城市軌道交通列車客室火災(zāi)主動(dòng)預(yù)測(cè)報(bào)警裝置布置方案研究*

張克姝 厲志強(qiáng) 李大燕

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 266111， 青島； 2.奧雅納工程咨詢(上海)有限公司， 200031， 上?！蔚谝蛔髡?， 正高級(jí)工程師)

城市軌道交通列車內(nèi)部空間較小，若發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的煙塵及熱氣容易在車廂內(nèi)快速累積并沉降至人員活動(dòng)空間。采取技術(shù)防范措施，在火災(zāi)初期對(duì)車廂環(huán)境進(jìn)行探測(cè)并及時(shí)采取控制措施，可提高列車的安全性，確保乘客人身安全。

目前，對(duì)城市軌道交通列車火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝，業(yè)內(nèi)并沒(méi)有制定詳細(xì)的要求。有些標(biāo)準(zhǔn)僅提出火災(zāi)探測(cè)報(bào)警設(shè)備的布置位置，但在探測(cè)器數(shù)量及類型等方面均無(wú)明確的規(guī)定。本文對(duì)列車客室區(qū)域的主動(dòng)預(yù)測(cè)報(bào)警裝置的布置方案進(jìn)行深入研究。

1 車廂特點(diǎn)及對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的特殊要求

城市軌道交通列車具有特殊的空間特點(diǎn)及運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，其火災(zāi)也具有特殊性。為保證人員的生命安全，需確?；馂?zāi)探測(cè)系統(tǒng)早期探測(cè)和報(bào)警的準(zhǔn)確性。

1.1 列車客室車廂特點(diǎn)

1) 列車車廂狹長(zhǎng)封閉?？褪臆噹麨楠M長(zhǎng)的密閉型空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，所產(chǎn)生的煙氣和熱量容易蓄積，進(jìn)而影響人員的安全。

2) 列車載客數(shù)量多。1列城市軌道交通列車在滿負(fù)荷運(yùn)營(yíng)時(shí)，A型車的定員可達(dá)2 500人，B型車的定員可達(dá)1 500人。一旦發(fā)生火災(zāi)，容易造成大量人員傷亡。

3) 列車可燃物的特殊性。列車內(nèi)部的主要可燃物包括座椅、內(nèi)飾板、電器件等，如圖1所示。此外，乘客行李也是引發(fā)列車內(nèi)火災(zāi)的主要可燃物，其組成物質(zhì)與燃燒特性不固定。

4) 列車由若干節(jié)車廂連接構(gòu)成。火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)探測(cè)和聯(lián)動(dòng)均需要傳輸至中央控制平臺(tái)(一般位于司機(jī)室)，因而，各車廂間的連接也是火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

圖1 列車內(nèi)可燃物占比分析Fig.1 Analysis of the proportion of combustible matter in train

1.2 火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的適用性分析

列車火災(zāi)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮人員如何不受到火、煙的威脅尤為重要。目前國(guó)內(nèi)外城市軌道交通列車多采用煙溫復(fù)合探測(cè)器和吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)器，這些探測(cè)器響應(yīng)靈敏，可用于不同的探測(cè)環(huán)境。

由于車廂材料及乘客行李燃燒特性具有多樣化的特征，故在火災(zāi)早期階段其主要燃燒產(chǎn)物并不固定，建議可針對(duì)車廂內(nèi)的煙氣及溫度進(jìn)行復(fù)合式探測(cè)。城市軌道交通線路的站間距一般較小，列車進(jìn)站后車廂門開啟頻繁，對(duì)車廂內(nèi)氣流組織的穩(wěn)定性有一定的影響。因此，建議可采用吸氣式感煙探測(cè)系統(tǒng)，以便在早期探測(cè)到火災(zāi)發(fā)生。

根據(jù)列車客室區(qū)域發(fā)生火災(zāi)的特點(diǎn)，以及各類探測(cè)器的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，本文對(duì)各類探測(cè)器的適用性進(jìn)行分析，如表1所示。

2 列車火災(zāi)探測(cè)布置方案火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬分析

本文采用CFD(計(jì)算流體力學(xué))模擬方式，以列車的端部車廂為例，分析列車客室區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生火災(zāi)的部位及燃燒材料的特性，并開展必要的火災(zāi)場(chǎng)景模擬，以獲取火場(chǎng)煙氣、溫度等參數(shù)隨時(shí)間的發(fā)展變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析火災(zāi)探測(cè)器的布置方案。仿真模擬所采用的CFD軟件為FDS (火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件)。

2.1 創(chuàng)建車廂火災(zāi)模型

列車的端部車廂包括駕駛室及客室區(qū)。客室區(qū)內(nèi)車廂兩側(cè)均設(shè)有座椅。列車端部有直流柜，客室區(qū)兩側(cè)各有5個(gè)側(cè)門及4扇玻璃窗。FDS模型的車廂外觀如圖2所示。

表1 列車客室區(qū)域內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器的適用性分析

圖2 FDS模型的車廂外觀效果圖Fig.2 Rendering of compartment appearance in FDS model

考慮計(jì)算域單元格的大小及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，將車廂內(nèi)所有可燃物的表面離散為0.04 m2(即邊長(zhǎng)0.2 m的正方形)的燃料單元，如圖3所示。

a) 地板燃料表面離散化示意圖

b) 墻面及座椅離散化示意圖圖3 列車端部車廂內(nèi)可燃物表面的離散化示意圖

車廂FDS模型輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2，起火源的HRR(熱釋放速率)隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

表2 車廂內(nèi)可燃物的部分參數(shù)

圖4 車廂內(nèi)起火源的HRR-時(shí)間曲線Fig.4 HRR-time curve of fire source in compartment

2.2 設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景及車廂探測(cè)器布置方案

在防火安全設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的兩個(gè)重要因素為火災(zāi)發(fā)生的概率和火災(zāi)所導(dǎo)致的結(jié)果。美國(guó)的Coles等研究人員提出了一個(gè)城市軌道交通列車火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估框架，該框架涵蓋了起始火源引發(fā)火災(zāi)的概率及其可能產(chǎn)生的后果。參考該研究結(jié)果，本文選取了兩個(gè)火災(zāi)模擬場(chǎng)景，分別為場(chǎng)景一(火源位置位于車廂中部座椅)和場(chǎng)景二(火源位置位于車廂末端角落地面)，如圖5所示。兩個(gè)場(chǎng)景的具體設(shè)定如下：①環(huán)境初始溫度均為20 ℃；②火災(zāi)類型為超快速火；③HRR峰值為 700 kW，持續(xù)時(shí)間為264 s。

a) 場(chǎng)景一

b) 場(chǎng)景二圖5 兩個(gè)火災(zāi)模擬場(chǎng)景火源位置示意圖

兩個(gè)場(chǎng)景下均采用感煙感溫復(fù)合探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。如圖6所示，探測(cè)器的具體布置方案有3種：①方案一，在回風(fēng)口設(shè)置2個(gè)探測(cè)器；②方案二，在客室中央設(shè)置1排探測(cè)器，探測(cè)器的總數(shù)為5個(gè)；③方案三，在客室兩側(cè)各設(shè)置1排探測(cè)器，探測(cè)器的總數(shù)為10個(gè)。

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三圖6 客室車廂內(nèi)感煙感溫復(fù)合探測(cè)器的布置方案

2.3 模擬結(jié)果分析

本場(chǎng)景假設(shè)發(fā)生恐怖襲擊，模擬人為縱火、概率極小的極端火災(zāi)，火源為3.758 L 汽油(C7H16)，且具有0.25 m2的表面積。

場(chǎng)景一和場(chǎng)景二下各探測(cè)器布置方案的響應(yīng)時(shí)間分別如表3和表4所示，兩個(gè)場(chǎng)景下各探測(cè)器布置方案的最短響應(yīng)時(shí)間匯總?cè)绫?所示。各模擬場(chǎng)景下CO探測(cè)器均未啟動(dòng)。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 不同探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間分析

在相同的火災(zāi)場(chǎng)景下，在相同的探測(cè)位置采用不同種類探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，其響應(yīng)時(shí)間有明顯的區(qū)別：感煙探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間較短，感溫探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。由于列車結(jié)構(gòu)和可燃物分布情況，發(fā)生不完全燃燒的可能性較低，產(chǎn)生的CO濃度較低，且遠(yuǎn)低于CO探測(cè)器的報(bào)警閾值，因此CO探測(cè)器均未啟動(dòng)。

表3 場(chǎng)景一下各探測(cè)器布置方案的響應(yīng)時(shí)間

表4 場(chǎng)景二下各探測(cè)器布置方案的響應(yīng)時(shí)間

表5 兩個(gè)場(chǎng)景下各探測(cè)器布置方案的最短響應(yīng)時(shí)間匯總

對(duì)于單節(jié)列車車廂來(lái)說(shuō)，在場(chǎng)景一和場(chǎng)景二下，根據(jù)不同探測(cè)點(diǎn)距離起火源的遠(yuǎn)近，感煙探測(cè)器達(dá)到響應(yīng)閾值的時(shí)間差值約為34 s，而布置在不同位置的感溫探測(cè)器達(dá)到響應(yīng)閾值的時(shí)間差值可能超過(guò)90 s，最靠近火源的感溫探測(cè)器達(dá)到閾值的時(shí)間也需要約42 s。考慮到不同火源位置、不同可燃物布局對(duì)火災(zāi)蔓延的影響，若僅靠少數(shù)感溫探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，其響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)超過(guò)2 min。

本文所模擬的火災(zāi)是起火源較大且火勢(shì)蔓延迅速的場(chǎng)景，如果起火源較小，那么發(fā)生火災(zāi)后感溫探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間將更長(zhǎng)。此外，考慮到列車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的作用，感溫探測(cè)器可能會(huì)出現(xiàn)不報(bào)警的情況。

2.4.2 不同探測(cè)器布置方案探測(cè)結(jié)果分析

上文所述的3種不同探測(cè)器布置方案中，探測(cè)器布置越密集，啟動(dòng)時(shí)間則越早。分別沿著車廂長(zhǎng)度和寬度方向增加探測(cè)器布置密度并進(jìn)行模擬測(cè)試，發(fā)現(xiàn)沿車廂長(zhǎng)度方向上增加測(cè)點(diǎn)對(duì)縮短響應(yīng)時(shí)間的效果更為明顯。

2.4.3 建議的探測(cè)器布置方案

綜合考慮在客室內(nèi)不同位置發(fā)生不同功率的火災(zāi)場(chǎng)景、車廂內(nèi)可燃物布局的差異、車廂內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的影響、探測(cè)器報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素，本文建議采用方案二。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合城市軌道交通列車火災(zāi)的特點(diǎn)，對(duì)客室區(qū)域內(nèi)火災(zāi)主動(dòng)預(yù)測(cè)報(bào)警裝置方案進(jìn)行了研究，認(rèn)為感煙感溫復(fù)合探測(cè)器可在火災(zāi)發(fā)生初期有效探測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，沿車廂長(zhǎng)度方向設(shè)置多個(gè)探測(cè)器是經(jīng)濟(jì)、有效的布置方案。