基于國外機車車輛消防標(biāo)準(zhǔn)的車載瓶組式細(xì)水霧產(chǎn)品性能測試分析

翟月 肖景洋

作者簡介：

翟月（1985- ），女，滿族，遼寧開原人，本科，機械工程師，研究方向：機械。

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)對城市軌道交通車載細(xì)水霧主動消防系統(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)合中國地鐵車輛的制式條件，測試分析車載細(xì)水霧系統(tǒng)的實際運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)的測試和評估方面得到了初步測試經(jīng)驗。

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)危險性。在實際應(yīng)用中選擇合適的細(xì)水霧系統(tǒng)方式，對保障經(jīng)濟效益、提升軌道交通設(shè)備運行安全穩(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際運營要求，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)行對比。

二、系統(tǒng)控火效能實驗設(shè)計

實驗在一節(jié)列車車廂里進(jìn)行，車廂長為19m，寬為28m，最大高度為2354m，還原了真實車廂全尺寸結(jié)構(gòu)。依據(jù)地鐵車廂實際情況，單節(jié)車廂分為2個防火分區(qū)，1個防火分區(qū)內(nèi)同時開啟4個水霧噴頭。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個噴頭。當(dāng)應(yīng)用單相流噴頭組時，僅安裝了3個噴頭，氮氣瓶壓力為20Mpa，容量為50L，所用水罐一次性可儲水60L；當(dāng)應(yīng)用雙相流噴頭組時，沿軸線安裝了4個噴頭，所用水罐一次性可儲水80L[1]。

車廂的頂棚、側(cè)壁以及地面均可視作絕熱，車廂內(nèi)部兩側(cè)各有一組高45cm、寬48cm、長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煙氣分析儀探頭，距地面高度為1.7m，兩個煙氣分析儀型號均為德國Testo350煙氣分析儀，測量時間間隔為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。為保證測試數(shù)據(jù)更有說服力，測試噴頭選用了五種不同型號噴頭，對五種噴頭的霧密度均勻度進(jìn)行了詳細(xì)測試，詳見表3。

極差=最大測得值-最小測得值；標(biāo)準(zhǔn)差指的是所有50個測點處測量值的標(biāo)準(zhǔn)差；平均值指的是所有50個測點處測量值的平均值。

三、實驗結(jié)果與分析

軌道交通細(xì)水霧系統(tǒng)控火效能的實驗對比驗證從測試噴頭組的冷卻能力、衰減熱釋放以及煙氣抑制能力三個方面開展，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)被實時采集，實驗全程用一臺DV攝像機記錄。

（一）水霧系統(tǒng)冷卻能力對比

在行李袋滅火實驗中，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。這是因為不論是位于車廂中部、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，完成冷卻的時間大約為60s。當(dāng)行李袋位于座椅上方時，完成冷卻的時間大約為80s。當(dāng)行李袋位于座椅下部時，完全冷卻的時間約為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)至室溫所需的時間更短，表明其冷卻能力較強。在噴霧結(jié)束后檢查燃燒殘留物時，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。

油盤滅火實驗所用油盤尺寸為30cm×30cm，預(yù)燃時間為20s，測試了行李袋滅火實驗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，燃燒過程持續(xù)了將近270s。這是因為釋放至火焰區(qū)域的細(xì)水霧與周圍環(huán)境實現(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，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，因此可觀測到火焰中心正上方溫度波動現(xiàn)象。

（二）熱輻射抑制效果對比

熱輻射通量是火焰的一項重要熱力學(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，固體燃燒物的形態(tài)存在隨機性，所以熱輻射重復(fù)測試結(jié)果一致性比汽油燃燒稍差，但曲線變化趨勢具有相似性[3]。

在旅行袋燃燒滅火實驗中，測試了五種不同噴頭組對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，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，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的熱通量，在雙相噴頭測試中這種現(xiàn)象更加明顯，這是因為噴霧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，在短時間內(nèi)強化了燃燒現(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。這是因為高溫?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，煙氣下降效果最差。當(dāng)行李袋在車廂中部和座椅下部時，甚至出現(xiàn)了施加水霧后CO濃度比對照組還高的現(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下降效果與對表3的分析結(jié)果一致。使用K=0.9單相噴頭時，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降低效果會顯著下降。剩下的兩個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，行李袋燃燒的CO濃度下降最明顯，在對比分析各噴頭冷卻能力時，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30cm*30cm汽油油盤的滅火實驗。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驗中，實驗測試噴頭均能實現(xiàn)快速冷卻。

2.在旅行袋滅火實驗和油盤滅火實驗中，均出現(xiàn)了短暫的強化燃燒現(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。在旅行袋滅火實驗中，8孔1mm和k=09單相噴頭對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。對于30cm*30cm油盤滅火，使用8孔1mm噴頭時，CO下降程度大于k=0.9單相噴頭。

結(jié)語

對行李袋火源施加細(xì)水霧，均能成功使其附近溫度快速降低至室溫，對火源有一定的抑制作用。為了更好對火源類型進(jìn)行對比，本文特引入了汽油火的相關(guān)測試，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)計的滅控火實驗，充分說明了瓶組細(xì)水霧控滅火系統(tǒng)消防系統(tǒng)能夠為乘客區(qū)的人員創(chuàng)造一個“相對安全的區(qū)域”，為保證系統(tǒng)更安全穩(wěn)定，噴頭的選型至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

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[2]鄭偉，許磊.細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在地鐵車輛上的應(yīng)用研究[C].2021中國消防協(xié)會科學(xué)技術(shù)年會論文集，2021.

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[4]翟君.車載細(xì)水霧系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用研究[J].價值工程，2022，41（19）：141-143.