岸邊集裝箱起重機(jī)滅火系統(tǒng)及配套電氣設(shè)計

吳丞奇

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

為了降低單個集裝箱跨洋運(yùn)輸?shù)某杀?，海運(yùn)集裝箱貨輪的體量不斷增長，船公司紛紛訂購船體寬堆高較高的貨輪。碼頭為了能夠配套逐漸升高的裝卸要求，所訂購的岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）參數(shù)也隨之不斷增加。例如3E-plus型岸橋，其起升高度達(dá)55 m，前伸距超過70 m[1]。設(shè)備的高大化給碼頭的防火滅火帶來新的課題，也給岸橋配套滅火系統(tǒng)的設(shè)計工作帶來了新的挑戰(zhàn)。為了更好地提供設(shè)計解決方案，需要針對性地梳理岸橋滅火系統(tǒng)所處的特殊環(huán)境條件，配合相關(guān)強(qiáng)制性或推薦性的消防規(guī)范，提出合理化、合規(guī)性的解決方案。

1 岸橋火災(zāi)的要素

火災(zāi)預(yù)防和災(zāi)后報告都會指出起火條件的三要素分析，三要素分別是著火源、可燃物、助燃物。廣義的三要素分析往往流于表面，工業(yè)機(jī)械設(shè)備上的可燃物無非為液壓油、電氣元件外殼、線束等，助燃物一般也限于氧氣的流通和供應(yīng)，與工業(yè)消防的安全教育內(nèi)容并無差別，在此不作贅述。本文會將火災(zāi)要素分析偏向岸橋?qū)嶋H情況，著重分析起火的來源、火源所在環(huán)境及對火源的撲救效果等。

1.1 岸橋火災(zāi)的來源

岸橋的主要組成部分為鋼結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和部件、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等。其中，鋼結(jié)構(gòu)和傳動部件以各類金屬制品和通用機(jī)械部件組合而成，與起火源無直接關(guān)系。驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由電力驅(qū)動，且往往是大功率電力工作單元，岸橋上的火災(zāi)隱患主要來源于驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的電氣系統(tǒng)。

1）變壓器、諧波柜、整流器等感性元件本身有很強(qiáng)的自發(fā)熱需求，一旦負(fù)載過大或熱量積蓄不及時散熱會造成感性線圈擊穿，整體燃燒。

2）配電系統(tǒng)的輸電電纜因載流量大，長時間工作在超負(fù)荷狀態(tài)，會造成熱量積蓄造成絕緣層的起火[2]；制動電阻等能耗元件同理，有起火隱患。

3）大功率電氣驅(qū)動元器件因長時間工作本身有一定失效率，如IGBT晶體管、大電容等工作失常時，會產(chǎn)生能量釋放和大熱量，引起明火。

4）儲能元件，如不間斷電源的電池因故障失效，也會引起明火燃燒。

5）電力配電屏、柜部分因施工安裝原因造成連接部虛接觸，長期打火引起火花直至起火[3]。

6）因人為忽視安全規(guī)范，在作業(yè)維保工作期間，違規(guī)使用火源，如電焊、切割、各類油品安置、抽煙等行為帶來的起火隱患。

由此可見，岸橋起火的原因主要分為設(shè)計負(fù)載、元件故障、人為違章等3個因素。

1.2 岸橋火災(zāi)的環(huán)境特點(diǎn)

前述分析的岸橋起火火源主要集中在驅(qū)動機(jī)構(gòu)，絕大多數(shù)都集中在機(jī)房內(nèi)部，所以已知的岸橋火災(zāi)案例都發(fā)生在機(jī)房部分。考慮到現(xiàn)代集裝箱貨輪大型化的發(fā)展趨勢，岸橋的體量和高度也隨之逐漸增加。圖1為起升高度56 m岸橋的機(jī)房高度示意圖，高度大約為65 m。按我國民用住宅標(biāo)準(zhǔn)計算，約為20層樓高。在消防規(guī)范內(nèi)屬于第2類高層建筑，故岸橋火災(zāi)的首要特點(diǎn)是起火點(diǎn)的絕對水平高程較高。

圖1 岸橋機(jī)房高度及布置示意圖

由圖1可知，岸橋機(jī)房由空調(diào)溫度環(huán)境控制區(qū)域的電氣房和非空調(diào)控制區(qū)域的機(jī)械房2部分組成。電氣驅(qū)動系統(tǒng)器、控制系統(tǒng)柜、配電柜、監(jiān)控系統(tǒng)等需要環(huán)境溫度受控單元均布置于電氣房，而電動機(jī)和中高壓設(shè)備等部件則放置于相對空間較大的機(jī)械房內(nèi)。機(jī)械房內(nèi)非空調(diào)溫度控制區(qū)域，一般會安裝通風(fēng)強(qiáng)度達(dá)一定規(guī)模的吸/排風(fēng)機(jī)以避免區(qū)域內(nèi)過熱。由岸橋設(shè)備的自身工作性質(zhì)決定，設(shè)備運(yùn)行期間僅有操作司機(jī)工作于設(shè)備上，隨著遠(yuǎn)控自動化岸橋的興起，岸橋正在向無人化工作的方向發(fā)展，不論是電氣房還是機(jī)械房均不需要工作人員長時間在監(jiān)察區(qū)域停留，若發(fā)生意外情況不能立即察覺?？紤]到電氣房的空調(diào)控制密閉性，火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)往往在明火火勢極大情況下才被注意，為時已晚。由此，岸橋火災(zāi)的第2個環(huán)境特點(diǎn)便是火情的發(fā)現(xiàn)有較大滯后性。

1.3 岸橋火災(zāi)的撲救和防治分析

岸橋一旦發(fā)生明火火災(zāi)往往已具有相當(dāng)?shù)幕饎?，由于主要起火隱患點(diǎn)都位于離地60 m高處，已超出傳統(tǒng)消防水車的云梯和水槍的高程輻射范圍，而岸橋作為相對移動機(jī)械設(shè)備又不具備固定建筑結(jié)構(gòu)消防設(shè)施布置條件，這些因素使岸橋明火火災(zāi)的施救工作困難重重，故岸橋消防的主要工作應(yīng)聚焦在防范于未然時。

為達(dá)到消防防火的目的，配套布置具有較強(qiáng)撲滅初期火災(zāi)的自動滅火系統(tǒng)成為岸橋整機(jī)設(shè)計的重要工作。根據(jù)住建部發(fā)布的GB55036—2022《消防設(shè)施通用規(guī)范》[4]，自動滅火系統(tǒng)分為自動噴水系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、細(xì)水噴霧系統(tǒng)、消防炮系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)等。岸橋火災(zāi)的起火點(diǎn)主要位于電氣房部分，而電氣房為封閉的空氣流動受控空間，適合氣體自動滅火系統(tǒng)?？紤]到岸橋的驅(qū)動系統(tǒng)為電氣驅(qū)動，使用環(huán)境布滿電氣裝置，如使用水/水霧或泡沫滅火系統(tǒng)，誤觸發(fā)的將會使設(shè)備造成極大損壞，不符合設(shè)計初衷，故自動氣體滅火系統(tǒng)應(yīng)是較好選擇。目前，岸橋常用自動滅火系統(tǒng)氣體主要為FM200(七氟丙烷)，原因是其不僅滅火速度快、效率高、電絕緣性高，而且不會對設(shè)備和人員產(chǎn)生2次傷害，在潔凈、環(huán)保、安全方面有很大優(yōu)勢，廣泛用于各領(lǐng)域的發(fā)電動機(jī)房、應(yīng)急處及主配電房等重點(diǎn)消防部位[5]。二氧化碳浸沒型自動滅火系統(tǒng)不能用于有人員逗留的區(qū)域，造成人員危險，故不適用于岸橋電氣房的自動氣體滅火系統(tǒng)選擇。

考慮到常規(guī)岸橋機(jī)械房內(nèi)部會布置維修機(jī)構(gòu)，機(jī)房的房頂高度接近6 m，且機(jī)械房采用吸排風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)系統(tǒng)，不具備安裝氣體自動滅火系統(tǒng)的密封條件，故機(jī)房內(nèi)的滅火方案以手持二氧化碳或干粉滅火器為主。近年來，部分配置要求較高的岸橋會在機(jī)房內(nèi)的電抗器、濾波器、中亞變壓器等元件配置火探管型自動氣體滅火裝置，但火探管系統(tǒng)為了達(dá)到良好湮滅初期火災(zāi)的效果，會要求這些電氣設(shè)備有封閉外殼，相對外界密閉。這樣的罩殼要求與電氣設(shè)備的良好散熱需求相互矛盾，會使器件罩殼空間變大，機(jī)房底座加大，大幅提高了岸橋的設(shè)計制造成本，并未得到推廣。機(jī)械房內(nèi)的滅火方案不以自動撲滅為目標(biāo)，而是需要以及時報警發(fā)現(xiàn)為主。

2 岸橋起重機(jī)的自動滅火系統(tǒng)設(shè)計

2.1 火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備

岸橋自動滅火系統(tǒng)的監(jiān)控感知設(shè)備主要由煙霧探測傳感器和溫度探測傳感器組成。考慮到引起岸橋火災(zāi)的主要因素集中于電氣元件及其附件引起的電氣火情，這些部件的材料決定了其燃燒初期的表現(xiàn)形式主要以煙霧為主。根據(jù)岸橋設(shè)備消防系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗實踐，空氣采樣煙霧傳感器的選用優(yōu)先于空氣溫度探測傳感器[6]。

為了減少火災(zāi)損失，限制表面隱患向深位火災(zāi)發(fā)展，GB50370—2005《氣體滅火設(shè)計規(guī)范》[7]要求盡量配備高靈敏讀的火災(zāi)探測器，做到及時發(fā)現(xiàn)及時滅火。其中，溫感探測器的靈敏度應(yīng)為一級，煙感應(yīng)結(jié)合探測區(qū)內(nèi)環(huán)境和煙霧種類選擇相應(yīng)時間最短的品類。該規(guī)范中同時指出：自動控制裝置應(yīng)在接到2個獨(dú)立的火災(zāi)信號后才能啟動。但是，采用哪種火災(zāi)探測器組合提供2個獨(dú)立的火災(zāi)信號則必須根據(jù)防護(hù)區(qū)及被保護(hù)對象的具體情況選擇。岸橋的電氣房由空調(diào)控制溫度，當(dāng)發(fā)生初期火災(zāi)時，電氣房溫度不會立即升高，感煙探測器會較快的感應(yīng)。所以，在電氣房火災(zāi)探測器的選擇和線路設(shè)計時，不論采用溫—煙獨(dú)立火災(zāi)信號的組合，還是采用煙—煙獨(dú)立火災(zāi)信號的組合，都符合滅火系統(tǒng)設(shè)計強(qiáng)制規(guī)范的要求。

2.2 滅火氣體管路設(shè)備

自動滅火系統(tǒng)的管路設(shè)備包括滅火氣體存儲罐、氣體輸送管路和末端噴頭等。在岸橋氣體自動滅火方案中，一般電氣房設(shè)有氣體保護(hù)，機(jī)房內(nèi)僅設(shè)置傳感器用于報警，所以管路設(shè)備的設(shè)計配套工作一般限于電氣房部分。

GB50370—2005《氣體滅火設(shè)計規(guī)范》要求：噴頭宜貼近防護(hù)區(qū)頂面安裝，距頂面的最大距離不宜大于0.5 m。由此，氣體傳遞管路一般也走管于電氣房頂面。根據(jù)GB50016—2014《建筑消防規(guī)范》[8]，其他走線管路與消防物質(zhì)管路平行走線時距離應(yīng)至少為300 mm，為了防止電力管路發(fā)生故障時影響消防功能。

GB50370—2005《氣體滅火設(shè)計規(guī)范》要求氣體滅火系統(tǒng)儲存裝置應(yīng)設(shè)在專用的儲瓶間內(nèi)，儲瓶間宜靠近防護(hù)區(qū)，且應(yīng)有直接通向室外或疏散走道的出口?？紤]到岸橋機(jī)房的實際布置情況，一般建議將觸瓶布置于機(jī)械房和電氣房的隔斷墻部分，并盡可能靠近最近的逃生門。如無法再設(shè)計審核時滿足專用房間的要求，一般為儲罐加裝獨(dú)立罩殼來規(guī)避風(fēng)險。

2.3 滅火系統(tǒng)報警控制裝置

采用氣體滅火系統(tǒng)的防護(hù)區(qū)應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有自動控制、手動控制和機(jī)械應(yīng)急操作3種啟動方式。由于電氣房不能被認(rèn)定為GB50016—2014《建筑消防規(guī)范》中“平時無人工作的防護(hù)區(qū)”，同時岸橋消防系統(tǒng)正常工作時為自動啟動控制，根據(jù)GB50016—2014《建筑消防規(guī)范》應(yīng)有不大于 30 s 的可控延遲噴射，以便于人員安全撤離電氣房。為了人員疏散有明確的指示，結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，警報設(shè)計應(yīng)注意以下要求：

1）電氣房、PLC房、機(jī)械房等單獨(dú)隔離房間均應(yīng)設(shè)有警報裝置；

2）氣體防護(hù)區(qū)的通道門入口外側(cè)需要有明顯警示狀態(tài)指示燈；

3）氣體保護(hù)防護(hù)區(qū)等每個通道門出口側(cè)附近應(yīng)設(shè)有警鈴；

4）消防監(jiān)控系統(tǒng)控制取范圍通道門（機(jī)房出口、電氣房出口）應(yīng)設(shè)有聲光報警裝置；

5）地面工作站、司機(jī)室等需要相關(guān)人員及時撤離的位置應(yīng)設(shè)有聲光報警裝置。

2.4 岸橋自動滅火系統(tǒng)方案整合推薦

將對滅火系統(tǒng)監(jiān)控部分、氣體工作部分、控制警報部分的各要求整合后，可得到一份較完整的岸橋氣體自動滅火系統(tǒng)的方案。圖2是某型岸橋機(jī)房內(nèi)氣體自動滅火系統(tǒng)的設(shè)計示意圖，該設(shè)計貫徹了國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于自動滅火系統(tǒng)的要求。機(jī)房內(nèi)的電氣房和機(jī)械房被分割為空調(diào)溫度控制區(qū)和抽排風(fēng)區(qū)域，在空調(diào)控制區(qū)內(nèi)安裝全套FM200氣體自動滅火系統(tǒng)，在抽排風(fēng)空氣流通區(qū)域的重點(diǎn)部位安裝部分監(jiān)控設(shè)備和警報設(shè)備，圖中可知本系統(tǒng)在高壓變壓器上方安裝探測裝置。所有監(jiān)控設(shè)備點(diǎn)位設(shè)定一煙感一溫感配置，提供2路獨(dú)立信號。氣體保護(hù)控制的各獨(dú)立區(qū)域逃生門側(cè)設(shè)置警鈴；氣體保護(hù)區(qū)入口設(shè)置氣體排放標(biāo)志；消防通風(fēng)控制區(qū)域逃生門和主要人員停留點(diǎn)設(shè)置聲光報警。岸橋項目的消防設(shè)計方案在滿足GB50370—2005《氣體滅火設(shè)計規(guī)范》的前提下，應(yīng)力求不改變岸橋的機(jī)房結(jié)構(gòu)設(shè)計，在功能性和經(jīng)濟(jì)性上達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一的目標(biāo)。

圖2 岸橋機(jī)房氣體滅火系統(tǒng)方案圖

3 滅火系統(tǒng)配套電氣設(shè)計要點(diǎn)

氣體自動滅火系統(tǒng)作為岸橋等的功能組成部分，不能獨(dú)立于其他功能模塊，很多電氣設(shè)計要素與之緊密相連。為了使自動滅火系統(tǒng)的功能正常，保證岸橋生產(chǎn)活動的安全有序進(jìn)行，部分電氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化相關(guān)工作必須得到重視。

3.1 通風(fēng)空調(diào)設(shè)計優(yōu)化

電氣房和PLC房是岸橋上主要的室內(nèi)溫度控制區(qū)域，由空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和空氣循環(huán)。作為氣體滅火系統(tǒng)的主要防護(hù)區(qū)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先要注意區(qū)域內(nèi)密封效果，接口工藝處采用易于對接且密封性良好的工藝和材料。若因密封效果不佳而無法保證區(qū)域內(nèi)滅火氣體在噴發(fā)后的濃度，則滅火效果得不到有效實現(xiàn)。為此，電氣房內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)必須與自動滅火系統(tǒng)的信號聯(lián)動。

圖3為簡述自動滅火系統(tǒng)信號邏輯圖，在煙感溫感傳感器信號經(jīng)滅火系統(tǒng)控制器確認(rèn)后發(fā)送信號給主控PLC，有人經(jīng)停區(qū)域的滅火氣體自動噴發(fā)延時為30 s以上，主控PLC需在30 s內(nèi)切斷電氣房空調(diào)裝置的工作，使保護(hù)區(qū)處于相對密閉狀態(tài)。需要注意的是，如果電氣房采用的是大型風(fēng)管機(jī)型空調(diào)，為了達(dá)到密閉區(qū)域的效果，在設(shè)計時需在電氣房空調(diào)通風(fēng)口加裝電磁風(fēng)閥，否則即使切斷空調(diào)電源電氣房依然形同開放空間，無法保證滅火器體的濃度。

圖3 自動滅火系統(tǒng)信號邏輯圖

3.2 照明系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

為了防止電氣火災(zāi)的持續(xù)發(fā)酵復(fù)燃，標(biāo)準(zhǔn)要求確認(rèn)火警信號后盡快切斷有關(guān)線路電源。岸橋的電氣房是電氣控制系統(tǒng)的中樞，電氣線路布放形式多樣，線路繁雜，幾乎匯集了所有供電直線。因此，在實際操作中，如遇有明確火災(zāi)信號并引致氣體噴發(fā)，總電源會被保護(hù)切除。在總電被切除的同時，首要目的是保證機(jī)上人員的盡快撤離[9]，防護(hù)區(qū)內(nèi)的照明系統(tǒng)應(yīng)采用應(yīng)急顯示，提示人員情況異常并延時斷電。主逃生通道主梯的照明系統(tǒng)應(yīng)采用備用電源供電模式，確保機(jī)上人員快速疏散至地面。應(yīng)急逃生照明的備用電源供電時間應(yīng)不小于30 min，照度大于10 lux。

3.3 相關(guān)電纜選型優(yōu)化

滅火系統(tǒng)各傳感器、處理器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通過電纜的連接進(jìn)行能量傳遞和信號傳輸。如果整個滅火系統(tǒng)的連接線是系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時電纜的損壞先于合理的能量和信號傳遞，則整體滅火系統(tǒng)將無法發(fā)揮應(yīng)有供能。所以，滅火系統(tǒng)的電纜選型應(yīng)能滿足最惡劣情況下滅火氣體釋放和人員疏散警示的時間。

GB50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[10]規(guī)定：火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的供電線路、消防聯(lián)動控制線路應(yīng)采用耐火銅芯電線電纜，報警總線、消防應(yīng)急廣播和消防專用電話等傳輸線路應(yīng)采用阻燃或阻燃耐火電線電纜。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，在岸橋的自動滅火電氣設(shè)計中，應(yīng)充分考慮阻燃/耐火電纜的應(yīng)用場景和選型配套。阻燃和耐火電纜的定義是有區(qū)別的，GB1966—2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》[11]中指出：阻燃指試樣在規(guī)定的條件下燃燒，在撤去火源后能夠阻滯或延緩火焰沿著電線電纜的擴(kuò)散和延伸的能力；耐火指試樣在規(guī)定的火源和時間下，能夠持續(xù)地在指定條件下運(yùn)行的特性。由此可知，在一般情況下，耐火電纜可以取代阻燃電纜，而阻燃電纜不能取代耐火電纜。耐火電纜在火災(zāi)發(fā)生時能維持一段時間的正常供電，而阻燃電纜不具備該特性。所以，滅火系統(tǒng)全系統(tǒng)的連接在功能性上應(yīng)用耐火電纜是比較可靠的選擇；在經(jīng)濟(jì)性上從電纜原材料到電纜性能，耐火電纜的要求比阻燃電纜的高，所需要的成本也就更高，價格比阻燃電纜價格高。

GB50016—2014《建筑消防規(guī)范》規(guī)定中細(xì)化地指出：火災(zāi)自動報警供電系統(tǒng)需使用不低于B2級別的耐火電纜，報警總線、消防應(yīng)急回路傳輸回路需使用不低于B2級的阻燃電纜。該規(guī)定實質(zhì)從功能和經(jīng)濟(jì)的角度為防火電纜的選擇做了規(guī)定。根據(jù)GB31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》[12]和GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電纜通則》[13]的總結(jié)，耐火B(yǎng)級電纜指800℃燃燒環(huán)境中可正常工作90 min的電纜，燃燒性B2級電纜指在GB/T 31248—2014《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗方法》的試驗條件下，20.5 kW火源條件下火焰蔓延FS小于1.5 m。

綜合以上所述各標(biāo)準(zhǔn)的要求，合理定義消防線路功能，選擇相適應(yīng)的電纜，在經(jīng)濟(jì)性、功能性、可靠性上可以給岸橋自動滅火系統(tǒng)及整機(jī)安全性的提高帶來優(yōu)化和保障。

4 結(jié)語

由于地處高空，岸橋機(jī)房的電氣房一旦發(fā)生明火火災(zāi)，救援與善后修復(fù)難度很大，更會直接影響到集裝箱碼頭前場的作業(yè)效率。消防作為岸橋作業(yè)管理的重要內(nèi)容，需要得到重點(diǎn)關(guān)注。岸橋火災(zāi)的防治工作涉及生產(chǎn)、組織、運(yùn)營、維護(hù)等各方面，在各地岸橋用戶的管理、意識、規(guī)章無法統(tǒng)一的前提下。通過岸橋整體設(shè)計上的規(guī)范，結(jié)合各類消防標(biāo)準(zhǔn)的分析，使岸橋配套自動滅火系統(tǒng)在技術(shù)上有防范可預(yù)見風(fēng)險的能力，提高了設(shè)備可靠性和安全性。未來隨著港口設(shè)備信息化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)化的發(fā)展，相信不久的將來岸橋上消防滅火系統(tǒng)會有新的防治理念，配套而來也會有更安全可靠的系統(tǒng)。