基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 輝，萬(wàn)小軍

（1.廣州電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510610；2.上海同泰火安科技有限公司，上海 201799）

在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電力變電站屬于核心環(huán)節(jié)，電力網(wǎng)的運(yùn)行情況直接受變電站重要性的影響[1]。在城市的電力系統(tǒng)中變電站的數(shù)量較多，其主要作用是為系統(tǒng)運(yùn)行提供變電支撐。弱電和強(qiáng)電電氣設(shè)備是構(gòu)成變電站的主要組件，油浸主變變壓器具有儲(chǔ)油量高、電能高的特點(diǎn)，變電站中存在的帶電設(shè)備是重點(diǎn)火災(zāi)設(shè)備。沙子、滅火器是變電站內(nèi)常用的消防設(shè)施，被動(dòng)型消防設(shè)施是變電站外常用的消防手段，包括消防栓等。大部分電氣設(shè)備在變電站系統(tǒng)中均沒(méi)有滅火系統(tǒng)，導(dǎo)致火災(zāi)事故在變電站系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中頻發(fā)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)優(yōu)于現(xiàn)有的滅火系統(tǒng)[2]，因此研究并分析自動(dòng)滅火系統(tǒng)具有重要意義。

文獻(xiàn)[3]分析了管網(wǎng)在滅火系統(tǒng)中的水力特性，根據(jù)分析結(jié)果確定支管噴頭的流量，在此基礎(chǔ)上得到末端水壓和支管出流量之間的關(guān)系，完成滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)存在效率低的問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]分析了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的基本要求，在基本要求的基礎(chǔ)上調(diào)整滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，選取最優(yōu)型號(hào)的噴頭，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該方法存在水霧生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)和火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)的問(wèn)題。為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

將火焰?zhèn)鞲衅鱗5]設(shè)置在細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中，利用火焰?zhèn)鞲衅鳙@取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的信息，通過(guò)融合信息檢測(cè)火勢(shì)情況。

（1）設(shè)置火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的火災(zāi)識(shí)別框架I，包括不確定度、無(wú)火災(zāi)和有火災(zāi)；

（2）采用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，在模糊隸屬度函數(shù)[6-7]的基礎(chǔ)上根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)計(jì)算不同時(shí)刻多個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鞯碾`屬度函數(shù)值；

（3）在每次測(cè)量過(guò)程中通過(guò)下述公式計(jì)算不同火焰?zhèn)鞲衅鞯目尚哦取?/p>

用a 表示細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中的火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)量，上述火焰?zhèn)鞲衅鞑杉絯 個(gè)火災(zāi)檢測(cè)結(jié)果，用Ck表示所有火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)結(jié)果k 檢測(cè)的平均值，可通過(guò)下式計(jì)算得到：

式中：Cik描述的是單個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)結(jié)果。

建立信任函數(shù)fmn，該函數(shù)描述的是針對(duì)火災(zāi)檢測(cè)結(jié)果k，火焰?zhèn)鞲衅鱩 和火焰?zhèn)鞲衅鱪 的信任度比值，其表達(dá)式如下：

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，建立判別矩陣Fk：

計(jì)算結(jié)果即為火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰檢測(cè)結(jié)果的支持程度。

1.2 系統(tǒng)工作流程

基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

火焰?zhèn)鞲衅鳟?dāng)現(xiàn)場(chǎng)煙霧和濃度較高時(shí)，會(huì)向PLC 發(fā)送信號(hào)[8-9]，控制器再將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給消防中心，在同一時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的水泵和電機(jī)，并傳輸顯示噴放指示和聲光報(bào)警。利用電磁閥控制系統(tǒng)噴細(xì)水霧。操作人員同時(shí)也可以控制關(guān)停和啟動(dòng)按鈕，并檢測(cè)過(guò)濾器在系統(tǒng)中的降壓，以及水流在管路中的壓力，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制電機(jī)的狀態(tài)。在滅火過(guò)程中火焰?zhèn)鞲衅鞯闹饕饔檬窍蛴?jì)算機(jī)反饋火場(chǎng)溫度信號(hào)。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、火災(zāi)危險(xiǎn)性以及細(xì)水霧特性設(shè)計(jì)細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)Tab.1 System basic parameters

1.4 水力計(jì)算

通過(guò)式（5）確定系統(tǒng)噴頭的流量w：

式中：L 描述的是工作狀態(tài)下噴頭的壓力；A 描述的是流量特性系數(shù)。

細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)通過(guò)式（6）計(jì)算流量WJ：

式中：wi代表的是細(xì)水霧噴頭在系統(tǒng)中的實(shí)際流量；n 代表的是細(xì)水霧噴頭在系統(tǒng)中的實(shí)際數(shù)量。

利用式（7）計(jì)算細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量WS：

式中：l 為在區(qū)間［1.05，1.10］內(nèi)取值的安全系數(shù)。

通過(guò)式（8）設(shè)計(jì)儲(chǔ)水箱在細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中的儲(chǔ)水量Ec：

式中：t 描述的是噴水頭在滅火系統(tǒng)中噴水的持續(xù)時(shí)間。

管道沿程水頭在系統(tǒng)中的損失o 為

式中：dt描述的是管段內(nèi)徑；g 描述的是摩擦系數(shù)；ρ 為水的密度；W 為管段流量。

1.5 細(xì)水霧自動(dòng)控制

根據(jù)成熟的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)[10-11]以及消防協(xié)會(huì)的細(xì)水霧消防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法組合機(jī)械應(yīng)急控制、手動(dòng)控制和自動(dòng)控制3 種控制方式提高細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的可靠性和敏感性。

細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中的細(xì)水霧控制模塊采用220 V 交流電的CPU224 供電方式，并在模塊中引入EM231 擴(kuò)展模塊，該模塊的主要作用是增強(qiáng)信號(hào)在細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中的傳遞。細(xì)水霧控制模塊在細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 細(xì)水霧控制模塊Fig.2 Water mist control module

感煙探測(cè)器通過(guò)擴(kuò)展模塊EM235 布置在封閉環(huán)境的內(nèi)部，如果現(xiàn)場(chǎng)的火災(zāi)特征表現(xiàn)為由濃煙轉(zhuǎn)為明火時(shí)，第一個(gè)探測(cè)器在火源周圍采集到的信號(hào)傳遞到細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的CPU 中，系統(tǒng)識(shí)別信號(hào)，并連接電機(jī)在系統(tǒng)中的電源線。當(dāng)細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的其他感煙探測(cè)器也探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)后，在第一時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)電機(jī)，如果電機(jī)在細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)打開(kāi)電磁閥，通過(guò)管道高壓水流得以釋放，并在細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)中顯示水泵出口的壓力狀態(tài)。

如果細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鞑杉男盘?hào)啟動(dòng)時(shí)[12-13]，需要手動(dòng)控制細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的控制器，具體控制流程如圖3 所示。

圖3 細(xì)水霧控制流程Fig.3 Water mist control flow chart

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)特點(diǎn)為不存在明顯煙霧，但前期火焰明顯的火災(zāi)類型時(shí)，傳感器有可能探測(cè)不到火災(zāi)信號(hào)，手動(dòng)控制器的作用就是在這種情況下啟動(dòng)細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)[14-15]。將手動(dòng)開(kāi)啟信號(hào)傳遞到細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的CPU 中，CPU 根據(jù)接收到的信號(hào)控制火災(zāi)指示燈，并顯示細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體有效性，需要做相關(guān)測(cè)試。系統(tǒng)接收現(xiàn)場(chǎng)火焰信息的時(shí)間直接影響著控制器控制水閥打開(kāi)的時(shí)間，分別采用基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[3]方法（自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法的研究）和文獻(xiàn)[4]方法（倉(cāng)儲(chǔ)建筑自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析）采集現(xiàn)場(chǎng)的火焰信息。

文獻(xiàn)[3]方法在滅火系統(tǒng)水力特性分析的基礎(chǔ)上，明確了支管噴頭的流量，進(jìn)一步控制了末端水壓和支管出流量；文獻(xiàn)[4]方法在分析細(xì)水霧滅火系統(tǒng)基本要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)整的滅火參數(shù)，選取了最優(yōu)型號(hào)的噴頭，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)比不同方法的信息接收時(shí)間和控制器啟動(dòng)時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

分析圖4 可知，在多次實(shí)驗(yàn)中所提方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集信息所用的時(shí)間均控制在10 s 以內(nèi)，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息采集時(shí)間所用的時(shí)間均高于10 s，由此可知，所提方法信息采集時(shí)間較短；分析圖5 可知，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的控制器啟動(dòng)時(shí)間均高于信息接收時(shí)間，因?yàn)橄到y(tǒng)要根據(jù)接收的信息控制控制器的啟動(dòng)，信息采集時(shí)間越短控制器所用時(shí)間越短，兩者之間呈正比。表明所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的效率，是因?yàn)樗岱椒▽⒒鹧鎮(zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，并融合了傳感器采集的信息，可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲取現(xiàn)場(chǎng)火焰環(huán)境信息，從而提高了系統(tǒng)的效率。而對(duì)比傳統(tǒng)方法在獲取火情信息方面較為薄弱，所以啟動(dòng)控制器的時(shí)間較短。

圖4 信息接收時(shí)間Fig.4 Information reception time

圖5 控制器啟動(dòng)時(shí)間Fig.5 Controller startup time

水霧生成時(shí)間對(duì)系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響，水霧生成時(shí)間越短，系統(tǒng)越可以在短時(shí)間內(nèi)完成滅火，相反，水霧生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)滅火所用的時(shí)間越長(zhǎng)。所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的水霧生成時(shí)間如圖6 所示。

圖6 水霧生成時(shí)間Fig.6 Mist generation time

由圖6 可知，在多次測(cè)試中，所提方法生成水霧的時(shí)間在50 ms 上下波動(dòng)，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法生成水霧的時(shí)間在70 ms 和80 ms 附近波動(dòng)，通過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)生成水霧所用的時(shí)間遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)生成水霧所用的時(shí)間，因?yàn)樗岱椒稍谳^短時(shí)間內(nèi)采集現(xiàn)場(chǎng)的信息，利用模糊隸屬度函數(shù)計(jì)算了不同火焰?zhèn)鞲衅鞯目尚哦?，能夠快速判斷火焰檢測(cè)結(jié)果的支持程度，并且當(dāng)溫度信號(hào)和煙霧信號(hào)低于報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)的PLC 便會(huì)立即進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，進(jìn)而縮短了生成水霧所用的時(shí)間。而對(duì)比的方法雖然可以較好地控制水霧流量、調(diào)整滅火參數(shù)，但由于對(duì)火情判斷的時(shí)間較長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)了水霧生成的時(shí)間。

將火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x作為指標(biāo)，驗(yàn)證所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)安全性，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果火焰沒(méi)有被及時(shí)撲滅，那么火焰?zhèn)鞑サ木嚯x將不斷增長(zhǎng)，以此為依據(jù)測(cè)試上述方法的性能，為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選取兩個(gè)不同環(huán)境測(cè)試，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同方法的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xFig.7 Flame spread distance for different methods

由圖7 可知，在不同環(huán)境中所提方法的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均在0.2 m 以內(nèi)，且在實(shí)驗(yàn)環(huán)境1 中的火焰高度在2.5 s 時(shí)為0，表明系統(tǒng)經(jīng)過(guò)2.5 s 時(shí)已經(jīng)撲滅了火焰，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境2 中，經(jīng)過(guò)2.0 s 撲滅了火焰。而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，表明以上兩種方法的系統(tǒng)安全性較差。因?yàn)楸疚乃岱椒ǜ鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等信息計(jì)算水力大小，調(diào)整火系統(tǒng)的基本參數(shù)，聯(lián)合水霧控制模塊，實(shí)現(xiàn)了水霧自動(dòng)控制，可以有效撲滅火焰。而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火情的研判方面較弱，欠缺及時(shí)判斷火焰的燃燒發(fā)展情況，所以在抑制火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x方面的性能有待提高。

3 結(jié)語(yǔ)

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境無(wú)害、用水量少、誤動(dòng)作損失小等優(yōu)點(diǎn)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)隨著人們對(duì)防火滅火和環(huán)境保護(hù)觀念的轉(zhuǎn)變成為消防界的研究熱點(diǎn)。目前滅火系統(tǒng)存在系統(tǒng)效率低、水霧生成時(shí)間長(zhǎng)、火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)等問(wèn)題。為了解決存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)。融合多個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鞑杉男畔?，可以快速獲取火情信息，縮短了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，使用模糊隸屬度函數(shù)快速判斷火焰檢測(cè)結(jié)果的支持程度，根據(jù)判斷結(jié)果計(jì)算水力大小，自動(dòng)調(diào)整滅火參數(shù)，解決了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)縮短了信息接收與啟動(dòng)的時(shí)間，縮短了水霧生成時(shí)間，降低了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，實(shí)現(xiàn)了快速高效地滅火。由于時(shí)間和精力有限，此次研究仍存在不足之處，在船舶等特殊環(huán)境下的有效滅火范圍方面有待完善。在未來(lái)的研究中，擬從計(jì)算分支管路壓力損失方面入手，將系統(tǒng)布設(shè)到特殊環(huán)境，進(jìn)一步優(yōu)化滅火范圍。