中国移动某数据中心柴油发电机楼建筑面积3 979m²,建筑高度15m,建筑主体为钢筋混凝土框架结构,耐火等级为一级。动力配套楼为地上2层,一层为柴油发电机房(面积S=1 100m²,层高H=6.9m),平面布置以高压油机为主要空间,两侧辅以储油间、进风消音间、排风消音间以及高压油机并机室;柴油发电机房内放置22台2 000kW的高压油机,每台高压油机对应一个独立储油间,保证其储量不大于1m³。二层为高压配电室,油机与市电在此切换。正常情况下由市电经此高压配电室给机房楼供电;当市电停电时,由高压油机发电满足机房应急用电需求。

柴油发电机系统作为大型数据中心高可靠性的重要组成部分,主要包括高压柴油发电机组和供油系统。其高压柴油发电机组由柴油机、高压发电机、联轴器、水箱、公共底座、控制屏、高压并机柜、高压开关柜及附件组成;供油系统由储油罐、油泵、供油管线、日用油箱及附件组成。

柴油发电机组的起火原因主要有以下情况:过载、短路、接触不良、单相运行、接地装置不良、通风不良等。

柴油发电机房火灾类型包括:(1)可燃液体火灾:柴油供油系统的输油管路、泄漏油沟、日用燃油箱内储油等燃烧引起的火灾;(2)带电火灾:柴油发电机供电线路、高压油机并机线缆、配电柜等不宜断电的电气设备带电燃烧引起的火灾;(3)固体物质火灾:油机房的降噪吊顶、墙体隔噪、消声材料、元器件表面等材料燃烧引起的火灾。

《建筑设计防火规范》5.4.13.6条规定^[1]:“布置在民用建筑内的柴油发电机房应设置与柴油发电机容量和建筑规模相适应的灭火设施,当建筑内其他部位设置自动喷水灭火系统时,油机房内应设置自动喷水灭火系统”;8.3.8条注:“设置在室内的油浸变压器、充可燃油的高压电容器和多油开关室,可采用细水雾灭火系统”。

《泡沫灭火系统设计规范》7.1.1.1条^[2]、上海市《民用建筑水灭火系统设计规程》8.1.3条规定^[3]:泡沫水喷淋系统适用于扑救柴油发电机房、油库等场所的危险性火灾。

《水喷雾灭火系统技术规范》1.0.3条^[4]、《细水雾灭火系统技术规范》1.0.3条^[5]、《气体灭火系统设计规范》3.2.1条规定^[6]:水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统、气体灭火系统均适用于可用于扑救固体物质火灾、丙类液体火灾和电气火灾。

在满足上述规范的前提下,分别就数据中心柴油发电机房自动灭火系统可采用的自动喷水灭火系统、水喷淋-泡沫灭火系统、水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统、七氟丙烷气体灭火系统等设计要点及痛点问题进行具体剖析。

考虑到柴油发电机组运行过程中表面温度较高易引起湿式系统喷头玻璃泡破裂产生误报警,建议采用预作用自动喷水灭火系统,即将自动喷水灭火系统和火灾自动报警技术有机结合起来,对作用区内保护对象起双重保护作用。预作用自动喷水灭火系统在准工作状态时配水管道内不充水,在火灾发生时能实现对火灾的初期报警,短时间内使管网充水将干式系统转变为湿式系统。

按照《自动喷水灭火系统设计规范》^[7]设置预作用自动喷水灭火系统,主要有预作用报警阀、空压机、管道、闭式喷头、电动阀、快速排气阀、火灾探测器、报警控制组件等组成,系统设计参数:

(1)按中危险级Ⅱ级设计自动喷水灭火系统,喷水强度8L/(min·m²),作用面积160m²,系统设计流量Q=28L/s,消防延续时间1h。

(2)预作用报警阀尽量布置在平面中部设备间内,一个预作用报警阀控制的喷头数不大于800只;系统配水管道充水时间小于2 min,且一个预作用报警阀控制的配水管道容积不大于1 500L。

(3)预作用报警阀组共用1套空压机,空压机应同时维持各报警阀后管网压力(0.03～0.05 MPa)要求,空压机应由系统设置的压力开关控制启停。当喷淋泵启动时空压机停机,同时管网末端快速排气阀入口前的电动阀自动开启。

(4)预作用系统的自动控制方式采用仅有火灾自动报警系统直接控制,即在火灾自动报警系统烟感、温感两个探测器动作后,火灾自动报警系统输出信号,打开预作用报警阀上附属电磁阀,预作用报警阀启动,系统压力开关动作,直接启动喷淋泵。

(5)油机房消防排水,为了防止火势蔓延,设置铸铁排水地漏和阻火水封,通过管网收集就近排至附近隔油池。

柴油发电机使用的柴油为丙类液体,其特点是燃烧迅速、不易控制。而常规的自动喷水灭火系统能够及时控火,但不宜迅速灭火,而采用水喷淋-泡沫灭火系统,先喷水控火,后喷泡沫灭火,再喷水冷却可防止复燃。

当火灾发生时,室内温度升高,位于保护区上方的闭式喷头破裂喷水,区域水流指示器动作并向消防控制中心报警,同步显示着火区域。湿式报警阀在水压变化下,水力警铃动作而自动报警,压力开关动作启动喷淋泵,同时通过电控箱打开泡沫液贮罐进水口上的电磁阀。当水流经泡沫液贮罐时,一部分水会流入泡沫液贮罐内挤压贮存泡沫液的皮囊,并通过比例混合器按3%的比例形成泡沫混合液送至火灾现场进行灭火,泡沫混合液与水的连续供给时间之和,即消防延续时间为1h。湿式报警阀、泡沫罐布置于一层消防设备间内,泡沫比例混合器布置于干管中心,喷淋泵布置于消防水泵房内。

按照《泡沫灭火系统设计规范》^[2]设置水喷淋-泡沫系统,由湿式报警阀、泡沫罐、比例混合器、耐腐蚀管道、93℃闭式喷头组成,系统设计参数如下:

(1)设计喷水强度:8.63L/(min·m²),作用面积:465m²,系统设计流量:64L/s,消防延续时间1h,一次灭火用水量为231m³。

(2)泡沫混合液连续供给时间:10min,泡沫混合液量W_L=64×10×60=38 400(L)。

(3)泡沫混合液混合比:3%;泡沫液量:W_P=1.1W_L×b%=1.1×38 400×3%=1 268(L)。

(4)泡沫罐至比例混合器的泡沫管道容积不大于8L,即:管长L应满足DN50时,L≤40 m;DN40时,L≤30m。

(5)泡沫罐的有效容积为所需泡沫液量和泡沫罐至比例混合器的泡沫管道容积之和,即V=W_P+W_P1=1 268+8=1 276(L)。

(6)选用压力式比例混合器PHY64/2000,工作压力0.6～1.2MPa,泡沫罐容量2 000L,混合液混合比3%,进出口压差<0.2MPa。

(7)系统管道充水时,在8L/s的流量下,自泡沫系统启动至喷泡沫的时间不大于2 min[即设计中可以通过控制比例混合器至最不利喷头的管道容积不大于8×2×60=960(L)来校核]。

水喷雾具有良好的电绝缘性,直接喷向带电的高压电极时,漏电电流十分微小,且不会产生闪络现象;且水雾喷头工作压力愈高,水雾滴直径愈小,漏电电流也愈小。因此,水喷雾灭火系统用于电气火灾的扑救是安全的。

按照《水喷雾灭火系统技术规范》^[4]设置水喷雾系统,由雨淋阀组、管道及水雾喷头组成,系统设计参数:

(1)设计喷雾强度:20L/(min·m²),持续喷雾时间:0.5h。

(2)单台高压油机尺寸(长×宽×高):6 850mm×2 230mm×2 625mm,单台油机外表面积:80m²。

(3)本设计按照1台油机着火,通过设置双波段火焰探测器^[6]、温感、烟感和挡烟垂壁精确判断着火油机,联动开启对应的雨淋阀组,做到定点报警、定点启动,完成对着火油机及其对应的储油间的一次性灭火需求。

(4)系统保护面积:80m²,系统设计流量:35L/s,一次灭火用水量为63m³。

(5)水雾喷头(高速型):流量系数33.7,喷射角120°,有效距离2.30m,喷头设计工作压力0.35MPa,系统响应时间不超过45s。

(6)在油机四周和储油间设水喷雾喷头,每台油机均单设雨淋阀,雨淋阀组设置在雨淋阀室。

(7)水喷雾灭火系统的控制:采用手动、自动、应急操作3种控制方式。

细水雾系统较传统的灭火系统有更大的作用面积和热交换面积,更容易吸收热量,冷却燃烧反应。高压细水雾系统工作压力为10～16 MPa,可与自动报警系统进行联动,在系统启动数秒内以极少量的水将火灾扑灭,同时高效降低环境温度、需水量低、水渍损失小、对场所内设备无影响。

按照《细水雾灭火系统技术规范》^[5]设置高压细水雾全淹没应用开式系统,主要由高压细水雾泵组、不锈钢水箱、过滤器、区域控制阀组、不锈钢管道、开式喷头等组成,系统设计参数如下:

(1)采用泵组系统,单个防护区容积不宜大于3 000m³,共设计2个防护区,在(7)轴(见图1)增设防火墙隔离。

(2)单台高压油机尺寸(长×宽×高):6 850mm×2 230mm×2 625mm,本工程按照1台油机着火同步启动与着火区域相对应的区域控制阀组,完成对着火区域内油机的一次性灭火。

(3)本系统设计流量根据最大灭火分区内同时动作的喷头数确定,设计喷雾强度:1.2L/(min·m²)(油机房顶板标高6.9 m),系统设计流量Q=360L/min,系统设计工作压力H=12MPa,系统持续喷雾时间30min,一次灭火用水量为10.8m³。

(4)高压细水雾喷头:流量系数K=0.696,q=6.96L/min;喷头的最大安装间距为3.0m。喷头设计工作压力10MPa,系统响应时间不超过30s。

(5)在油机房水泵间设置高压细水雾泵组1套、区域控制阀组2套,每套泵组包括:高压泵4台(3用1备)、稳压泵2台(1用1备),单台高压泵Q=120L/min,H=12MPa,N=30kW,单台稳压泵:Q=2.0L/min,H=2.0 MPa,N=0.75kW;在准工作状态时高压泵组至分区控制阀间有压力水,分区控制阀至喷头之间管网为干式。

(6)高压细水雾系统的控制:采用自动、手动及机械应急操作3种控制方式。

七氟丙烷是一种清洁、安全的灭火药剂,它液态储存、气态释放,在气化过程中会吸收大量热量,同时在化学反应过程中释放游离基,能最终阻止燃烧的连锁反应,其喷放后经排风系统排至室外,灭火后现场无残留物,不会对电子设备、计算机、软件、数据文件、通信设备造成损害。

按照《气体灭火系统设计规范》^[6]设置七氟丙烷气体灭火系统,采用全淹没式灭火方式,即在规定时间内,向保护区喷放一定浓度的灭火剂,使其充满整个房间,以实施灭火。主要有钢瓶及药剂、氮气启动瓶、集流管、选择阀、安全泄压装置、气体及液体单向阀、电磁启动器、压力反馈讯号器、喷头、气体管路等部件组成,系统设计参数如下:

(1)采用组合分配式管网灭火系统时,一个防护区的面积不宜大于800m²,且容积不宜大于3 600m³,共设计2个防护区,在(7)轴(见图1)增设防火墙隔离,同时在进排风口设置电动保温百叶及70℃电动防火阀。

(2)设计工作压力4.2MPa,设计温度20℃,灭火设计浓度9%,设计灭火剂喷射时间:t≤10s,灭火浸渍时间10 min;钢瓶的增压压力采用二级(4.2MPa+0.1 MPa,表压,20℃),采用8L充装氮气启动瓶组启动,启动压力6MPa。

(3)采用均衡管网布置,管网的管道内容积不大于流经该管网的七氟丙烷储存量体积的80%。

(4)喷头采用MPT径向射流型喷嘴,设计喷嘴出口压力不小于0.7MPa,设计喷头工作压力≥1/2过程中点时储存容器内压力。

(5)防护区的围护结构及门、窗的耐火极限不应低于0.5h,围护结构及门窗的允许压强最低为1 200Pa,油机房和储油间采用机械式泄压阀,泄压阀安装高度高于各保护区2/3处。

(6)油机房内设置感温探测器和感烟探测器,储油间设置防爆感温探测器,当所在防护区的烟感和温感同时动作后,信号传至消防控制中心,自动关闭送排风系统、停止通风和空调系统、关闭电动防火阀、关闭门窗及电动保温百叶等,保证密闭空间的七氟丙烷气体全淹没灭火效果。

(7)气体灭火系统的操作与控制:采用自动控制、手动控制、机械应急3种控制方式,同时包括对防护区开口封闭装置、通风设备和防火阀等的联动操作与控制;在报警时或释放灭火剂时,人员应立即撤离,在彻底通风前不能进入。

消防电源设计种类包括:一般电源、保证电源、应急电源3种。

一般电源:由市电提供。

保证电源:由独立的双路市电提供,市电中断时由高压柴油发电系统提供。

应急电源:由柴油发电机组和UPS提供。消防报警控制系统采用UPS后备供电,持续供电时间不少于90min;消防泵组采用柴油发电机组集中供电,最小持续供电时间自动喷水灭火系统不少于60min、水喷雾及细水雾灭火系统不少于30min。

表1为数据中心柴油发电机房自动灭火系统综合性能对比。

综上所述,数据中心柴油发电机房5种自动灭火系统都能有效灭火,但各有利弊:预作用自动喷水灭火系统投资最低,但存在水渍损失和导电隐患;水喷淋-泡沫灭火系统综合性能最高,对油机后期检修和维护无影响,但灭火后对油机表面有一定的水渍损失;水喷雾灭火系统综合性能相对较高,其喷头与管道需要待油机安装后方可安装,同时对油机后期检修和维护有一定影响;七氟丙烷气体灭火系统综合性能一般,对空间密闭性和外维护结构要求最高,且需要根据最大防护区容积对油机房进行分区隔离,影响油机房的综合布线和并机使用,同时其对消防控制系统也要求较高,灭火时需要对防护区开口封闭装置、通风设备和防火阀等进行联动控制;细水雾灭火系统综合性能最低,由于其系统设计工作压力为12MPa,其对泵组、区域控制阀、管道及喷头压力要求相对较高,总投资较大,同时需要根据最大防护区容积对油机房进行分区隔离,影响油机房的综合布线和并机使用。

随着信息时代的到来,数据中心作为云计算、大数据的物理载体,数据安全显得尤为重要,保护数据中心安全始终贯穿数据中心建设全生命周期。柴油发电机房是数据中心的重要组成部分,选用自动灭火系统时可根据柴油发电机房具体规模、系统配置情况、后期维护便利度、灭火后水渍损失接受度综合判定,推荐采用性价比高、运行安全可靠的水喷淋-泡沫灭火系统或水喷雾灭火系统,对于减少数据中心柴油发电机房设备损失有重要意义。