Phương pháp tính toán hệ chữa cháy khí FM-200 (HFC 227 ea)

Dựa trên thông số kỹ thuật hệ thống chữa cháy khí FM-200 do PNP Korea sản xuất

Xuất xứ: Hàn Quốc

I. Tính chất lý – hóa của khí FM-200 (HFC227-ea)

• Công thức hóa học :  1,1,1,2,3,3,3 Heptafluoroproane (CF3CHFCF3)
• Khối lượng phân tử :  03 g/mol
• Nhiệt độ sôi ở 1 atm :   -16 oC
• Nhiệt độ đông :  -131.1 oC
• Khối lượng riêng :  621 kg/m3
• Nhiệt lượng hóa hơi tại điểm sôi :  6 kJ/kg
• Độ nhớt ở nhiệt độ 25^oC :  184 centistokes
• Khả năng tác động đến tầng ozone :  0
• Thời gian tồn tại trong thiên nhiên :  (31 – 42) năm

II. Tại sao nên sử dụng khí FM-200 để chữa cháy?

– An toàn: an toàn cho sức khoẻ con người, không phá huỷ tầng ozone

– Không làm hư hỏng thiết bị khi phun xả (Tuyệt đối không ảnh hưởng đến máy móc điện tử, tài liệu lưu trữ, hiện vật quý hiếm)

– Chữa cháy nhanh, hiệu quả: thời gian phun xả 5-10s, dập tắt đám cháy trong vòng 10s, không để lại bụi sau khi chữa cháy.

III. Các bước thiết kế hệ thống chữa cháy khí FM-200

1. Xác định nguy cơ cháy và tính chịu lửa của công trình

Theo QCVN 06:2010 BXD

2. Chọn phương pháp và tiêu chuẩn tính toán

• NFPA 2001: Tiêu chuẩn thiết kế cho hệ thống khí sạch (nồng độ thiết kế 6.6% cho đám cháy lớp A), nồng độ thiết kế 8.7%  cho đám cháy lớp B và nồng độ thiết kế 7%  cho đám cháy lớp C.
• ISO 14520: Gaseous fire- extinguishing systems
• TCVN 7161-9-2002: Hệ thống chữa cháy bằng khí
• Dựa vào Bảng 3 của TCVN 7161-9-2002 – Lượng chất chữa cháy toàn bộ HFC227-ea để chọn ra hệ số áp dụng (kg/m3) cho từng trường hợp, cơ sở để lựa chọn là nồng độ thiết kế bao nhiêu và nhiệt độ áp dụng bao nhiêu. Thường sẽ lựa chọn tại nhiệt độ 20oC phù hợp với nhiệt độ khi nạp sạc khí FM200, xem phần tô đỏ bên dưới:

Nhiệt độ ToC	Thể tích hơi riêng S m3/kg	Yêu cầu khối lượng HFC 227-ea trên đơn vị thể tích vùng bảo vệ, m/V (kg/m3)
		Nồng độ thiết kế (theo thể tích)
		6%	7%	8%	9%	10%	11%	12%	13%	14%	15%
-10	0,1215	0,5254	0,6196	0,7158	0,8142	0,9147	1,0174	1,1225	1,2301	1,3401	1,4527
-5	0,1241	0,5142	0,6064	0,7005	0,7967	0,8951	0,9957	1,0985	1,2038	1,3114	1,4216
0	0,1268	0,5034	0,5936	0,6858	0,7800	0,8763	0,9748	1,0755	1,1785	1,2839	1,3918
5	0,1294	0,4932	0,5816	0,6719	0,7642	0,8586	0,9550	1,0637	1,1546	1,2579	1,3636
10	0,1320	0,4834	0,5700	0,6585	0,7490	0,8414	0,9360	1,0327	1,1316	1,2328	1,3364
15	0,134	0,4740	0,5589	0,6457	0,7344	0,8251	0,9178	1,0126	1,1096	1,2089	1,3105
20	0,1373	0,4650	0,5483	0,6335	0,7205	0,8094	0,9004	0,9934	1,0886	1,1859	1,2856
25	0,1399	0,4564	0,5382	0,6217	0,7071	0,7944	0,8837	0,9750	1,0684	1,1640	1,2618
30	0,1425	0,4481	0,5284	0,6104	0,6943	0,7800	0,8676	0,9573	1,0490	1,1428	1,2388
35	0,1450	0,4401	0,5190	0,5996	0,6819	0,7661	0,8522	0,9402	1,0303	1,1224	1,2168
40	0,1476	0,4324	0,5099	0,5891	0,6701	0,7528	0,8374	0,9239	1,0124	1,1029	1,1956
45	0,1502	0,4250	0,5012	0,5790	0,6586	0,7399	0,8230	0,9080	0,9950	1,0840	1,1751
50	0,1527	0,4180	0,4929	0,5694	0,6476	0,7276	0,8093	0,8929	0,9784	1,0660	1,1555
55	0,1553	0,4111	0,4847	0,5600	0,6369	0,7156	0,7960	0,8782	0,9623	1,0484	1,1365
60	0,1578	0,4045	0,4770	0,5510	0,6267	0,7041	0,7832	0,8641	0,9469	1,0316	1,1186
65	0,1604	0,3980	0,4694	0,5423	0,6167	0,6929	0,7707	0,8504	0,9318	1,0152	1,1005
70	0,1629	0,3919	0,4621	0,6338	0,6072	0,6821	0,7588	0,8371	0,9173	0,9994	1,0834
75	0,1654	0,3859	0,4550	0,5257	0,5979	0,6717	0,7471	0,8243	0,9033	0,9841	1,0668
80	0,1678	0,3801	0,4482	0,5179	0,5890	0,6617	0,7360	0,8120	0,8898	0,9694	1,0509
85	0,1704	0,3745	0,4416	0,5102	0,5903	0,6519	0,7251	0,8000	0,8767	0,9551	1,0354
90	0,1730	0,3690	0,4351	0,5027	0,5717	0,6523	0,7145	0,7883	0,8638	0,9411	1,0202
95	0,1755	0,3638	0,4290	0,4956	0,5636	0,6332	0,7044	0,7771	0,8616	0,9277	1,0057
100	0,1780	0,3587	0,4229	0,4886	0,5557	0,6243	0,6945	0,7662	0,8396	0,9147	0,9916

 

3. Tính toán thể tích và lượng khí cần dùng để chữa cháy

• Thể tích phòng :V= dài x rộng x cao
• Khối lượng khí cần để chữa cháy cho phòng = V(m3) x hệ số (kg/m3) (Hệ số tra ra từ bảng 3)

4. Lựa chọn số đầu phun

Mỗi đầu phun có diện tích bao phủ 8m x 8m, cao độ tối đa là 7.3m, nếu cao độ phòng cao hơn 7.3m cần phải thiết kế đầu phun chữa cháy 2 lớp trong phòng hoặc sử dụng trần giả để giảm độ cao phòng.

5. Lựa chọn size bình phù hợp

• Là size bình có thể chứa đủ lượng khí FM-200 tính ra ở trên và đảm bảo với số lượng đầu phun ở mục 5 và hệ thống đảm bảo thời gian phun xả khí FM-200 trong vòng 10s.
• Bình chứa khí FM-200 được sản xuất đáp ứng những yêu cầu của DOT cho việc chứa khí nén và có bộ phận nối với van xả. Tất cả các bình khí FM-200 đều được nén khí nitrogen (N₂). Bình sản xuất theo tiêu chuẩn ISO 9001

6. Đối với phòng có sàn nâng hoặc trần giả (áp dụng đối với cao độ sàn nâng và trần giả ≥ 0.3m)

Đối với phòng yêu cầu chữa cháy cho 2 khu vực này thì cách tính toán lượng khí FM-200 cũng tương tự như trên, tuy nhiên tuỳ theo thể tích của các khu vực này lớn hay nhỏ mà thiết kế bình FM-200 riêng biệt cho từng khu vực hoặc thiết kế sử dụng chung 1 bình để chữa cháy trong phòng, sàn nâng và trần giả.

Ngoài ra, cũng có thể tham khảo để sử dụng hệ thống chữa cháy khí aerosol của Hochiki FirePro.  Đây là hệ thống phù hợp với không gian nhỏ hẹp, tính năng chữa cháy tốt và giảm chi phí cũng như không gian đặt bình khí.

7. Tính toán đường ống chính và đường ống cho đầu phun dựa vào bảng tính sau:

Size đường ống	Khối lượng khí FM-200 (HFC227-ea) loại áp lực cao (42 bar) (kg)	Khối lượng khí FM-200 (HFC227-ea) loại áp lực thấp (25 bar) (kg)
3/8”	12	9
1/2”	24	15
3/4”	35	27
1”	48	38
1 ¼”	120	59
1 ½”	203	88
2”	318	149
2 ½”	517	263
3”	682	430

 

IV. Những thiết bị chính của hệ thống chữa cháy bằng khí FM-200

Hệ thống chữa cháy bằng FM-200 gồm có 2 phần cơ bản:

Phần bình chữa cháy FM-200 và các phụ kiện của bình

Bình chứa khí FM-200

Hệ thống van: van an toàn, van một chiều, van giảm áp

Đầu phun xả khí: 360 độ hoặc 180 độ

Hệ thống ống dẫn khí

Bảng cảnh báo xả khí

Đồng hồ áp lực (đã bao gồm trên cụm van đầu bình)

Dung tích bình (lit)	Áp suất bình (bar)	Bình khí FM-200 (HFC 227ea)
		Mã hàng Part No.	Khối lượng khí (kg)
			Min (nhỏ nhất)	Max (lớn nhất)
40.2	42 bar	PTC – 40	20	44
68	42 bar	PTC – 68	34	75
82.5	42 bar	PTC – 82	41	90
125	42 bar	PTC – 125	62	137

 

Đầu phun xả khí FM-200: được sử dụng để phun xả khí tại khu vực cần chữa cháy

Đầu phun có hai loại, loại phun 180° và loại phun 360° với nhiều đường kính trong và kích thước lỗ phun khác nhau tùy theo vị trí sử dụng và yêu cầu thiết kế.

Đầu phun làm bằng đồng thau hoặc inox

Hệ thống đường ống dẫn khí FM-200:

Đường ống được sử dụng là ống thép tráng kẽm, thường được sơn màu đỏ

 

Bảng cảnh báo FM-200:

Bảng thường được đặt trước khu vực chữa cháy FM-200

 

2. Phần điều khiển tác động phun xả khí FM200: bao gồm loại thường và loại địa chỉ

Đối với những khu vực chữa cháy FM-200 cho nhiều phòng, nhiều tầng nên thiết kế phần báo cháy và điều khiển phun xả khí FM-200 loại địa chỉ, vì có thể giám sát và biết được sự cố cháy đang xảy ra chính xác ở phòng nào, tầng mấy để có thể tiếp cận và kiểm tra tình hình một cách nhanh chóng và xử lý hiệu quả đối với trường hợp hệ thống bị sự cố hoặc báo cháy giả.

1. Trung tâm điều khiển xả khí (tủ điều khiển)

Mô tả	Số lượng phòng (khu vực cần chữa cháy)	Mã hàng
Tủ  3 zone 1 khu vực	1 phòng (1 khu vực)	FS5200E
Tủ 4 zone 2 khu vực	2 phòng gần nhau (2 khu vực)	FS5200E + Module mở rộng
Tủ 8 zone 3 khu vực	3 phòng gần nhau (3 khu vực)
Tủ 8 zone 4 khu vực	4 phòng gần nhau (4 khu vực)
Tủ địa chỉ – 1 loop	10 phòng (10 khu vực)	IFS7200

2. Nút nhấn kích hoạt xả khí

Nhấn vào nút hệ thống sẽ phun xả khí, tác động bằng tay trong trường hợp thấy phòng có cháy lớn mà hệ thống tác động tự động chưa phun xả.

3. Nút nhấn trì hoãn xả khí

Nhấn vào nút hệ thống sẽ dừng việc xả khí, dùng trong trường hợp khi thấy hệ thống chuẩn bị đếm ngược và chờ phun xả nhưng trong phòng còn có nguời hoặc không có đám cháy, hoặc đám cháy nhỏ đã dập tắt được bằng bình chữa cháy xách tay.

 

4. Đầu báo khói

Dùng để cảm biến khói trong phòng cần chữa cháy để đưa tín hiệu báo cháy về tủ điều khiển

Lưu ý thiết kế và lắp đặt đầu báo khói như sau theo TCVN 5738:2000

Cao độ phòng	Khoảng cách tối đa giữa các đầu báo (m)	Khoảng cách tối đa từ đầu báo đến tường nhà (m)
Dưới 3.5m	10	5.0
Từ 3.5 đến 6m	8.5	4.0
Lớn hơn 6m đến 10m	8	4.0
Lớn hơn 10 đến 12m	7.5	3.5

5. Đầu báo nhiệt

Dùng để cảm biến nhiệt độ trong phòng cần chữa cháy để đưa tín hiệu báo cháy về tủ điều khiển

Lưu ý thiết kế và lắp đặt đầu báo khói như sau theo TCVN 5738:2000

Cao độ phòng	Khoảng cách tối đa giữa các đầu báo (m)	Khoảng cách tối đa từ đầu báo đến tường nhà (m)
Dưới 3.5m	7,0	3.5
Từ 3.5 đến 6m	5,0	2.5
Lớn hơn 6m đến 9m	8,0	2.0

 

6. Chuông báo cháy, còi/ đèn báo cháy

 Báo động khi tủ điều khiển nhận diện có cháy ở cấp độ 1 hoặc cấp độ 2

V. Nguyên lý hoạt động của hệ thống FM-200

FM-200 tác dụng với chất cháy, hấp thụ nhiệt của đám cháy làm ngăn cản phản ứng hoá học của chuỗi phản ứng cháy, nhưng đặc biệt là không làm giảm lượng oxy trong không khí xuống thấp như hệ thống CO2, vì vậy trong phòng vẫn còn khí Oxy và không gây ngạt, không gây ảnh hưởng đến người còn ở lại trong phòng khi hệ thống phun xả.

Sử dụng khí FM-200 chữa cháy rất hiệu quả với các đám cháy class A, B và C.

Khí FM-200 sẽ được nén dưới dạng chất lỏng trong bình áp lực cùng với khí N2 để đảm bảo khi phun xả khí FM-200 sẽ được đẩy ra ngoài bao phủ hết không gian trong phòng cần chữa cháy thông qua hệ thống đường ống và đầu phun dạng hở loại 360o hoạc 180o dưới dạng khí.

Lượng khí FM-200 phải được tính toán cẩn thận để bảo đảm mật độ phun cần thiết, không vượt ngưỡng cho phép đối với khu vực có người là 10%.

Đường kính ống dẫn khí và kích thước vòi phun được tính chính xác nhờ phần mềm hổ trợ, sao cho thời gian xả khí của hệ thống không dưới 5 giây và không quá 10 giây.

2. Hệ thống hoạt động ở 2 chế độ: tự động và bằng tay
3. a) Chế độ tự động: hệ thống sẽ được kích hoạt phun xả sau khi trải qua 2 mức cảnh báo

– Cảnh báo mức 1: Khi 1 trong 2 loại đầu báo hoặc đầu báo khói, hoặc đầu báo nhiệt trong cùng 1 khu vực báo tín hiệu, tủ điều khiển (trung tâm điều khiển) sẽ phát tín hiệu cảnh báo mức 1, lúc này tủ sẽ tác động đến chuông của khu vực đó với ý nghĩa cảnh báo mọi người có sự cố cháy, đồng thời lúc này van điện từ của hệ thống bình FM-200 chưa bị tác động. Nên hệ thống FM-200 vẫn chưa phun xả khí khi hệ thống cảnh báo mức 1.

– Cảnh bảo mức 2:

Khi cả 2 loại đầu báo (đầu báo khói và nhiệt) trong cùng 1 khu vực bị tác động, tủ điều khiển (trung tâm điều khiển) sẽ phát tín hiệu cảnh báo mức 2, lúc này tủ điều khiển sẽ tác động chuông và còi đèn của khu vực đó, để báo cho mọi người có sự cố cháy và hệ thống chuẩn bị phun xả khí

Sau một thời gian trễ 30 – 60 giây (người lập trình tủ có thể tùy chỉnh thời gian trễ này) đủ cho mọi người di tản ra khỏi khu vực nguy hiểm, tủ trung tâm cấp điện cho van điều khiển (solenoid) để kích hoạt hệ thống bình chứa khí FM-200. Lúc này khí FM-200 được phun ra để dập tắt đám cháy.

Nếu trong thời gian 30 giây (kể từ lúc có cảnh báo cấp 2), nếu phát hiện trong phòng vẫn còn người hoặc vì lí do nào đó chưa thể phun xả khí FM200, có thể nhấn và giữ nút ABORT của khu vực đó, để trì hoãn quá trình kích hoạt van điều khiển hệ thống chữa cháy. Khi buông nút nhấn này ra, hệ thống sẽ bị kích hoạt sau 30 giây.

• Chế độ bằng tay

Ngoài viêc tác động phun xả khí FM200 một cách tự động như đã nêu ở trên, hệ thống có thể được tác động phun khí FM-200 bằng tay, khi nút nhấn EXTINGHUISHANT RELEASE, lúc này trung tâm phát tín hiệu cảnh báo (tác động còi của khu vực đó) xả khí FM-200 vào khu vực cần bảo vệ.

Ngoài việc kích hoạt hệ thống chữa cháy, tủ báo cháy cũng sử dụng các module điều khiển thiết bị ngoại vi như thang máy, quạt thông gió, quạt tăng áp hoặc kết nối với hệ thống BMS, hệ thống báo cháy khác trong tòa nhà …

VI. Tiêu chuẩn Việt Nam và NFPA cho HT chữa cháy tự động bằng khí FM-200

Cần lưu ý áp dụng những tiêu chuẩn Việt Nam và hướng dẫn của NFPA sau khi thiết kế và tính toán hệ thống chữa cháy bằng khí tự động FM-200:

TCVN 2622-1995 – Phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình – Yêu cầu thiết kế

TCVN 5760-1993 – Hệ thống chữa cháy – Yêu cầu chung về thiết kế, lắp đặt và sử dụng

TCVN 7161-9-2002 –Hệ thống chữa cháy bằng bình khí – Tính chất thiết kế hệ thống

TCVN 5738-2001 – Hệ thống báo cháy tự động  – Yêu cầu kỹ thuật

NFPA-2001 – Tiêu chuẩn về hệ thống chữa cháy khí sạch

NFPA-70 – Tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống điện

NFPA-72 – Tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống báo cháy tự động