新一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)及其應(yīng)用

文·圖/史聰靈 李建 甘立平

地鐵防災(zāi)系統(tǒng)是火災(zāi)發(fā)生時(shí)地鐵安全的重要保障。中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)的地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)可以在地鐵開通前，通過一次試驗(yàn)，檢測地鐵各防災(zāi)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)情況、工作效果和可靠性。近年來，該技術(shù)和裝置在第一代基礎(chǔ)上又進(jìn)行了升級(jí)，通過自動(dòng)化、模塊化、集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精確控制，目前已經(jīng)在國內(nèi)地鐵廣泛應(yīng)用，效果良好。

近十年，我國地鐵建設(shè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，各大城市地鐵客流屢創(chuàng)新高，在城市交通中所占比重也越來越高。地鐵在給城市帶來便捷、節(jié)能、環(huán)保出行方式的同時(shí)，也存在著諸多安全問題，比如火災(zāi)、地鐵出軌、人員踩踏等。隨著我國地鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善，在地鐵設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)考慮應(yīng)對(duì)以上災(zāi)害。如針對(duì)火災(zāi)，設(shè)計(jì)有火災(zāi)自動(dòng)探測報(bào)警系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)排煙系統(tǒng)、警鈴、聲光報(bào)警、防火卷簾、應(yīng)急廣播、乘客信息系統(tǒng)、站臺(tái)門、疏散指示系統(tǒng)等防災(zāi)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的聯(lián)合工作是火災(zāi)發(fā)生時(shí)地鐵安全的重要保障。

然而，以上系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，通常由不同單位執(zhí)行，難以確保各系統(tǒng)能否協(xié)同有效工作。傳統(tǒng)方法為：在開通前會(huì)開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試，但由于聯(lián)調(diào)聯(lián)試大部分采取冷煙調(diào)試，無法模擬真實(shí)火災(zāi)，無法測試出真正的排煙效果。

為此，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)了第一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)和裝備。該技術(shù)采用固定面積的油池火來模擬火災(zāi)，采用燃燒煙餅的方式來模擬火災(zāi)煙氣。該技術(shù)可以在地鐵開通前，通過一次試驗(yàn)，檢測地鐵各防災(zāi)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)情況、工作效果和可靠性。

近年來，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院在第一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過自動(dòng)化、模塊化、集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精確控制，研發(fā)形成新一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)熱煙測試技術(shù)和裝置。核心裝置包括：火源和發(fā)煙系統(tǒng)、流速測量系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)等。

圖1 火源和發(fā)煙系統(tǒng)

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)界面

火源和發(fā)煙系統(tǒng)

火源系統(tǒng)：采用自動(dòng)化和模塊化設(shè)計(jì)，由控制箱、燃燒器、空氣箱、風(fēng)機(jī)、燃料箱、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成（見圖1）。原理是通過可控流量的甲醇供應(yīng)系統(tǒng)向燃燒器提供燃料，由可變轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)向燃燒器提供新鮮空氣，甲醇在燃燒器輸出口霧化燃燒，使得系統(tǒng)安全可控，通過精確控制燃料供應(yīng)速度，控制燃燒曲線，可以實(shí)現(xiàn)MW 級(jí)的任意火源功率曲線的精確化輸出?？刂葡到y(tǒng)具備遠(yuǎn)程操作功能（見圖2），響應(yīng)速度50 ms，最遠(yuǎn)可在100 m 外遠(yuǎn)程操控火源系統(tǒng)啟動(dòng)、設(shè)置火源參數(shù)、關(guān)閉等，同時(shí)具備急停功能，確?，F(xiàn)場檢測安全。

發(fā)煙系統(tǒng)：首先通過點(diǎn)燃器點(diǎn)燃煙餅，再通過伺服控制系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)器動(dòng)作，將點(diǎn)燃的煙餅注入燃燒倉。本裝備可無極調(diào)速、精確控制煙餅注入量，實(shí)現(xiàn)不同材料發(fā)煙特性的模擬。

流速測量系統(tǒng)

針對(duì)樓扶梯、站臺(tái)門洞、隧道斷面等流速測量效率低下問題，研發(fā)了可拆卸式組合式阿牛巴流量計(jì)和大斷面隧道流量計(jì)。

可拆卸式組合式阿牛巴流量計(jì)：基于阿牛巴流量計(jì)（是根據(jù)皮托管測速原理發(fā)展起來的一種新型差壓流量檢測式元件，它輸出為差壓信號(hào)，與測量差壓的儀器儀表配套使用，可準(zhǔn)確測量圓形管道、矩形管道中的多種液體、氣體和蒸汽的流量）原理開發(fā)，由固定檢測桿、連接檢測桿、均流管等組成，可通過調(diào)整檢測桿的組合，實(shí)現(xiàn)不同面積斷面流速的一次性測量，測速范圍0 ～30 m/s，可適用于樓扶梯開口、站臺(tái)門等各類截面流速的測量（見圖3）。

大斷面隧道流量計(jì)：由支架、旋轉(zhuǎn)軸、測量靶、驅(qū)動(dòng)單元以及多個(gè)風(fēng)速探頭組成，測量靶安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，并向隧道的徑向延伸，多個(gè)風(fēng)速探頭均勻分布在測量靶上，由驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)測量靶自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，可對(duì)隧道的整個(gè)截面形成風(fēng)速的測量（見圖4）。

圖3 可拆卸式組合式阿牛巴流量計(jì)

圖4 大斷面隧道流量計(jì)

溫度測量系統(tǒng)

溫度測量系統(tǒng)包括分布式組網(wǎng)數(shù)字化溫度測量系統(tǒng)和高溫火焰輻射測溫裝置。

分布式組網(wǎng)數(shù)字化溫度測量系統(tǒng)：主要用于現(xiàn)場煙氣溫度測量，由溫度測量串、傳輸采集模塊和數(shù)據(jù)采集軟件等組成。可實(shí)現(xiàn)幾千個(gè)測量點(diǎn)、數(shù)千米距離范圍的同時(shí)組網(wǎng)測量，測溫精度可達(dá)±0.1℃。

高溫火焰輻射測溫裝置：主要用于現(xiàn)場火源溫度測量，具有非接觸、融合多通道信息、數(shù)字化、寬覆蓋視場、寬動(dòng)態(tài)范圍、高溫溫度動(dòng)態(tài)測量等特點(diǎn)，在2 000℃以上的測溫范圍內(nèi)還能保持測溫誤差＜1%。

技術(shù)優(yōu)勢

相對(duì)于現(xiàn)有地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)，新一代技術(shù)和裝備優(yōu)勢顯著，主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：

精確化

新一代火源系統(tǒng)通過高精度傳感器，精確控制燃料供應(yīng)量，同時(shí)根據(jù)燃料供應(yīng)量，通過可變轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)提供相應(yīng)總量的新鮮空氣，確保充分燃燒。通過精確化控制燃料供應(yīng)量，可以實(shí)現(xiàn)MW 級(jí)的任意火源功率曲線的精確化輸出。

傳統(tǒng)地鐵防災(zāi)系統(tǒng)測試中，采用人工測量單點(diǎn)流速的方式，存在測點(diǎn)位置不均勻、人工測量誤差大等不足，可拆卸式組合式阿牛巴流量計(jì)采取均勻布置吸氣點(diǎn)，一次性測量整個(gè)斷面流速的方式，隧道大斷面流速測量裝置通過旋轉(zhuǎn)測量靶的方式，對(duì)整個(gè)斷面流速進(jìn)行測量，可以有效減少人工誤差、提升測量精度。

高效化

可拆卸式組合式阿牛巴流量計(jì)設(shè)置上百個(gè)測點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)門洞和樓扶梯口斷面流速、流量的整體測量，相對(duì)于傳統(tǒng)人工單點(diǎn)測量，測量效率最高提升80 倍。

隧道大斷面流速測量系統(tǒng)，通過測量靶自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，快速對(duì)整個(gè)隧道斷面流速進(jìn)行測量，測量效率提升顯著。

分布式組網(wǎng)數(shù)字化溫度測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)幾千個(gè)測量點(diǎn)、數(shù)千米距離范圍的同時(shí)組網(wǎng)測量，有效解決了城市軌道交通防災(zāi)安全現(xiàn)場熱煙測試的測量空間大、測點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等傳統(tǒng)熱電偶無法實(shí)現(xiàn)的難題。

自動(dòng)化

通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)置煙餅注入速度、系統(tǒng)啟停等，采取伺服控制系統(tǒng)控制發(fā)煙系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)器動(dòng)作，將點(diǎn)燃的煙餅注入燃燒倉，全程為自動(dòng)化控制，無需人工操作。

火源系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、點(diǎn)火、火源功率曲線設(shè)定、滅火、緊急關(guān)閉系統(tǒng)等操作。

安全

火源系統(tǒng)采用液體燃料霧化后燃燒，而非直接燃燒，通過精確控制霧化量，控制燃燒速度，可隨時(shí)停止燃料供應(yīng)，關(guān)閉燃燒系統(tǒng)。另外，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)置急停按鈕，緊急情況下可切斷燃料供應(yīng)，確保測試安全。通過精確控制新鮮空氣供應(yīng)量，提高燃燒效率，減少一氧化碳等不充分燃燒的產(chǎn)物。主體結(jié)構(gòu)材料選用具有良好耐蝕性、耐熱性、高溫強(qiáng)度和機(jī)械特性的不銹鋼材料，確保設(shè)備穩(wěn)定。

圖5 新一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)在寧波地鐵的應(yīng)用

應(yīng)用案例

中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院正積極推廣新一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)和設(shè)備，目前已經(jīng)在寧波、廣州等地鐵先后進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

根據(jù)測試規(guī)范要求，火源系統(tǒng)現(xiàn)場產(chǎn)生預(yù)設(shè)升功曲線的火災(zāi)，發(fā)煙系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的發(fā)煙速度自動(dòng)發(fā)煙，溫度測量系統(tǒng)自動(dòng)測量和記錄煙氣溫度和火焰溫度，流速測量系統(tǒng)一次性對(duì)整個(gè)斷面流速進(jìn)行測量。

現(xiàn)場應(yīng)用表明，自動(dòng)化火源系統(tǒng)及發(fā)煙裝置能夠自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)發(fā)煙，能夠產(chǎn)生用戶需要的高溫?zé)岘h(huán)境，模擬所需的火災(zāi)功率曲線，能夠根據(jù)用戶需求調(diào)整產(chǎn)煙速度，模擬不同類型火災(zāi)。組合式阿牛巴斷面風(fēng)速測量裝置能夠一次性對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行測量，可增減檢測桿數(shù)量，調(diào)整測量截面高度，調(diào)整測量桿長度，改變測量截面寬度，相比一代技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樓扶梯、站臺(tái)門等斷面流速的快速測量，滿足測試需求。溫度測量系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)整個(gè)車站溫度場進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和記錄（見圖5）。

總體而言，新一代地鐵防災(zāi)系統(tǒng)全尺寸熱煙測試技術(shù)，通過模擬真實(shí)火災(zāi)，并采集各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，能準(zhǔn)確對(duì)防災(zāi)系統(tǒng)防災(zāi)能力進(jìn)行定量分析和評(píng)估，能精確、高效、自動(dòng)檢測地鐵防災(zāi)系統(tǒng)的工作效果，且能確保測試安全。本技術(shù)在寧波地鐵中應(yīng)用情況良好，具備向全國推廣的價(jià)值。[本文作者史聰靈、李建，單位系中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院交通安全研究所；甘立平，單位系四川法瑞檢測設(shè)備有限公司。本文得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51622403），中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2019JBKY12、2019JBKY02），中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院“萬人計(jì)劃”入選人才特殊支持經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（WRJH201801）等項(xiàng)目資助，作者在此表示感謝。]