出口歐洲動車組高壓細水霧系統(tǒng)設計與驗證

楊建學，王 棟，譚大偉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

動車組火災隱患主要分為電氣類火災和人為縱火兩類。電氣類火災多由車輛電纜負載過熱及電氣短路、漏電等情況導致，多數(shù)發(fā)生在車上配電柜以及車下電氣系統(tǒng)。歐洲動車組多為通勤車，具有人流大、人員擁擠的特點，鐵路運營公司普遍不設置安檢系統(tǒng)，一旦起火易引起乘客恐慌，且人員疏散極其困難。列車的內(nèi)裝材料、油漆、膠粘劑等非金屬材料雖然滿足EN 45545—2：2013《鐵路應用—鐵路車輛防火 第2部分：材料和部件的防火性能要求》[1]的阻燃標準，但并非不燃，一旦起火仍會產(chǎn)生大量的有毒氣體及濃煙，造成乘客中毒和窒息。為滿足列車救援要求，歐洲動車組普遍設置高壓細水霧系統(tǒng)。

高壓細水霧系統(tǒng)是目前歐洲軌道車輛應用最廣泛的主動滅火系統(tǒng)，其工作原理是采用純水作為滅火介質(zhì)，以高壓氮氣瓶作為系統(tǒng)的驅(qū)動介質(zhì)。發(fā)生火災時，高壓氮氣瓶的瓶頭閥被打開，之后氮氣會進入水瓶之內(nèi)，將水瓶內(nèi)的水壓出并流入高壓細水霧管道內(nèi)，然后通過高壓細水霧噴頭霧化形成細水霧對車廂內(nèi)的火災實施撲滅、控溫。

1 高壓細水霧系統(tǒng)的優(yōu)點

(1) 自重輕。目前所有軌道車輛對自身系統(tǒng)的減重要求十分苛刻，高壓細水霧系統(tǒng)可最大程度節(jié)省水的用量。

(2) 滿足軌道車輛的長編需求。高壓細水霧系統(tǒng)使用一套瓶組系統(tǒng)即可滿足對整列車的保護，極大減少了系統(tǒng)部件，優(yōu)化了系統(tǒng)結構，減輕了系統(tǒng)自重，降低了系統(tǒng)成本。

(3) 對車上的電氣設備影響小。高壓細水霧顆粒直徑小，細水霧本身對電氣設備的影響非常小，降低了水基滅火介質(zhì)對車輛零部件可靠性的影響。

(4) 可有效控制液體類火災。由于歐洲動車組多數(shù)為長途運行，且沒有安檢措施，有乘客攜帶危險品如酒精、汽油等易燃易爆物品上車的可能性，一旦起火，高壓細水霧因其獨有的特性可直接作用在火源處，起到降溫的效果，能迅速控制火災，而其他類型的滅火方式無法有效控制火災。

2 出口歐洲動車組用高壓細水霧系統(tǒng)平臺設計

2.1 系統(tǒng)構架

歐洲軌道車輛高壓細水霧技術規(guī)范ARGE Guideline-Part1，Part2，Part3[2-4]規(guī)定，當車輛發(fā)生火災時，高壓細水霧系統(tǒng)僅需在著火部位進行噴灑，因此細水霧通常由分區(qū)閥控制對單節(jié)車輛進行噴灑。由于動車組普遍設置了煙感探測器，高壓細水霧系統(tǒng)可配合煙感探測器進行火災探測及撲滅聯(lián)動。系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1 高壓細水霧系統(tǒng)拓撲結構

2.2 細水霧系統(tǒng)噴頭布置

出口歐洲動車組高壓細水霧設計滿足ARGE Guideline-Part2 的要求，即要求客室內(nèi)細水霧不間斷連續(xù)噴灑10 min。德國FOGTEC公司在2014年9月按照ARGE Guideline-Part2 所執(zhí)行的實體火災試驗，其系統(tǒng)架構及試驗結果如圖2、表1所示。此項實體火災試驗經(jīng)第三方機構評估后確定滿足ARGE Guideline-Part2中對于滅火系統(tǒng)的滅火能力試驗驗證的要求。

圖2 FOGTEC實體火災試驗系統(tǒng)架構

參考該試驗采用的設計理念，乘客區(qū)域采用流量系數(shù)為0.232的噴頭(即在10 MPa的工作壓力下，噴頭每分鐘噴水量為2.32 L)，且2個噴頭的間距約為3 m(但不大于3.6 m)時，可滿足ARGE Guideline-Part2的要求。根據(jù)設計經(jīng)驗，單節(jié)車廂長25 m左右的動車組布置8個左右細水霧噴頭即可覆蓋全車，實際噴頭布置數(shù)量可根據(jù)車輛實際情況在滿足原則的基礎上進行調(diào)整。

表1 實體火災試驗結果

2.3 高壓細水霧瓶組的水量配置計算及仿真

采用流量系數(shù)為0.232的噴頭，則8個噴頭在10 MPa工作壓力下10 min的噴水量W約為：W=10×2.32 L×8=185.6 L,取180 L；在實際配比過程中，根據(jù)運用經(jīng)驗氮氣和水的比例約為1∶3時噴水量及霧型較好，初始壓力取2倍于噴頭的工作壓力即20 MPa。因此，在高壓細水霧瓶組的裝水量為180 L、初始壓力為20 MPa的條件下，對噴灑10 min后的剩余水量和剩余壓力進行仿真[5-7]，結果如表2、圖3所示。

表2 每分鐘的剩余水量及壓力仿真結果

圖3 高壓細水霧剩余壓力和剩余水量仿真曲線

通過仿真可知，裝滿180 L水量的水瓶噴放結束后，殘留在水瓶內(nèi)的水約為8.54 L，剩余壓力約為5.190 MPa，考慮水管壓降約1～1.5 MPa，則實際噴頭處的剩余壓力約為4.19～3.69 MPa，滿足NFPA 750：2019 《細水霧消防系統(tǒng)標準》[6]中規(guī)定的高壓細水霧剩余壓力不低于3.5 MPa要求。仿真結果表明，180 L的水量完全可以滿足8個噴頭的設計需要，剩余的8.54 L水作為實際噴水誤差，滿足ARGE指令對于滅火系統(tǒng)噴水的要求。

2.4 高壓細水霧瓶組系統(tǒng)1∶1噴放驗證試驗

為了驗證仿真計算的準確性進行了實物模擬試驗。試驗條件：3個60 L水瓶, 2個30 L 氮氣瓶， 8個流量系數(shù)為0.232 的噴頭，配合采用直徑12 mm、壁厚1.5 mm的高壓細水霧不銹鋼管道。高壓細水霧瓶組單元及試驗模型冷噴試驗現(xiàn)場如圖4、圖5所示。

圖4 高壓細水霧瓶組單元

圖5 高壓細水霧1∶1模型冷噴試驗現(xiàn)場

2個壓力傳感器分別設置在管道內(nèi)和水瓶外，以監(jiān)測系統(tǒng)噴放過程中壓力降低的全過程。在整個噴放過程中的壓降曲線如圖6所示。

圖6 高壓細水霧模擬噴放試驗壓降曲線

由于安裝空間受限，壓力傳感器無法直接安裝在氮氣瓶內(nèi)，測試過程中將壓力傳感器安裝在水瓶外，故測試壓力較實際壓力偏低。實物模擬試驗結果顯示，600 s(10 min)時刻噴頭壓力為4 MPa,與仿真結果一致，能滿足NFPA750：2019對于高壓細水霧工作壓力的要求，因此該系統(tǒng)設計上可以滿足ARGE Guideline-Part2 的要求，平臺設計合理。

3 結束語

高壓細水霧主動滅火系統(tǒng)是在車輛防火材料外對防火安全的改善和補充[8-10]。本文搭建的出口歐洲動車組高壓細水霧系統(tǒng)的平臺，可為后續(xù)出口歐州動車組高壓細水霧系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。