翟月 肖景洋
作者簡(jiǎn)介:
翟月(1985- ),女,滿族,遼寧開原人,本科,機(jī)械工程師,研究方向:機(jī)械。
摘要:
近年來軌道交通發(fā)展迅猛,而軌道交通消防安全一直是備受人們關(guān)注的重要課題。新版ARGE Guideline《鐵路車輛消防》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)城市軌道交通車載細(xì)水霧主動(dòng)消防系統(tǒng)作出了相應(yīng)技術(shù)要求。本文依據(jù)ARGE Guideline標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合中國(guó)地鐵車輛的制式條件,測(cè)試分析車載細(xì)水霧系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況和空間條件限制,在軌道交通車輛乘客區(qū)域消防用瓶組式低壓、高壓細(xì)水霧控滅火系統(tǒng)的測(cè)試和評(píng)估方面得到了初步測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:瓶組;低壓;高壓;車載細(xì)水霧
引言
軌道交通車輛運(yùn)行過程中的安全受到人們的廣泛關(guān)注,其中危害最大的是軌道交通車廂客室內(nèi)的火災(zāi)。一旦出現(xiàn)車廂內(nèi)起火情況,在車廂封閉空間內(nèi)的有毒有害氣體迅速蔓延,將造成巨大的人員傷亡與公共財(cái)產(chǎn)損失。細(xì)水霧系統(tǒng)被認(rèn)為是一種高效節(jié)約的滅火與防護(hù)手段,可以在火災(zāi)發(fā)生初期遏制火災(zāi)發(fā)展,控制火災(zāi)規(guī)模、降低火災(zāi)危險(xiǎn)性。在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的細(xì)水霧系統(tǒng)方式,對(duì)保障經(jīng)濟(jì)效益、提升軌道交通設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。
一、ARGE Guideline
ARGE Guideline《城市軌道交通車輛細(xì)水霧滅火系統(tǒng)》中明確了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)能撲滅或抑制表2中規(guī)定的火源類型或滿足城市軌道交通車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求,但撲滅或抑制的滅火性能不應(yīng)低于表2中規(guī)定的火源類型。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)表2火源類型進(jìn)行滅火,環(huán)境參數(shù)應(yīng)滿足附表1規(guī)定的要求。
本文圍繞旅行袋火源展開測(cè)試,采用了不同型式的典型噴頭進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總,引入了汽油火進(jìn)行對(duì)比。
二、系統(tǒng)控火效能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)在一節(jié)列車車廂里進(jìn)行,車廂長(zhǎng)為19m,寬為28m,最大高度為2354m,還原了真實(shí)車廂全尺寸結(jié)構(gòu)。依據(jù)地鐵車廂實(shí)際情況,單節(jié)車廂分為2個(gè)防火分區(qū),1個(gè)防火分區(qū)內(nèi)同時(shí)開啟4個(gè)水霧噴頭。如圖1(a)所示,噴頭安裝高度均為2.04m,左起第一個(gè)細(xì)水霧噴頭位于距離左端115m處,然后從左至右以258m、22m、154m的間隔沿著中軸線依次安裝其余3個(gè)噴頭。當(dāng)應(yīng)用單相流噴頭組時(shí),僅安裝了3個(gè)噴頭,氮?dú)馄繅毫?0Mpa,容量為50L,所用水罐一次性可儲(chǔ)水60L;當(dāng)應(yīng)用雙相流噴頭組時(shí),沿軸線安裝了4個(gè)噴頭,所用水罐一次性可儲(chǔ)水80L[1]。
車廂的頂棚、側(cè)壁以及地面均可視作絕熱,車廂內(nèi)部?jī)蓚?cè)各有一組高45cm、寬48cm、長(zhǎng)180cm的座椅。燃燒物分別置于車廂中部、座椅上部和座椅下部。其布置形式如圖1。
在火源一側(cè)同樣水平位置處放置兩個(gè)煙氣分析儀探頭,距地面高度為1.7m,兩個(gè)煙氣分析儀型號(hào)均為德國(guó)Testo350煙氣分析儀,測(cè)量時(shí)間間隔為1s,可監(jiān)視區(qū)域內(nèi)
CO、CO2、NO以及NOx氣體的濃度,用以表征煙氣特征。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)更有說服力,測(cè)試噴頭選用了五種不同型號(hào)噴頭,對(duì)五種噴頭的霧密度均勻度進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試,詳見表3。
極差=最大測(cè)得值-最小測(cè)得值;標(biāo)準(zhǔn)差指的是所有50個(gè)測(cè)點(diǎn)處測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差;平均值指的是所有50個(gè)測(cè)點(diǎn)處測(cè)量值的平均值。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
軌道交通細(xì)水霧系統(tǒng)控火效能的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證從測(cè)試噴頭組的冷卻能力、衰減熱釋放以及煙氣抑制能力三個(gè)方面開展,燃燒物燃燒與滅火過程中的溫度、輻射熱通量、多種煙氣氣體濃度等特征參數(shù)被實(shí)時(shí)采集,實(shí)驗(yàn)全程用一臺(tái)DV攝像機(jī)記錄。
(一)水霧系統(tǒng)冷卻能力對(duì)比
在行李袋滅火實(shí)驗(yàn)中,預(yù)燃100s后開啟滅火,五種噴霧系統(tǒng)行李袋上方附近熱電偶溫度數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化情況,發(fā)現(xiàn)均能成功使燃燒的行李袋附近溫度快速降低至室溫,噴頭之間差異并不明顯。這是因?yàn)椴徽撌俏挥谲噹胁?、座椅上部還是座椅下部[2],行李袋燃燒產(chǎn)生的明火較易撲滅,其中當(dāng)行李袋位于車廂中部時(shí),完成冷卻的時(shí)間大約為60s。當(dāng)行李袋位于座椅上方時(shí),完成冷卻的時(shí)間大約為80s。當(dāng)行李袋位于座椅下部時(shí),完全冷卻的時(shí)間約為50s??讖綖?mm的8孔雙相噴頭與k系數(shù)為0.9的5孔單相噴頭的冷卻速率稍快于其他噴頭,恢復(fù)至室溫所需的時(shí)間更短,表明其冷卻能力較強(qiáng)。在噴霧結(jié)束后檢查燃燒殘留物時(shí),發(fā)現(xiàn)雖然明火被快速撲滅,但行李袋內(nèi)的棉布、塑料杯、膠鞋等材料仍處于陰燃狀態(tài),并持續(xù)釋放有害煙氣。
油盤滅火實(shí)驗(yàn)所用油盤尺寸為30cm×30cm,預(yù)燃時(shí)間為20s,測(cè)試了行李袋滅火實(shí)驗(yàn)中冷卻效果較好的兩種噴頭,分別是孔徑為1mm的8孔雙相噴頭與k系數(shù)為09的5孔單相噴頭,進(jìn)一步研究其在抑制液體燃燒時(shí)的冷卻性能。相較于無噴霧情況,兩類噴頭均在80s內(nèi)完成了快速冷卻,而不施加細(xì)水霧時(shí),燃燒過程持續(xù)了將近270s。這是因?yàn)獒尫胖粱鹧鎱^(qū)域的細(xì)水霧與周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速熱交換,從而降低了油盤附近空氣溫度,進(jìn)而抑制燃料的蒸發(fā)與燃燒。值得注意的是,采用k系數(shù)為0.9的5孔單相噴頭進(jìn)行滅火時(shí),油盤附近溫度下降到室溫后出現(xiàn)了兩次回升,主要原因是由于細(xì)水霧噴頭距離汽油表面的距離較遠(yuǎn),水霧在油盤附近的動(dòng)量較小,無法穿透火焰并徹底滅火。噴霧卷吸的氣流與火焰的相互作用導(dǎo)致火焰變形,因此可觀測(cè)到火焰中心正上方溫度波動(dòng)現(xiàn)象。
(二)熱輻射抑制效果對(duì)比
熱輻射通量是火焰的一項(xiàng)重要熱力學(xué)特征,表示周圍環(huán)境或物體受到的潛在輻射熱量,影響著火災(zāi)的蔓延傳播。行李袋燃燒時(shí),固體燃燒物的形態(tài)存在隨機(jī)性,所以熱輻射重復(fù)測(cè)試結(jié)果一致性比汽油燃燒稍差,但曲線變化趨勢(shì)具有相似性[3]。
在旅行袋燃燒滅火實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試了五種不同噴頭組對(duì)燃燒輻射熱的抑制效果,展示了滅火過程中輻射熱的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)在施加細(xì)水霧后,輻射熱通量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),其最大值均達(dá)到300W/m2以上,遠(yuǎn)超過了旅行袋自由燃燒時(shí)的熱通量,在雙相噴頭測(cè)試中這種現(xiàn)象更加明顯,這是因?yàn)閲婌F的施加加劇了火焰的不穩(wěn)定性,使火焰向周圍不規(guī)則發(fā)展,在短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)化了燃燒現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致輻射熱的增加。細(xì)水霧的施加明顯使輻射熱衰減過程中的下降速率變快,這主要是細(xì)水霧通過冷卻降溫有效抑制了火焰,降低了區(qū)域能見度從而直接起到衰減熱輻射的效果。
(三)水霧系統(tǒng)抑煙效果對(duì)比
由于1000mL汽油在210cm*35cm油盤中燃燒,而500mL汽油在30cm*30cm油盤中燃燒,因此1000mL汽油燃燒的煙氣產(chǎn)生速率和總量都顯著高于500mL汽油,其中小油盤燃燒的CO最高濃度在80-100PPM之間,而大油盤汽油燃燒的在165PPM左右??捎^察到,在距離火源4m遠(yuǎn)的CO濃度略大于2m遠(yuǎn)處的CO濃度。這是因?yàn)楦邷責(zé)煔獾穆舆^程是首先向上到達(dá)車廂頂棚,然后沿著頂棚蔓延。當(dāng)車廂頂部的煙氣到達(dá)車廂兩端后,再形成回流并逐漸向下蔓延。由于車廂頂棚高2.4m而煙氣分析儀探頭的高度為1.7m,因此回流的煙氣先到達(dá)4m處,后到達(dá)2m處。雖然旅行袋燃燒時(shí)的熱釋放速率明顯小于500mL汽油,但是其燃燒產(chǎn)生的CO濃度卻高于500mL及1000mL汽油,達(dá)到了人體中毒的限值200PPM。造成此現(xiàn)象的原因主要是旅行袋內(nèi)的棉布、塑料、紙張等可燃物處于不完全燃燒狀態(tài)。
當(dāng)使用K=0.48單相細(xì)水霧噴頭時(shí),煙氣下降效果最差。當(dāng)行李袋在車廂中部和座椅下部時(shí),甚至出現(xiàn)了施加水霧后CO濃度比對(duì)照組還高的現(xiàn)象。發(fā)生此現(xiàn)象的原因是K=0.48單相細(xì)水霧噴頭在燃燒物位置處的霧密度低于其余噴頭。使用K=0.9單相噴頭和8孔1mm噴頭時(shí)CO濃度下降最明顯。其中K=0.9單相噴頭的良好CO下降效果與對(duì)表3的分析結(jié)果一致。使用K=0.9單相噴頭時(shí),平均霧密度大且在車廂底部分布均勻。8孔1mm噴頭滅火效果好,此噴頭的高霧密度區(qū)恰好覆蓋了燃燒物所在的位置。若燃燒物換到其他位置,K=09單相噴頭依然能保持良好的滅火效果,而8孔1mm噴頭的CO降低效果會(huì)顯著下降。剩下的兩個(gè)9孔兩相噴頭由于霧密度分布均勻性差,滅火效果也不佳。只有在座椅下部區(qū)域被9孔0.9mm噴頭的高霧密度區(qū)覆蓋,有明顯的CO濃度下降效果。
由于使用K=0.9單相噴頭和8孔1mm噴頭時(shí),行李袋燃燒的CO濃度下降最明顯,在對(duì)比分析各噴頭冷卻能力時(shí),結(jié)果亦如此,這兩種噴頭表現(xiàn)最突出,所以選用了這兩種噴頭開展對(duì)30cm*30cm汽油油盤的滅火實(shí)驗(yàn)。細(xì)水霧雖然能使汽油火焰降溫,但不能完全撲滅汽油燃燒。因此,兩種噴頭對(duì)燃燒產(chǎn)物的抑制效果均不明顯。由于燃燒物所在的位置處8孔1mm噴頭的局部霧密度大于K=0.9單相噴頭,所以8孔1mm噴頭的CO抑制效果更好。由于K=0.9單相噴頭的霧密度分布均勻性好于8孔1mm噴頭,若燃燒物移動(dòng)到其他位置,K=0.9單相噴頭能保持現(xiàn)有的CO抑制效果,而8孔1mm噴頭的CO抑制效果會(huì)顯著降低[4]。此外,由于在座椅遮擋作用下,細(xì)水霧難以到達(dá)座椅下部區(qū)域,所以該區(qū)域的CO濃度下降效果不明顯。
(四)小結(jié)
1.在旅行袋燃燒滅火實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)測(cè)試噴頭均能實(shí)現(xiàn)快速冷卻。
2.在旅行袋滅火實(shí)驗(yàn)和油盤滅火實(shí)驗(yàn)中,均出現(xiàn)了短暫的強(qiáng)化燃燒現(xiàn)象,造成輻射熱通量的增大,隨即又逐漸減小至零。
3.噴頭的霧化性能直接影響細(xì)水霧滅控火性能,除應(yīng)保證ARGE Guideline標(biāo)準(zhǔn)中明確的最小設(shè)計(jì)工作壓力外,經(jīng)噴頭噴出并在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑Dv0.50小于200μm、Dv0.99小于400μm的水霧滴外,還應(yīng)綜合考慮其霧密度分布情況,擇優(yōu)選型。
4.本文測(cè)量并分析了燃燒物燃燒與滅火過程中的CO最高濃度,發(fā)現(xiàn)旅行袋產(chǎn)生的有毒氣體濃度達(dá)到了人體中毒的限值。在旅行袋滅火實(shí)驗(yàn)中,8孔1mm和k=09單相噴頭對(duì)煙氣的抑制效果最明顯,能將煙氣控制在人體有害濃度以下。對(duì)于30cm*30cm油盤滅火,使用8孔1mm噴頭時(shí),CO下降程度大于k=0.9單相噴頭。
結(jié)語
對(duì)行李袋火源施加細(xì)水霧,均能成功使其附近溫度快速降低至室溫,對(duì)火源有一定的抑制作用。為了更好對(duì)火源類型進(jìn)行對(duì)比,本文特引入了汽油火的相關(guān)測(cè)試,并獲取了寶貴的滅火系統(tǒng)工程應(yīng)用技術(shù)參數(shù),指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備的選型及設(shè)置。
依據(jù)ARGE Guideline標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的滅控火實(shí)驗(yàn),充分說明了瓶組細(xì)水霧控滅火系統(tǒng)消防系統(tǒng)能夠?yàn)槌丝蛥^(qū)的人員創(chuàng)造一個(gè)“相對(duì)安全的區(qū)域”,為保證系統(tǒng)更安全穩(wěn)定,噴頭的選型至關(guān)重要。
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