地鐵站臺(tái)點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器的火災(zāi)響應(yīng)性能分析

莊永寧

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢//高級(jí)工程師)

目前，地鐵站臺(tái)公共區(qū)域設(shè)置的火災(zāi)探測(cè)器多為感煙型。文獻(xiàn)[1-7]對(duì)點(diǎn)型感煙、吸氣式感煙及線型光束感煙等火災(zāi)探測(cè)器在地鐵車站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)和實(shí)體試驗(yàn)。本文以最常見(jiàn)的點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器為研究對(duì)象，對(duì)其火災(zāi)響應(yīng)性能進(jìn)行分析。

1 仿真模擬試驗(yàn)

1.1 建立仿真模型

采用動(dòng)態(tài)火災(zāi)模擬(FDS)軟件,以某地鐵站臺(tái)一端的典型區(qū)域?yàn)樵停⒎抡婺Ｐ?如圖1所示)。設(shè)定模型環(huán)境為停運(yùn)無(wú)機(jī)械通風(fēng)環(huán)境。模型長(zhǎng)為35.0 m，寬為18.0 m，高度為4.5 m。站臺(tái)門高2.7 m，間距為10.5 m。站臺(tái)一端為設(shè)備間，另一端設(shè)有與站廳層連通的樓梯。站臺(tái)格柵的鏤空率是煙氣火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警的重要影響因素。文獻(xiàn)[8-10]已對(duì)此作了詳盡論述，為簡(jiǎn)化模型，本文不再贅述。故模型中未設(shè)置格柵。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用絕熱、無(wú)滑的壁面邊界條件，其初始溫度設(shè)為20 ℃。

圖1 典型站臺(tái)區(qū)域仿真模型

模擬工況按火源類型可分為油池火、聚氨酯泡沫塑料明火和棉繩陰燃火3種工況。油池火工況下，每平方米油池火的熱釋放速率初始值約為844 kW，并與t2成正比關(guān)系增長(zhǎng)(t為燃燒時(shí)間)。CO的生成比例設(shè)置為0.011，碳煙的生成比例設(shè)置為0.038。棉繩陰燃火工況參照GB 4715標(biāo)準(zhǔn)SH2等級(jí)試驗(yàn)火設(shè)定。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，1束(90根)標(biāo)準(zhǔn)棉繩的最大熱釋放速率為3.2 kW，達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間為120 s，熱釋放速率同樣與t2成正比。模擬試驗(yàn)中設(shè)置為3束棉繩。聚氨酯泡沫塑料明火工況參照GB 4715標(biāo)準(zhǔn)SH3等級(jí)試驗(yàn)火設(shè)定。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，3塊標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯泡沫的最大熱釋放速率為59 kW，達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間為135 s。

如圖1所示，火源位置分別設(shè)定于設(shè)備間外側(cè)(F1)、樓梯口(F2)、安全門側(cè)(F3)及區(qū)域中部(F4)等4處。由于F4處沒(méi)有設(shè)備設(shè)施，故火源在F4的油池火可判定為人為縱火。每個(gè)工況的模擬時(shí)間為600 s。

感煙探測(cè)器共10個(gè)沿站臺(tái)門對(duì)稱布置(見(jiàn)圖1)，均吸頂安裝，其縱向間距為6.2～8.5 m，橫向間距為7.5 m。由于在火災(zāi)發(fā)展初期煙氣的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，難以預(yù)測(cè)，因此，模型以煙氣濃度為單一參數(shù)建立了理想化虛擬點(diǎn)型感煙探測(cè)器。探測(cè)器響應(yīng)的煙氣濃度臨界值為3.28%/m，報(bào)警時(shí)間為自起火始至探測(cè)器響應(yīng)的時(shí)間。

1.2 仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

各工況仿真模擬試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)值模擬探測(cè)器報(bào)警時(shí)間表

從仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，油池火工況與聚氨酯火工況中的10個(gè)點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器全部報(bào)警，而棉繩火工況中只有1～2個(gè)探測(cè)器報(bào)警?；鹪次恢?、火源功率及火源類型是影響探測(cè)器火災(zāi)響應(yīng)性能的重要因素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均有影響。

1.2.1 火源位置

各工況中，第1個(gè)與第2個(gè)發(fā)出警報(bào)的探測(cè)器都是距火源最近的2個(gè)探測(cè)器：F1對(duì)應(yīng)3#和8#探測(cè)器，F(xiàn)2對(duì)應(yīng)4#和9#探測(cè)器，F(xiàn)3對(duì)應(yīng)8#和9#探測(cè)器。

從火源位置來(lái)分析，無(wú)論火源類型如何，其他3處起火均比F1處起火的報(bào)警時(shí)間長(zhǎng)，相對(duì)較晚。究其原因，一方面，F(xiàn)1靠近設(shè)備間墻壁，使煙氣更易飄向3#和8#探測(cè)器方向；另一方面，F(xiàn)3靠近樓梯口，部分煙氣易從樓梯口向上擴(kuò)散至站廳層。

另外，在第1個(gè)警報(bào)與第2個(gè)警報(bào)的時(shí)間差方面，火源位于F1時(shí)，油池火工況約為16 s，聚氨酯火工況約為19 s；火源位于F2時(shí)，油池火工況為0 s，聚氨酯火約為8 s；火源位于F3時(shí)，由于火源處于3#和8#探測(cè)器下方的正中間，故油池火和聚氨酯火工況的第1個(gè)警報(bào)與第2個(gè)警報(bào)幾乎同步。

1.2.2 不同火源功率

火源在F4處的油池火(人為縱火)工況最大火源功率約為1.4 MW，其報(bào)警時(shí)間最短。在其它火源位置,油池火工況的最大火源功率約為135 kW，第一警報(bào)時(shí)間也不超過(guò)1 min。聚氨酯火工況的最大火源功率約為59 kW，明顯小于油池火工況，但其3個(gè)火源位置的第1次警報(bào)時(shí)間均無(wú)顯著差距,且不超過(guò)1 min。棉繩火工況的最大火源功率約為 9.6 kW，由于其為陰燃火，故其3個(gè)火源位置的第一次警報(bào)時(shí)間最長(zhǎng)。

1.2.3 不同火源類型

從報(bào)警時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，人為縱火工況因其火源面積較大，早期產(chǎn)生的煙氣較多、溫度較高，故其第1次警報(bào)時(shí)間最短，為35 s，其余的油池火和聚氨酯火工況的第1次警報(bào)時(shí)間均為40～51 s。而棉繩火工況的第1次警報(bào)時(shí)間則為1～3 min。這主要是由于棉繩火為陰燃火，煙氣溫度較低，在空間內(nèi)蔓延速度較慢。比較第2次警報(bào)時(shí)間，除人為縱火工況外，油池火工況的第2次警報(bào)時(shí)間在48～56 s之間；聚氨酯火工況的第2次警報(bào)時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)一些，為52～65 s；棉繩火只有F1起火時(shí)有2個(gè)探測(cè)器報(bào)警，第2次警報(bào)時(shí)間則超過(guò)7 min，其它2個(gè)火源位置只有1個(gè)探測(cè)器發(fā)出報(bào)警?？梢钥闯?，火源類型對(duì)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的影響相對(duì)較大。

2 實(shí)體試驗(yàn)

2.1 實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)體試驗(yàn)搭建了簡(jiǎn)易模型，如圖2所示。簡(jiǎn)易模型四面為封閉墻體。模型縱向長(zhǎng)13 m，寬12 m，頂板高度為3.5 m，縱向一端頂部設(shè)有1個(gè)縱向長(zhǎng)1 m、寬5 m的開(kāi)口來(lái)代替站臺(tái)樓梯口。模型吸頂安裝了4個(gè)點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器，其縱向及橫向間距均為8 m，其位置相當(dāng)于仿真模型中的3#、4#、8#、9#探測(cè)器。

圖2 典型站臺(tái)區(qū)域?qū)嶓w試驗(yàn)簡(jiǎn)易模型

火源類型與仿真模擬試驗(yàn)相同，分為油盤火、聚氨酯明火和棉繩陰燃火3種，其中，聚氨酯明火及棉繩陰燃火分別參照GB 4715標(biāo)準(zhǔn)SH3和SH2試驗(yàn)火布置。

火源位置與仿真模擬試驗(yàn)對(duì)應(yīng)分別設(shè)在設(shè)備間外側(cè)(F1)、樓梯口(F2)、安全門側(cè)(F3)及區(qū)域中部(F4)。

2.2 實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果

火源位置為F1、F2及F3的實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果比較如表2所示。

表2 實(shí)體試驗(yàn)與數(shù)值模擬報(bào)警對(duì)比表

由表2可知，油池火工況下，實(shí)體試驗(yàn)的第1次警報(bào)時(shí)間略小于仿真模擬試驗(yàn)；其他火源類型時(shí)，實(shí)體試驗(yàn)的第1次警報(bào)時(shí)間均遠(yuǎn)長(zhǎng)于仿真模擬試驗(yàn)的(基本超過(guò)100 s)。

其原因?yàn)椋孩?實(shí)體試驗(yàn)在封閉的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行，與仿真模擬試驗(yàn)的環(huán)境邊界條件不同；而且，二者空間高度等尺寸有較大差異?？梢?jiàn)，起火環(huán)境差異較大。油池火初始功率很大，其熱煙氣受起火環(huán)境影響較小，而聚氨酯火和棉繩陰燃火的初始功率較小，其煙氣溫度相對(duì)較低，易受到起火環(huán)境的影響。② 仿真模擬感煙火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警以煙氣濃度作為唯一的判定參數(shù)。而實(shí)際的感煙火災(zāi)探測(cè)器，為了防止誤報(bào)，其響應(yīng)報(bào)警設(shè)有較為復(fù)雜的算法，并非由單一參數(shù)判定的。

F4火源正上方還設(shè)置了1個(gè)11#點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器，以單獨(dú)測(cè)試F4處不同火源的報(bào)警時(shí)間，并與仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(如表3所示)。

從表3可以看出，油池火報(bào)警時(shí)間的實(shí)測(cè)值與模擬值基本一致，而聚氨酯火和棉繩火的實(shí)測(cè)報(bào)警時(shí)間則明顯長(zhǎng)于模擬值。這再次表明，仿真計(jì)算點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警時(shí)間時(shí)，油池火工況相對(duì)準(zhǔn)確，聚氨酯火工況及棉繩陰燃火工況的模擬符合性欠佳。

表3 單個(gè)探測(cè)器實(shí)體試驗(yàn)與模擬數(shù)值試驗(yàn)報(bào)警時(shí)間對(duì)比

3 結(jié)論與建議

本文通過(guò)仿真模擬試驗(yàn)和實(shí)體試驗(yàn)對(duì)比，研究了地鐵站臺(tái)典型區(qū)域中點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器對(duì)不同火源的響應(yīng)性能，并得出以下結(jié)論：

(1) 不同的火源類型、火源位置和火源功率對(duì)點(diǎn)型感煙探測(cè)器的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間都有一定影響。其中，影響較大的因素是火源類型。從實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器對(duì)油池火的探測(cè)響應(yīng)速度較快，而對(duì)聚氨酯火及棉繩陰燃火的探測(cè)響應(yīng)速度則相對(duì)較慢。

(2) 對(duì)于聚氨酯火、棉繩陰燃火而言，當(dāng)火源位于探測(cè)器正下方時(shí)，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間明顯較短；當(dāng)火源位于2個(gè)探測(cè)器之間下方區(qū)域時(shí)，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間明顯較長(zhǎng)。

(3) 從仿真模擬試驗(yàn)與實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出：油池火工況的模擬結(jié)果與實(shí)體試驗(yàn)的結(jié)果較吻合，而聚氨酯火、棉繩陰燃火的實(shí)測(cè)報(bào)警時(shí)間明顯長(zhǎng)于模擬報(bào)警時(shí)間。

站臺(tái)層一般不設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)，當(dāng)站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需消防人員救火，且人員疏散時(shí)間長(zhǎng)、難度大，因此，盡早發(fā)現(xiàn)站臺(tái)層的火災(zāi)對(duì)地鐵車站滅火救援極其重要。為了更早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，對(duì)地鐵站臺(tái)層的火災(zāi)探測(cè)器提出如下建議：

(1) 適當(dāng)減小點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器縱向間距。從實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，火源離火災(zāi)探測(cè)器越近，報(bào)警時(shí)間越快，減小火災(zāi)探測(cè)器間距可使得站臺(tái)煙氣能更快地被探測(cè)到。

(2) 關(guān)鍵區(qū)域增設(shè)點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器。與站廳層連接的樓梯是站臺(tái)層人員疏散的唯一通道。一旦樓梯口發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重影響人員疏散速度。在站臺(tái)樓梯口等關(guān)鍵區(qū)域增設(shè)火災(zāi)探測(cè)器，將有助于盡早發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的火災(zāi)。

(3) 可積極引入可視圖像早期火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)站臺(tái)層進(jìn)行保護(hù)?？梢晥D像早期火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)利用既有的安防視頻系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)能有效識(shí)別、監(jiān)測(cè)視頻中出現(xiàn)的火焰或煙霧圖像，從而快速準(zhǔn)確地判斷出火災(zāi)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)具有同時(shí)探測(cè)火焰與煙霧、火災(zāi)準(zhǔn)確定位、可視化等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于地鐵站應(yīng)用。

此外，由于點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器對(duì)不同類型火源的報(bào)警時(shí)間有明顯差別，對(duì)不同位置的聚氨酯火、棉繩陰燃火的報(bào)警時(shí)間也有明顯差別。因此，建議在消防驗(yàn)收時(shí)應(yīng)選擇不同類型的火源進(jìn)行測(cè)試(如聚氨酯火和棉繩陰燃火)。同時(shí)，建議選擇關(guān)鍵區(qū)域和火災(zāi)探測(cè)“最不利點(diǎn)”進(jìn)行測(cè)試。這樣更有助于檢測(cè)出火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的整體性能。

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