于10kV/800kVA及以上容力的油浸變壓器，可采用集成式滅火結構。如圖1所示，在變壓器外殼內壁主油箱之間設置雙層隔離腔體：外層填充相變冷卻材料（如石蠟基復合物，熔點68℃），內腔儲存超細干粉滅火劑（ABC類，粒徑D50≤10μm）。油箱底部安裝熔斷式釋放機構（低熔點合金片，熔斷點120℃），當油箱溫度異常升高時，合金片熔斷使滅火劑通過導流管注入油箱內部。此設計突破傳統外部滅火系統無法快速干預油箱內火災的局限，響應時間縮短至25秒以內。

外部快速抑爆系統：針對變壓器套管閃絡引發的噴射火，在高壓套管周邊布置線性探測管定向干粉噴灑器。探測管充填1.2MPa氮氣，遇火爆破后觸發噴灑器，30ms內形成錐形滅火粉霧覆蓋套管區域。工程數據表明，該系統可有效抑制直徑3m范圍內、持續時間<500ms的瞬態火焰，防止火災蔓延至相鄰設備。

泄壓導流滅火組合：在變壓器下方設置卵石泄油池（卵石層厚度≥250mm，粒徑30-50mm），同時池內預埋泡沫噴淋管網。當變壓器爆裂導致絕緣油泄漏時，卵石層減緩油流速度并阻隔油氣揮發，此時系統自動噴射水成膜泡沫（AFFF），在油面形成隔離膜阻止復燃。泄油池容積按變壓器油量的110%設計，圍堰高度滿足20分鐘泡沫液蓄積要求。

3.2 高壓配電室系統防護

分區組合滅火策略：對含有高壓開關柜（6kV以上）的配電室，采用“氣體+干粉”雙系統覆蓋。主防護區（設備區）采用全氟己酮全淹沒系統，確保整個空間達到設計濃度（6%vol）；在開關柜內部、電纜接頭等局部高危點增設超細干粉點式裝置，解決柜體密閉空間滅火濃度不足問題。系統聯鎖邏輯設定為：柜內探測器報警僅啟動干粉裝置，避免全室氣體誤噴；當2個以上分區報警或環境探測器動作時，啟動全室氣體滅火。

帶電火災安全防護：必須嚴格遵循“斷電優先”原則。滅火系統與電源開關設置硬線聯鎖：當任一火災探測器確認報警，立即觸發斷路器分閘線圈動作（響應<500ms），確保滅火劑釋放前完成斷電。對于無法斷電的應急母線系統（如UPS輸出端），滅火系統僅限于使用非導電介質（全氟己酮或干粉），且噴放時需確保人員撤離至1m外。值得注意的是，不存在適用于10kV以上帶電設備滅火的便攜式滅火器，必須依賴固定系統處置。

結構適應性改造

通風封堵：在滅火劑噴放前，通風系統風閥應在15秒內關閉，房間開口面積不超過總內表面積的5%。

防靜電接地：所有設備外殼、金屬管網均需設置靜電接地網絡，接地電阻≤4Ω。

泄壓口優化：氣體滅火區泄壓口設于房間上部，面積按Q=0.0085√(Pf)計算（Q為泄壓面積，Pf為圍護結構承壓能力）。

3.3 電纜密集區解決方案

超細干粉自動定位系統：在電纜豎井、夾層等人員難以進入區域，部署軌道式巡檢機器人搭載紅外熱像儀與超細干粉罐。機器人沿預設軌道巡航（速度0.5m/s），當檢測到溫度異常（>110℃或溫差>15K），自動定位火點并啟動干粉噴射。單罐滅火劑覆蓋范圍8m3，可連續處理3個火點。該系統特別適用于超長電纜隧道（>100m），解決傳統系統管網壓降過大問題。

細水霧分區阻隔：針對成束電纜橋架，采用開式分區系統，每20m設一水霧隔離帶。噴頭選用實心錐型（霧化角90°，流量系數K=1.8），布置于電纜層間及側向，形成立體水霧屏障。系統啟動后，著火區段兩側噴頭同時動作，實現火勢隔離與局部滅火。水質需經5μm精密過濾，管道采用不銹鋼材質防止腐蝕。

防火包封協同滅火：對穿越防火分區的關鍵電纜，在穿墻孔洞處實施膨脹型防火包封（3小時耐火極限）。包封體內預埋滅火劑釋放管，當溫度超過180℃時，包封材料膨脹密封孔隙，同時釋放管內全氟己酮實現局部滅火。此技術有效阻斷“煙囪效應”導致的火勢蔓延，特別適用于豎井與樓層交接處。

3.4 實際應用案例

某大型煤制烯烴項目變電站采用“干粉+全氟己酮”組合系統保護2臺110kV油浸變壓器及配套高壓室。系統投運后18個月成功處置一次變壓器套管閃絡事故：故障發生時，光纖測溫系統在8秒內報警，全氟己酮主系統于28秒后啟動，同時開關柜內干粉裝置動作。火勢在45秒內完全撲滅，設備損傷僅限于故障套管，未造成相鄰設備損壞。與傳統水噴霧系統相比，挽回直接經濟損失約800萬元，系統響應速度提高3倍以上。

4 系統實施與管理要點

煤化工油浸電氣設備自動滅火系統的工程化應用，需要貫穿設計、安裝、驗收、運維全生命周期的標準化管理，確保系統長期可靠運行。

4.1 工程安裝規范

管網水力平衡：干粉與氣體系統的管網設計需通過CFD仿真驗證藥劑分布均勻性。干粉管道采用變徑設計，主管流速維持18-20m/s，支管流速12-15m/s，避免粉體沉降。氣體系統管網保證最遠端噴頭最近端噴頭的流量偏差≤10%。細水霧系統需進行全管網水力計算，確保高區壓力損失不超過工作壓力的15%。

防爆與防護設計：在煤化工爆炸性環境（Ex區域）安裝時，所有電氣元件需滿足Ex d IIC T4防爆等級，外殼防護等級不低于IP65。控制電纜采用金屬鎧裝+阻燃外護套雙保護，穿鍍鋅鋼管敷設。管道支架間距按地震烈度8度設防，關鍵連接處采用防晃支架，最大位移量≤5mm。

安全警示設置：氣體滅火防護區入口設置聲光報警器放氣指示燈，門扇上方安裝警示標牌（“注意氣體滅火，噴放前請撤離”）。系統手動啟動盒采用防誤觸保護蓋，高度距地1.5m，顏色為醒目的紅色。

4.2 全生命周期管理

專業驗收標準

模擬噴放試驗：采用氮氣替代實際滅火劑，驗證系統動作時序（報警→延時→噴放）符合設計要求，噴放延遲時間誤差±3秒。

濃度驗證試驗：氣體滅火區在噴放后2分鐘內，選擇防護區容積20%且遠離噴頭的檢測點，滅火劑濃度值不低于設計值的95%。

聯動測試：驗證與通風系統、防火卷簾、電源開關的聯鎖可靠性，動作正確率100%。

智能維護體系

遠程自檢模塊：系統集成物聯網傳感器（壓力變送器、液位計、電路通斷檢測），每日自動上傳關鍵參數至消防管理平臺。干粉系統每月進行流化試驗，防止粉體結塊。

定期功能測試：每季度進行探測器靈敏度校準（煙感使用ND5標準煙，溫感采用熱風槍升溫）；每年進行電磁閥動作測試（空載啟動）。

藥劑更新管理：干粉滅火劑每5年更換，全氟己酮儲罐每3年進行液相色譜分析，純度≥99.5%方可繼續使用。

人員能力建設：運行人員需通過VR滅火模擬系統完成年度培訓，重點掌握：

1）手動啟動程序；

2）緊急停止操作；

3）機械應急啟動方法。培訓考核包括30秒內完成防護區疏散確認，以及斷電操作的正確順序。

4.3 前沿發展趨勢

AI預測防控：基于深度學習算法分析變壓器DGA數據（溶解氣體分析）、紅外熱像圖及局放監測值，構建火災風險預測模型。某煤化工企業應用后，成功在故障發生前48小時預警一臺35kV變壓器的內部過熱風險，避免重大火災事故。系統誤報率較傳統閾值報警降低80%。

綠色滅火技術：新一代氟酮類滅火劑Novec 1230（全氟乙基異丙基酮）因其零ODP（臭氧消耗潛能）、低GWP（全球變暖潛能值=1）特性逐步替代傳統產品。其安全余量（NOAEL）高達10%，允許人員在滅火濃度下短時停留，顯著提升應急響應靈活性。

數字孿生應用：建立滅火系統三維數字孿生模型，集成實時監測數據與水力計算引擎。通過模擬不同火災場景下的藥劑分布狀態，動態優化噴頭布置與管網設計。某項目應用后，滅火劑用量減少15%，覆蓋均勻性提升22%。

5 結論

煤化工油浸電氣設備及變配電室的自動滅火系統設計，已從傳統的單一藥劑防護轉向基于多模態融合的精準防控體系。在系統選型上，需結合設備特性（油浸/干式）、空間布局（封閉/敞開）及工藝要求（斷電許可/連續供電），科學選擇干粉、氣體或細水霧等技術路線。核心在于構建“探測-決策-執行”的高可靠性鏈條，確保在極短時間內實現火情抑制。

隨著《火力發電廠與變電站設計防火標準》（GB50229）等規范的持續更新，以及AI預測、數字孿生等技術的深度應用，自動滅火系統正向著智能化、綠色化、集成化方向演進。未來煤化工企業應重點關注新型環保滅火劑的替代應用，同時強化系統全生命周期管理，通過標準化運維與人員能力建設，筑牢電力設施消防安全防線。唯有將技術創新與精細管理有機結合，方能實現“零火災、零中斷、零污染”的終極安全目標