光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)在隧道風(fēng)作用下的溫度響應(yīng)

王 獻(xiàn) 石曉龍 楊曉娟 姚 斌 肖 淵

（1.武漢消防支隊(duì)江漢大隊(duì)，430000，武漢；2.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，230088，合肥；3.安徽華盾安全技術(shù)有限公司，230088，合肥∥第一作者，助理工程師）

隧道在給人們帶來交通便利的同時(shí)也潛伏了自然的或人為的災(zāi)害。火災(zāi)是主要的隧道災(zāi)害之一，可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響［1］。隧道自動(dòng)滅火系統(tǒng)通常在火災(zāi)發(fā)生的初期能有效地發(fā)揮作用，所以及早地啟動(dòng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)成為有效滅火的關(guān)鍵［2］。由于隧道自然通風(fēng)具有不確定性，致使正常運(yùn)營(yíng)風(fēng)速小于3 m／s的被保護(hù)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，存在高風(fēng)速時(shí)段報(bào)警不及時(shí)或報(bào)警部位不準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)，影響火災(zāi)早期的自動(dòng)滅火聯(lián)動(dòng)（一個(gè)滅火分區(qū)通常不大于25 m）和隧道應(yīng)急救援的啟動(dòng)。在隧道風(fēng)作用下，隧道頂部溫度雖然升高，但有時(shí)不會(huì)超過定溫報(bào)警閾值，因此需要將火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置為差溫報(bào)警模式［7］。

隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)滿足及時(shí)性（響應(yīng)時(shí)間）、準(zhǔn)確性（定位正確）和有效性（誤報(bào)漏報(bào)率）等要素。

（1）快速響應(yīng)：火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間＜60 s，工況條件為敞開和封閉火、有風(fēng)和無風(fēng)等。

（2）正確響應(yīng)：無誤報(bào)漏報(bào)是系統(tǒng)工作有效性的基礎(chǔ)，需要系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性都能達(dá)到要求。

（3）精確定位：修正隧道縱向風(fēng)的影響，保證在隧道風(fēng)的作用下火災(zāi)定位誤差小于1／2個(gè)消防分區(qū)。

（4）普適性強(qiáng)：報(bào)警系統(tǒng)必須能響應(yīng)不同熱釋放率的火災(zāi)，火災(zāi)工況為油類和其它可燃物火災(zāi)等。

（5）實(shí)時(shí)檢測(cè)：系統(tǒng)應(yīng)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，隨時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)間溫度的動(dòng)態(tài)變化，并反饋火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)信息［4－6］。

本文研究光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器隨隧道內(nèi)不同風(fēng)速條件下的溫度分布和溫度梯度分布，由此引出對(duì)火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)以及火災(zāi)位置判斷的分析。

1 火災(zāi)模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)隧道長(zhǎng)30m，寬7.6m，高7.8m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)。隧道內(nèi)置24m火車車廂模型。試驗(yàn)隧道采用縱向通風(fēng)方式，內(nèi)部安裝2臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。隧道可調(diào)風(fēng)速為0～6m／s。距隧道頂0.2m縱向布置鋼絞線，獨(dú)立光柵溫度傳感器串固定于鋼絞線下方。探頭采用串聯(lián)連接方式，探頭間距為2.5m，共布置12個(gè)探頭。光纖尾纜為100m。如圖1所示。

圖1 火災(zāi)試驗(yàn)布置圖

模擬火災(zāi)布置在縱向10m處。火盆容器尺寸為0.5m×0.5m，使用93＃汽油，預(yù)計(jì)火災(zāi)功率約0.5 MW?；鹋枞萜髦糜谀M列車上方。車廂高3.5m。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同風(fēng)速條件下獨(dú)立光纖光柵傳感器的溫度響應(yīng)

試驗(yàn)選取不同的風(fēng)速條件，風(fēng)速分別為0、3m／s和6m／s。設(shè)計(jì)風(fēng)速與實(shí)際測(cè)量風(fēng)速誤差小于±5%［7］。試驗(yàn)用光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)每秒采樣一次。火源以極快的速度加熱周圍的空氣，熱空氣夾帶著微粒形成煙，逐漸上升到隧道頂部。煙氣接觸隧道頂后沿著隧道頂部向兩側(cè)流動(dòng)。在煙氣的不斷作用下，掛在鋼絞線下方的光纖光柵探測(cè)器被加熱，引起顯示溫度上升［3］。

一般地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)熱煙氣從熱源到達(dá)隧道頂部的時(shí)間小于10s。在隧道縱向通風(fēng)作用下，煙氣在垂直上升的同時(shí)飄向下風(fēng)側(cè)，使得煙氣層的溫度對(duì)頂部傳感器的傳熱效率有所下降，因此系統(tǒng)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間較無風(fēng)工況延長(zhǎng)。常用的火災(zāi)位置識(shí)別模式認(rèn)為，光纖光柵傳感器探測(cè)的空間最高溫度點(diǎn)正下方為火災(zāi)發(fā)生的位置，但在隧道風(fēng)作用下，處于火焰正上方的傳感器的溫度往往低于下風(fēng)側(cè)某一傳感器的溫度，因此造成火災(zāi)報(bào)警位置偏離。位置偏差的大小取決于風(fēng)速、火焰功率和隧道的幾何尺寸。

試驗(yàn)采用的火災(zāi)熱釋放率約0.5MW，點(diǎn)火前隧道環(huán)境溫度約30℃，火災(zāi)發(fā)生在縱向10m處?；馂?zāi)發(fā)生后20s內(nèi)風(fēng)速分別為0、3m／s、6m／s時(shí)隧道頂部溫度增長(zhǎng)量的分布曲線如圖2所示，不同風(fēng)速條件下的定溫報(bào)警試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 0.5MW火災(zāi)發(fā)生后20s內(nèi)隧道頂部溫度增長(zhǎng)量的一維分布曲線（每1s顯示一條分布曲線）

表1 不同風(fēng)速條件下定溫報(bào)警試驗(yàn)結(jié)果

在風(fēng)速為0的情況下，位于火源正上方的探測(cè)器在火災(zāi)發(fā)生20s內(nèi)顯示溫度升高到約57℃，約2 min達(dá)到105℃。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，高溫區(qū)的溫度沿隧道縱向呈規(guī)則的對(duì)稱型分布，如圖2a）所示。

在有風(fēng)條件下，火災(zāi)發(fā)生20s后隧道頂部的最高溫度仍遠(yuǎn)低于35℃，即使1min后仍未達(dá)到常規(guī)的定溫報(bào)警閾值60℃（見表1）；隨著風(fēng)速的增加，隧道頂部傳感器探測(cè)到的溫度下降。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，高溫區(qū)的溫度分布延隧道縱向大大偏離對(duì)稱型分布，如圖2中b）和c）所示。由此可知，即使在夏天（環(huán)境溫度為30℃），發(fā)生0.5MW火災(zāi)時(shí)，隧道頂部溫度也很難達(dá)到定溫報(bào)警閾值。所以，在火災(zāi)功率較小并且有風(fēng)的情況下，必須采用差溫報(bào)警技術(shù)進(jìn)行早期火災(zāi)報(bào)警。

2.2 不同風(fēng)速下獨(dú)立光纖光柵傳感器的溫度梯度響應(yīng)

實(shí)現(xiàn)早期報(bào)警是隧道設(shè)置火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的主要目的之一。實(shí)際工程中，采用傳統(tǒng)的定溫報(bào)警技術(shù)識(shí)別火災(zāi)時(shí)不得不依據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整定溫報(bào)警閾值，否則很難做出正確的早期報(bào)警，降低虛警誤報(bào)率。

溫升梯度是另一個(gè)火災(zāi)識(shí)別參數(shù)，可以依據(jù)溫升速度達(dá)到或超過差溫報(bào)警閾值做出是否發(fā)生火災(zāi)的判斷。圖3顯示了隧道風(fēng)速分別為0、3m／s、6 m／s時(shí)光纖光柵傳感器探測(cè)的溫度梯度隨時(shí)間的變化。曲線分別對(duì)應(yīng)沿著隧道縱向布置的不同的傳感器位置。

圖3 三種不同風(fēng)速工況下的溫升梯度隨時(shí)間的變化曲線

當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，位于火源正上方的探測(cè)器（10m處）在火災(zāi)發(fā)生30s內(nèi)溫升梯度達(dá)到130℃／min。按照GB 16280—2014《淺型高溫火災(zāi)探測(cè)器》的規(guī)定，火災(zāi)差溫報(bào)警閾值為12℃／min，所以點(diǎn)火后約5s即達(dá)到火災(zāi)報(bào)警條件。在有風(fēng)條件下，火災(zāi)發(fā)生后30s內(nèi)隧道頂部的溫升梯度遠(yuǎn)小于無風(fēng)工況。在3m／s和6m／s風(fēng)速工況下，達(dá)到報(bào)警條件所需時(shí)間分別為10s和28s（見表2），均小于30s，并隨風(fēng)速增加明顯延長(zhǎng)。

表2 不同風(fēng)速條件下的差溫報(bào)警實(shí)驗(yàn)結(jié)果

火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣攜帶著熱量向火災(zāi)下游飄動(dòng)，可能使得著火點(diǎn)下游的某傳感器率先報(bào)警。獨(dú)立光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有報(bào)警位置識(shí)別功能，以率先達(dá)到差溫報(bào)警閾值的傳感器所對(duì)應(yīng)的位置為火災(zāi)報(bào)警位置。在試驗(yàn)的3種不同風(fēng)速（0、3m／s、6m／s）下，火災(zāi)位置分別被確定在10.0m、12.5m和17.5m處（見表2）。這與實(shí)際火災(zāi)發(fā)生位置存在一定偏差。若考慮工程中有些隧道截面會(huì)大于試驗(yàn)隧道，這一偏差還可能被放大。

火災(zāi)響應(yīng)速度、火災(zāi)定位精度和火災(zāi)虛警抑制特性是隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵三要素，必須同時(shí)優(yōu)化。在設(shè)備和工況一定的情況下，火災(zāi)報(bào)警的響應(yīng)速度取決于設(shè)備的靈敏度以及所設(shè)定的報(bào)警閾值。提高系統(tǒng)的靈敏度將廣泛涉及技術(shù)層面的改進(jìn)和設(shè)備成本的提高。調(diào)低報(bào)警閾值雖然可達(dá)到快速報(bào)警的目的，但低閾值會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中虛警率增高，不宜使用。在有風(fēng)條件下，采用差溫報(bào)警可滿足火災(zāi)響應(yīng)速度和火災(zāi)虛警抑制特性的要求，而同時(shí)滿足火災(zāi)定位精度的要求還需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語

試驗(yàn)證實(shí)，獨(dú)立光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可對(duì)隧道火災(zāi)引起的溫升梯度變化做出快速響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間＜30s）。當(dāng)火災(zāi)功率小于0.5MW，隧道環(huán)境溫度為30℃時(shí)，無風(fēng)條件下隧道頂部溫度可急劇升高達(dá)到105℃，有風(fēng)條件下隧道頂部溫度則很難達(dá)到定溫報(bào)警啟動(dòng)條件（60℃）。獨(dú)立光纖光柵火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)可提供可靠的實(shí)時(shí)溫升梯度數(shù)據(jù)，即使在有風(fēng)的條件下溫升梯度也可在火災(zāi)發(fā)生30s內(nèi)啟動(dòng)差溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。獨(dú)立光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)合高效自動(dòng)滅火設(shè)備，可為地鐵及其他交通隧道的安全提供可靠的技術(shù)保障。

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