鐵路隧道救援站火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及細(xì)水霧系統(tǒng)抑制車廂火災(zāi)的模擬實(shí)驗(yàn)研究

王慶生，劉炳海，王文偉，胡隆華，孟 娜，吳龍標(biāo)

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031；

2.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥，230088；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

鐵路隧道救援站火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及細(xì)水霧系統(tǒng)抑制車廂火災(zāi)的模擬實(shí)驗(yàn)研究

王慶生1，劉炳海2，王文偉2，胡隆華3，孟 娜3，吳龍標(biāo)2

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031；

2.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥，230088；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

按照1：1尺度設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括模擬隧道、模擬列車、排煙系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)撲救系統(tǒng)以及火災(zāi)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)專門對(duì)鐵路隧道救援站的火災(zāi)安全性進(jìn)行系統(tǒng)研究的全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、燃燒成分、火源熱輻射等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量；可研究不同工況條件下，火災(zāi)監(jiān)控、火災(zāi)撲救技術(shù)和煙氣控制技術(shù)的有效性，為發(fā)現(xiàn)火災(zāi)特征參數(shù)的演變規(guī)律和掌握有效的火災(zāi)控制技術(shù)提供了一整套解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。本文建立并利用這樣一個(gè)全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)抑制車廂火災(zāi)的模擬實(shí)驗(yàn)研究，獲取溫度、有毒有害氣體濃度、熱輻射等火場(chǎng)重要參數(shù)，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)可有效的抑制車廂火災(zāi)，并驗(yàn)證了此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于鐵路隧道內(nèi)列車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究的可行性和有效性。

隧道；火災(zāi)；救援站；細(xì)水霧

0 引言

近年來，我國(guó)鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，鐵路隧道的數(shù)量和長(zhǎng)度不斷增加，尤其是特長(zhǎng)鐵路隧道越來越多，同時(shí)鐵路列車行車速度、密度繼續(xù)加大。一旦列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，將造成巨大的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失［1］。為此，當(dāng)前一些特長(zhǎng)鐵路隧道采取了在隧道中部設(shè)置救援站的設(shè)計(jì)和建設(shè)方法，一旦列車發(fā)生火災(zāi)短時(shí)間無法駛出隧道，則采取?？烤仍镜淖龇?，通過救援站實(shí)現(xiàn)人員逃生，并利用救援站的相關(guān)火災(zāi)控制設(shè)施對(duì)列車火災(zāi)進(jìn)行抑制和撲救［2－4］。因此，研究特長(zhǎng)鐵路隧道內(nèi)列車生火災(zāi)?？烤仍厩闆r下的煙氣控制、火災(zāi)監(jiān)控、火災(zāi)抑制與撲救系統(tǒng)的有效性對(duì)于人員及列車安全具有重要意義［5］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道火災(zāi)已進(jìn)行過一定研究［6－8］。如在2006年，法國(guó)的Vauquelin按1：20的比例建立了長(zhǎng)10m，寬0.5m，高0.2m的縮尺寸模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)影響橫向排煙效率的參數(shù)、隧道寬度對(duì)臨界抑制風(fēng)速的影響進(jìn)行了研究。在2001年和2003年，日本和挪威的隧道火災(zāi)科學(xué)研究者Shimizu tests和Runehamar tests開展了隧道火災(zāi)的全尺寸實(shí)驗(yàn)；在2004-2007年間，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在云南省的陽宗隧道（2790m）、大風(fēng)埡口隧道（3280m）等隧道開展了一系列的全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)。上述研究均假定在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，研究單一狹長(zhǎng)通道內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延與控制等問題。本研究假定在特長(zhǎng)隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)，側(cè)重研究如何實(shí)施火災(zāi)撲救和人員救生等問題。由于在特長(zhǎng)隧道內(nèi)設(shè)計(jì)救援站進(jìn)行列車火災(zāi)的救援在我國(guó)是一種新的設(shè)計(jì)思路，對(duì)鐵路隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)并?？烤仍厩闆r下的火災(zāi)煙氣蔓延及其特征參數(shù)分布規(guī)律、火災(zāi)控制技術(shù)有效性的研究還幾乎是空白，因此，建立專門的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，研究鐵路隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)并?？烤仍厩闆r下的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律及其控制技術(shù)，具有非常重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體

隧道救援站火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按實(shí)際列車火災(zāi)?？烤仍镜膶?shí)際內(nèi)部尺寸建造，主體包括模擬隧道、模擬列車和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括溫度、氣體濃度及熱輻射等測(cè)量裝置、火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)及排煙系統(tǒng)等。

1.1 模擬隧道

模擬隧道長(zhǎng)30m、寬7.6m、高7.8m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，模擬隧道如圖1。

圖1 救援站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體圖Fig.1 Simulation test platform of rescue station

1.2 模擬列車

模擬列車尺寸與實(shí)際鐵路客運(yùn)列車車廂尺寸基本相同，長(zhǎng)21.0m，寬2.96m，高2.26m；在模擬列車兩側(cè)各設(shè)置2.0m高、1.6m寬的對(duì)開門，0.6m高、1.0m寬的鋼化玻璃封閉窗戶。

1.3 火災(zāi)監(jiān)控和撲救系統(tǒng)［9－13］

隧道救援站火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由火災(zāi)報(bào)警控制器和布置于隧道側(cè)壁上方的火災(zāi)探測(cè)器等組成。滅火系統(tǒng)為細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，由布置于模擬列車兩側(cè)的細(xì)水霧噴頭及與其相連的管道、控制閥組、水泵和水源等組成，如圖2所示。

圖2 細(xì)水霧噴頭布置圖Fig.2 Water mist nozzle arrangement

1.4 排煙系統(tǒng)

在隧道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隧道縱軸線的兩端上各布置一臺(tái)消防高溫排煙風(fēng)機(jī)，如圖1所示。為了解風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)模擬隧道內(nèi)的流場(chǎng)分布，需在模擬隧道內(nèi)進(jìn)行風(fēng)速標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過標(biāo)定若干位置上的風(fēng)速值，確定風(fēng)機(jī)電源工作頻率與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建模擬隧道內(nèi)流場(chǎng)分布圖。

1.5 溫度測(cè)量系統(tǒng)

溫度測(cè)量系統(tǒng)包括隧道內(nèi)多路同一垂直平面的豎向熱電偶串（見圖3a）和布置于隧道頂部水平方向的熱電偶串（見圖3b），以及與其連接的數(shù)據(jù)采集裝置。

本試驗(yàn)中所使用的熱電偶為K型鎧裝熱電偶，即鎳鉻／鎳硅熱電偶，熱電偶按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鎳鉻－鎳硅熱電偶絲》（GB／T2614-1998）制作，測(cè)溫范圍在－50℃～1200℃之間，可以測(cè)量高溫?zé)煔獾臏囟?。試?yàn)使用K型鎧裝熱電偶型號(hào)為WRNK-191，即使用的是尺寸為Φ1×400mm的鎳鉻－鎳硅熱電偶。

如圖3a所示，在5m、10m、15m、20m、25m 處沿豎直方向各布置一串熱電偶，每串熱電偶有6個(gè)熱電偶，每?jī)蓚€(gè)熱電偶間距為1.2m，用于測(cè)量救援平臺(tái)內(nèi)垂直溫度場(chǎng)分布。如圖3b所示，在沿隧道縱向中心線上，距隧道頂棚0.2m高度，每隔1m布置一個(gè)熱電偶，共30個(gè)熱電偶，用于測(cè)量隧道頂棚下方煙氣層沿隧道縱向的溫度分布；在沿隧道縱向中心線的15米處，距隧道頂棚0.2m高度，橫向每隔1m布置一個(gè)熱電偶，用于測(cè)量隧道頂棚下方煙氣層沿隧道橫向的溫度分布。

1.6 煙氣成分測(cè)量系統(tǒng)

煙氣成分測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量燃燒產(chǎn)物成分的電化學(xué)氣體成分測(cè)量裝置及與其電信號(hào)連接的數(shù)據(jù)采集裝置。實(shí)驗(yàn)中采用德圖testo 350XL實(shí)時(shí)測(cè)量煙氣中O2和CO的濃度。圖4中A點(diǎn)、B點(diǎn)分別為德圖氣體分析儀的氣體成分及濃度取樣點(diǎn)。

圖3 熱電偶布置示意圖Fig.3 Thermocouple arrangement

圖4 德圖測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Testo350XL detector arrangement

1.7 風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)

風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)包括布置于隧道內(nèi)橫截面上的風(fēng)速探頭及與其電信號(hào)連接的數(shù)據(jù)采集裝置。本實(shí)驗(yàn)采用日本加野麥克斯（KANOMAX）公司生產(chǎn)的智能型多通道風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)（MODEL6243），見圖5。該系統(tǒng)由模塊本體、風(fēng)速探針和數(shù)據(jù)傳輸電纜等組成，可以測(cè)量風(fēng)速的瞬時(shí)值、平均值以及溫度和濕度等參數(shù)。

圖5 熱線風(fēng)速儀Fig.5 Hot-wire anemometer

1.8 熱輻射通量測(cè)量系統(tǒng)

熱輻射通量測(cè)量系統(tǒng)包括布置在火源附近的熱輻射通量探頭，及與其電信號(hào)連接的數(shù)據(jù)采集裝置。實(shí)驗(yàn)采用法國(guó)Captec公司的TS-30總輻射熱流傳感器。圖6給出了輻射熱流計(jì)的位置示意圖。實(shí)驗(yàn)中共用到2支熱流計(jì)，分別距離隧道地面為2m、3m，與火源中心距離為2.5m。實(shí)驗(yàn)中輻射熱流計(jì)的位置隨火源位置的變化而變化。

2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置和工況設(shè)計(jì)

2.1 模擬火源選取

隧道列車火災(zāi)通常是以燃油為代表的液體火災(zāi)和以臥具、座椅、行李等為代表的固體火災(zāi)，這里選取汽油為燃料模擬列車火災(zāi)。

前人的研究結(jié)果認(rèn)為：列車火災(zāi)功率約為5MW，但高黎貢山隧道消防救援站主要針對(duì)早期列車火災(zāi)撲救設(shè)計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)選取1m×1m正方形油盒內(nèi)放量90＃汽油作為模擬火源，1m2汽油池火最大熱釋放速率為1.8MW，燃燒效率為0.75，燃燒時(shí)間為8min～15min。

2.2 工況設(shè)計(jì)

此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)可開展一系列模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，典型火源采用1m×1m汽油火，縱向位置在隧道正中，垂直位置分別為車頂、車內(nèi)和車底?？v向風(fēng)速分別為：0m／s，1m／s，3m／s，6m／s。實(shí)驗(yàn)工況如表 1所示。

圖6 熱輻射通量測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Thermal radiation detector arrangement

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Table 1 Test condition design

圖7 汽油火在0m／s風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.7 The experiment phenomenon of gasoline fire under water mist（wind speed 0m／s）

3 鐵路隧道內(nèi)救援站典型火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

3.1 細(xì)水霧施加前后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

細(xì)水霧系統(tǒng)在汽油火自由燃燒30秒后開始噴霧，圖7中前兩幅圖為汽油火自由燃燒狀態(tài)，后四幅為施加細(xì)水霧后的滅火效果。

點(diǎn)火初期，汽油火發(fā)煙量較少，燃料燃燒較完全。隨著燃料溫度升高，蒸發(fā)加快，燃料燃燒較不完全，發(fā)煙量增加，且煙氣緩慢從車廂內(nèi)溢出，開始向四周擴(kuò)散。在無風(fēng)情況下，煙氣從火源區(qū)向隧道自由擴(kuò)散，逐漸充滿整個(gè)隧道，導(dǎo)致隧道能見度降低，同時(shí)，火焰也有往外蔓延的趨勢(shì)，有可能引燃其他可燃物，擴(kuò)大火災(zāi)面積，這對(duì)于人員疏散是非常危險(xiǎn)的。在有風(fēng)條件下，從車廂溢出的煙氣會(huì)加速向隧道下游擴(kuò)散，并且隨著風(fēng)速的增加，擴(kuò)散速度越來越快，煙氣會(huì)更快充滿隧道。細(xì)水霧施加后，火勢(shì)明顯得到了控制，最終火災(zāi)基本被控制在了車廂內(nèi)部，從一定程度上減少了火災(zāi)對(duì)隧道的破壞，降低了高溫對(duì)人員的傷害。

3.2 細(xì)水霧施加前后的溫度場(chǎng)分布

圖8給出了汽油火在各種風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后煙氣層溫度變化情況。觀察曲線可發(fā)現(xiàn)，細(xì)水霧施加前，頂棚煙氣層溫度很快上升至最大值，約為50℃；溫度沿隧道分布是中間溫度高，兩端溫度低；細(xì)水霧施加后，頂棚煙氣層溫度呈明顯的下降趨勢(shì)，大約在細(xì)水霧開啟后200s，煙氣層溫度趨于穩(wěn)定值，降至25℃以下，之后變化比較輕微。在隧道縱向風(fēng)的作用下，熱煙氣被吹至下游，下游的煙氣層溫度高于上游。隨著風(fēng)速的增大，最高溫度點(diǎn)向下游移動(dòng)。由于在風(fēng)的作用下，部分細(xì)水霧沿風(fēng)向運(yùn)動(dòng)至下游，所以下游煙氣層溫度降低的幅度大于上游煙氣層。

圖8 汽油火在各種風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后煙氣層溫度變化Fig.8 The changes of smoke temperature under water mist at different wind speeds

圖9 汽油火在各種風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后CO濃度變化Fig.9 The changes of CO concentration under water mist at different wind speeds

圖10 汽油火在各種風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后火源附近熱輻射通量變化Fig.10 The changes of thermal radiation fluxes under water mist at different wind speeds

3.3 細(xì)水霧施加前后的CO濃度分布

圖9給出了汽油火在各種風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后的CO濃度變化情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，初始階段CO濃度基本上為0ppm，隨著燃燒的進(jìn)行有輕微的增加。細(xì)水霧施加之后，初期CO濃度大幅上升，一般在20ppm～40ppm左右，這是由于細(xì)水霧的作用導(dǎo)致了燃料燃燒不完全，致使CO濃度升高。當(dāng)細(xì)水霧有效控制火災(zāi)后，CO濃度迅速下降。

3.4 細(xì)水霧施加前后的熱輻射通量變化

圖10給出了汽油火在兩種風(fēng)速下細(xì)水霧施加前后火源附近熱輻射通量變化情況。在細(xì)水霧系統(tǒng)開啟之前，隨著燃燒時(shí)間的推移，輻射呈上升趨勢(shì)，最強(qiáng)熱輻射可達(dá)1.75kW／㎡?？炕鹪磪^(qū)更近的熱輻射更高。在細(xì)水霧系統(tǒng)開啟之后，輻射明顯下降，尤其是火源區(qū)域，最大輻射差值可以達(dá)到1.55kW／㎡。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是目前國(guó)內(nèi)第一個(gè)專門對(duì)鐵路隧道內(nèi)列車火災(zāi)的火災(zāi)特征參數(shù)、煙氣運(yùn)動(dòng)、火災(zāi)監(jiān)控及撲救等進(jìn)行系統(tǒng)研究的全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過大尺寸油池火燃燒和細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)表明：1.該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可模擬隧道救援站火災(zāi)，并進(jìn)行不同工況下的溫度場(chǎng)空間分布、關(guān)鍵位置的有毒有害氣體濃度分布的測(cè)量。2.通過溫度、氧氣濃度、熱輻射強(qiáng)度等參數(shù)的測(cè)量，可對(duì)隧道消防系統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控和撲救能力的有效性進(jìn)行評(píng)估；在本實(shí)驗(yàn)工況條件下，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)可有效的抑制列車火災(zāi)。3.該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將鐵路隧道內(nèi)列車火災(zāi)?？烤仍镜幕馂?zāi)特征參數(shù)、煙氣控制、火災(zāi)監(jiān)控與撲救等研究工作搬到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，可以進(jìn)行更廣泛、系統(tǒng)、深入、細(xì)致的模擬測(cè)試，具備很大的應(yīng)用價(jià)值和重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。感謝安徽省熱安全工程研究中心的大力支持。

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Design of the simulation platform of fire rescue of the railway and simulation study of carriage fire inhibition by water mist system

WANG Qing-sheng1，LIU Bing-hai2，WANG Wen-wei2，HU Long-hua3，MENG Na3，WU Long-biao2

（1.China railway eryuan engineering group co.ltd.，610031，China；2.Hefei kdlian safety technoligy co.ltd.，230088，China；3.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei，Anhui，230026，China）

In this paper，the experimental platform，including simulations of tunnel，rescue centre and platform，train，smoke exhaustion system，fire monitoring system，fire suppression system and fire measurement system，was designed in 1∶1full scale.It was the first professional platform in China designed for the investigation of fire rescue in tunnel.A series of solutions were given on how to improve the effectiveness of fire monitoring，fire supersession and smoke control under different velocities of air flow in the tunnel.The temperature field，toxic gas concentration and heat radiation in overlong tunnels were also investigated.In addition，fire suppression experiment with water mist was also carried out in order to prove the feasibility and effectiveness of the platform.The data of temperature，toxic gas concentration and heat radiation intensity were obtained，showing that water mist could suppress fire effectively.

Tunnel；Fire；Rescue station；Water mist

X932；X928.7

A

1004-5309（2012）-0006-07

2011-11-15；修改日期：2011-12-19

王慶生（1964-），男，高級(jí)工程師，注冊(cè)設(shè)備工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，專業(yè)給水排水，從事專業(yè)給排水、消防工程設(shè)計(jì)，主要研究方向鐵路隧道消防系統(tǒng)設(shè)置。