（机械工程专业论文）高压细水雾系统的研究.pdf

中文提要 本文简述了细水雾系统的发展历程及其对水喷淋系统的技术突破 点。以火灾模化理论为基础并通过实验验证确定了系统启动临界状态这 一重要工程应用参数。在此基础上，以我国研制的气水同管高压两相流 预安装细水雾系统和高压泵组式细水雾系统开展了针对典型场所的实 体灭火实验，阐述了该系统的成雾原理、灭火机理、灭火效能，提出了 该系统的工程应用范围和综合应用参数，为编制系统设计施工验收规范 提供了坚实的基础。本文还确定了该系统替代卤代烷系统的可能性，展 示了该系统远大的工程应用前景。 关键词：自动喷水、细水雾、灭火系统、火灾模化、系统启动临界状 态、替代 a b st r a c t t h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c et h eh i s t o r yo fw a t e rm i s t s y s t e ma n di t st e c h n o l o g i cb r e a k p o i n tf o rt h es p r i n k l e rs y s t e m t h ea r t i c l eu s ee x p e r i m e n t a t i o nt oa u t h e n ti c a t et h ec r i ti c a l p o i n t o f s y s t e m - s t a r t i n g a n i m p o r t a n te n g i n e e r i n ga p p ll e d p a r a m e t e rb a s i co nf i r em o d u l a r i z a t i o nt h e o r y t h em e c h a n i s mo f w a t e rm i s t f o r m a t i o n ， m e c h a n i s mo ff i r e e x t i n g u i s h i n g ， c a p a b i l i t yo ff i r ee x t i n g u i s h i n g ，a p p l i c a t i o na r e aa n dt h ec o s t c o m p a r i s o n t og a s s y s t e m a n ds p r i n k l e rs y s t e mo fw a t e rm i s ts y s t e m i sd e s c r i b e da c c o r d i n gt ot h ef u l ls c a l et e s tf o rt h et w op h a s e s f l u xh i g hp r e s s u r ep r e i n s t a l l a t i o nw a t e rm i s ts y s t e md e v e l o p e d b yt f r i i to f f e r sas t r o n gb a s et oc o m p i l et h ec o d ef o rs y s t e m d e s i g na n di n s t a l l a t i o n t h ep o s s i b i l i t yo fh a l o n ss u b s t i t u t e i sd e t e r m i n e d ，m o r e o v e r ，t h ep r o s p e c to fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n iss h o w c a s e d k e yw o r d s ：w a t e rm i s t ，e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，f i r em o d u l a r i z a t i o n ， c r i t i c a lp o i n to fs y s t e m - s t a r t i n g ，s u b s t i t u t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得墨生盘生或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：享吝签字日期驴了年乒月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基建盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：岔一1 年 导师签名：叁茌 签字日期：2 一年) 月2 口日 第一章绪论 第一章绪论 固定式灭火系统，是由固定安装的灭火剂供应源、管路、喷放器件和控制装 置组成的灭火系统。它主要用于扑灭公共建筑、工厂、仓库、大型生产装置、贵 重仪器设备和电气设备以及各种可燃物质的火灾。按照灭火剂的种类固定式灭火 系统可分为自动喷水灭火系统、泡沫灭火系统、卤代烷灭火系统、二氧化碳灭火 系统、洁净气体灭火系统、干粉灭火系统、烟雾灭火系统等。细水雾灭火系统是 九十年代发展起来的一种新型的自动喷水灭火系统，虽然和其它自动喷水灭火 系统一样都以水为灭火剂，但它彻底打破了依靠大水量、大水滴和高喷水强度灭 火的旧观念，利用先进的喷雾雾化技术，缩小并控制雾滴直径、改变其空间分布 规律，大大提高其吸热效率和灭火效能，极大地削减系统灭火用水量，从而有效 地解决了由于自动喷水灭火系统启动后必然造成较大的水渍损失而在诸如计算 机房、贵重文物档案库等忌水物质和设备的场所不能使用的问题，而且对于可燃 液体火灾、可燃气体火灾和电气火灾等自动喷水灭火系统不适用的场所也能实施 有效灭火，大大拓展了自动喷水灭火系统的应用领域，是自动喷水灭火系统发展 史上的又一里程碑，同时成为重要的卤代烷灭火系统的替代产品。 1 1 固定式灭火系统发展概况 固定式灭火系统，是随着人类社会生产力的发展，而逐渐发展完善起来的一 种灭火装置。1 9 世纪初叶，西方资本主义社会迅速发展，各种类型的建筑日益 增多，生产规模不断扩大，物资储运不断增加，而火灾损失也日益严重。为了及 时扑救火灾，人们首先研究和设置了城市消防供水管网系统，这就是固定式或半 固定式水灭火系统的雏形。1 8 1 2 年，英国第一次出现了用穿孔管道安装在建筑 物屋顶下方，管道一方与压力水源相接，发生火灾后手动打开控制阀门，使水从 管道的小孔喷洒到被保护部位进行灭火的装置，这种装置是世界上最早的固定式 喷水灭火系统。此后几十年间，许多人为改进这种装置进行了探索，相继发明了 利用低熔点易熔合金在火灾温度下自动开启的洒水喷头、报警控制阀门、水力警 铃等系统部件，使自动喷水灭火系统逐步进入了实用阶段。1 9 世纪末到2 0 世纪 初，自动喷水灭火系统开始在各种工业建筑和公共建筑中广泛安装应用，收到了 良好效果。据统计，凡安装自动喷水灭火系统的场所，火灾扑灭率可达9 9 左 第一章绪论 右。1 8 8 4 至1 8 9 6 年，英、美、日消防协会相继制定了自动喷水灭火系统规范， 标志着自动喷水灭火系统的产品和应用技术同益成熟并进人迅速发展阶段。此 后，1 9 2 5 年感温玻璃球自动洒水喷头问世，1 9 5 3 年研制出“标准型”自动洒水 喷头。为了早期发现和扑灭火灾，后来又生产了“大水滴快速反应喷头”、用于 家庭的“住宅型”洒水喷头和用于仓库的快速响应早期抑制( e s f r ) 喷头， 从而使自动喷水灭火系统进一步适应了社会发展的需要。 为了扩大自动喷水灭火系统的适用范围，近年来又逐步发展和派生出适用于 寒冷条件下安装使用的干式自动喷水灭火系统；适用于在重要场所安装、起双重 保护作用的预作用自动喷水灭火系统；用于在危险等级高的场所应用的雨淋灭火 系统；适用于阻火、隔断的水幕系统和适用于扑救电气及流淌油火的水雾灭火系 统。加之5 0 年代发展起来的自动探测报警技术和自动喷水灭火系统相结合，使 自动喷水灭火系统又进入了一个新的发展阶段。 目前，自动喷水灭火系统虽然是世界上应用最广泛的灭火系统，但是它的适 用范围仍有很大的局限性。它不适合扑救可燃气体、可燃液体和电气火灾，也不 宜用于扑救诸如计算机房、贵重文物档案库等忌水物质和设备的火灾。为了扑救 上述火灾，2 0 世纪以来相继出现了低倍数泡沫灭火系统、高倍数泡沫灭火系统、 二氧化碳灭火系统、卤代烷灭火系统、干粉灭火系统、蒸汽灭火系统等等，这在 固定灭火系统的发展史上又掀开了新的一页。 为了解决石油产品火灾问题，特别是扑灭大型石油产品储罐和生产装置的火 灾，2 0 世纪3 0 年代以后，又相继研制出了空气蛋白泡沫液、化学泡沫药剂及其 配套设备。用上述药剂作灭火剂而研制出的低倍数泡沫灭火系统，以其优良的灭 火性能在世界上得到了广泛应用但该系统在扑救油罐火灾中尚存在一定缺陷，即 油罐爆炸起火后，往往将安装于油罐上部的泡沫灭火设施破坏，使系统失效，无 法扑救火灾。6 0 年代后，相继出现了比普通蛋白泡沫抗溶性能更加优良的氟蛋 白泡沫液和水成膜泡沫液，利用这两种灭火剂良好的忌油性能又研制出了液下喷 射泡沫灭火系统。这种系统的主要特点是，氟蛋白或水成膜泡沫混合液通过设在 油罐底部的专用产生器喷出，经油层上浮到着火液面而实施灭火，解决了液上泡 沫灭火系统存在的缺点。 随着化学工业的发展，化工产品越来越多。化工产品特别是醇、酯、醚类等 水溶性易燃液体火灾，用上述几种泡沫灭火剂均不能扑救。因而。自5 0 年代起， 第一章绪论 世界上先后研制成功了多种抗溶性泡沫灭火剂，这类灭火剂可以利用现有液上泡 沫灭火系统扑灭水溶性易燃液体火灾。但在用于该类储罐火灾中，需预先沿罐壁 安装缓冲槽，以降低泡沫的破损率，才能有效地扑灭火灾。 随着科学技术的现代化，电力系统及其相关设备不断增加，计算机房、贵重 文物档案库、精密仪器车间等场所越来越多。另外，可燃气体和液体蒸汽在生产、 生活中广泛运用。对于上述场所发生的火灾，是不宜用水和泡沫进行扑救的。为 扑救上述火灾，二氧化碳固定式灭火系统应运而生。二氧化碳气体具有良好的电 绝缘性，可以有效地扑救各类电气设备火灾，对于扑救忌水物质及可燃气体和液 体火灾亦很有效，且灭火以后无水渍损失和污染。因而该灭火系统得到了广泛应 用。但二氧化碳气体灭火效能较低，灭火系统设备体积庞大，给安装、运输带来 很多不便，也增加了系统造价。为寻找高效能的灭火剂，到2 0 世纪4 0 年代，先 后研制出了二氟一氯一溴甲烷( 简称“1 2 1 1 ”) 和三氟一溴甲烷( 简称“1 3 0 1 ”) 等卤代烷灭火剂。这类灭火剂的适用范围与二氧化碳灭火剂基本相同，但其灭火 效能则大大高于二氧化碳灭火剂。这两种灭火剂组成的固定式灭火系统与二氧化 碳灭火系统相比，在灭火效能相等的条件下，卤代烷灭火系统体积小、使用方便。 在6 0 年代以前，这类灭火系统大多应用于军事方面，6 0 年代以后，则逐渐推广 到民用方面，在很多地区已得到了广泛地推广应用。 5 0 年代以来，随着高倍数泡沫灭火剂、干粉灭火剂的逐渐推广应用，适用 于扑救飞机库、地下工程、煤矿坑道和船舱等部位火灾的高倍数泡沫灭火系统也 得到了较广泛的推广应用：适用于扑灭电气装景、油罐等火灾的干粉灭火系统也 得到应用。此外，我国还根据石油化工储罐灭火的需要，创造发明了烟雾自动灭 火系统。这种灭火系统对于缺乏水源、电源的场所和零星储罐比较适用，己得到 了普遍推广应用。 自古以来，人们就懂得用水扑灭火灾。因而，水喷淋灭火技术在诸多的灭火 系统中发展历史最为悠久，至今已有一百多年。在一个多世纪里，随着科学技术 的不断进步，水喷淋系统的关键部件一喷头也得到了长足的发展，主要表现在 以下三个方面：( 1 ) 集探测火灾和喷水灭火功能于一身；( 2 ) 热敏元件的改进； ( 3 ) 流量、工作压力、布水性能及洒水冲量的改进。但唯一没有质的突破的是 水滴直径( 包括水喷雾雾滴直径) ，均在1 2 m m 范围内。实际上，从原始的水管 上钻孔到现在的易熔合金喷头、玻璃泡喷头、快速喷头、e s f r 喷头等百余种类 第一章绪论 型的喷头，从最简单的闸阀发展到现在的湿式阀、雨淋阀、干式阀、预作用阀、 循环控制阀等，水喷淋系统的改进主要目的是使系统适用于更多的不同性质的场 所，使其在这些场所具有较高的灭火效能。 早在4 0 年代人们就提出了细水雾，并应用于轮船机舱内。当时，由于水喷 淋是灭火技术的主要发展方向，细水雾系统遭到了搁浅的命运。九十年代，世界 进入了高度发达的商品经济时代，各种类型的工业、商用、民用、军用建构筑物 及海路空运输工具层出不穷，可燃物的种类、堆放形式复杂多样，人们不但要求 迅速、可靠灭火还要求水渍损失小、用水量少，传统的水喷淋技术越来越难以适 应。历史的发展、防灭火观念的转变，特别是哈龙替代问题的提出，呼唤着细水 雾系统这一古老而又崭新的灭火技术的复出。 细水雾系统是九十年代初芬兰、美国等少数发达国家开发出的新型高效灭火 系统，目前这项技术正处于发展和完善的阶段，系统类型众多、国际上技术观点 莫衷一是，尚未建立统一的产品标准和应用规范，该项技术在我国尚属空白。 1 9 9 3 年，由美国开发和工程部门、细水雾系统制造商、保险公司、法律机构及 用户组成了细水雾系统n f p a 技术委员会，提出了设计、安装及标准化的相关文 件，并在1 9 9 6 年正式出版了细水雾系统标准( n f p a 7 5 0 ) 4 1 0 固定式灭火系统在我国的推广使用时间不长。解放前，我国不能生产此类产 品，只有个别饭店、文化娱乐场所和工厂、仓库安装了国外生产的自动喷水灭火 系统。解放后，主要是6 0 年代以后，我国先后自行研制成功了自动洒水、低倍 数泡沫、卤代烷、高倍数泡沫、二氧化碳、干粉、泡沫喷淋等固定灭火系统，并 均已推广使用，其中不少系统已接近或达到国际水平。 1 2 固定式灭火系统的分类阱1 固定式灭火系统，按其所喷射的灭火剂的种类可分为：喷水灭火系统、泡沫 喷淋灭火系统、低倍数泡沫灭火系统、高倍数泡沫灭火系统、卤代烷灭火系统、 二氧化碳灭火系统、干粉灭火系统、烟雾灭火系统等。而以上各类灭火系统，按 灭火方式、使用场所、安装形式或喷头结构，又可进行分类。 喷水灭火系统按其喷头结构不同，分为闭式灭火系统和开式灭火系统，在闭 式灭火系统中，按其使用场所的需要又分为湿式、干式和预作用式三种灭火系统。 在开式灭火系统中又分为雨淋、水幕和水雾三种灭火系统。 泡沫喷淋灭火系统，按其结构不同，分为吸入空气型和非吸入空气型两种灭 4 第一章绪论 火系统。按其泡沫发泡倍数，分为高倍、中倍和低倍三种灭火系统。低倍数泡沫 灭火系统，按其灭火方式分为液上喷射泡沫灭火系统和液下喷射泡沫灭火系统。 高倍数泡沫灭火系统，按其使用场所和安装方式分为全淹没灭火系统、局部应用 灭火系统、移动式灭火系统和泡沫与水联合灭火系统。 卤代烷灭火系统、c 0 2 灭火系统和洁净气体灭火系统，按其灭火方式分为 全淹没灭火系统、局部应用灭火系统、移动式灭火系统。c 0 2 灭火系统又分为 高压和低压系统。 1 3 自动喷水灭火系统的历史与发展 自动喷水灭火系统以水为灭火剂的固定式灭火系统，它是目前发展历史最 长、系统类型最多样、应用领域最广泛、安装数量最多、系统经济性能比最低、 系统可靠性最高的一种固定式灭火系统。 自动喷水灭火系统是随着1 9 世纪工业化革命，特别是棉纺织工业的发展而 发展，它首先在英国以穿孔管的形式诞生，应用在剧院，其后在美国应用在棉纺 织工业，并逐渐发展成为系统完整、组件齐全的高效全天候的自动灭火系统，现 已广泛应用于工业和民用建筑中，以及居住建筑。 目前发达国家已发展到由工业场所安装，到民用建筑，以及住宅，即自动喷 水灭火系统己安装在各种建筑物中。我国改革开放后，随着经济实力地不断发展， 自动喷水灭火系统已经在工程建设中大面积应用，回顾自动喷水灭火系统的发 展，研究自动喷水灭火系统的可靠性和经济性，将对我国的市场经济建设，特别 是建筑市场的开放与发展，有着积极的意义。 自动喷水灭火系统是当今世界普遍使用的固定自动灭火系统，国内外的实践 证明，该系统经济实用，自动喷水灭火系统的投资仅占总投资的1 - - - 3 。自动 喷水灭火系统有着极高的安全性和可靠性，是迄今为止人类发明最好的灭火系 统，美国大量的统计资料表明，设有该系统的建筑物死亡人数可以减少1 3 到2 3 ， 财产损失可以减少1 2 到2 3 。灭火效率高，灭火成功率大于9 6 ，几乎接近1 0 0 。 我们知道人类为了减少疾病，曾于2 0 世纪7 0 年代末提出为减少疾病而提高自来 水的普及率。火灾是人类所遭遇到的频发灾害，世界每年死于火灾的人数不低于 6 5 万人，为减少火灾中生命财产的损失，我们应象追求自来水普及率一样追求 自动喷水灭火系统的普及率。 第一章绪论 1 4 自动喷水灭火系统的灭火效率 自动喷水灭火系统的控灭火效率己为国内外无数次灭火案例的实践所证实， 目前世界各地都有大量的统计数据，美国消防协会从1 9 2 5 年至1 9 6 9 年的4 5 年 中统计，安装这一系统的建筑物共发生火灾8 1 4 2 5 次，灭控火成功率为9 6 2 。 纽约市的高层建筑，从1 9 6 9 年到1 9 7 8 年1 0 年中，安装自动喷水灭火系统的建 筑物累计发生火灾1 6 4 8 次，灭控火成功率为9 8 4 。而澳大利亚和新西兰，从 1 8 8 6 年至1 9 6 8 年的几十年间，安装这一灭火系统的建筑物，累计发生火灾57 3 4 次，灭火成功率为9 9 8 ，我国上海市仅收集到的8 次火灾统计，仅有一次因系 统的阀门关闭灭火不成功，其他均成功地扑灭火灾。自动喷水灭火系统是当今世 上效率最高、价格最低的全天候自动灭火系统。世界各国自动喷水灭火系统成功 控灭火的统计数据，见表卜1 。 各国自动喷水灭火系统灭火成功率统计表卜1 数据来源灭火效率 f a c t o r ym u t u a l1 9 7 0 1 9 7 2 8 5 u kf i r es t a t i s ti c s1 9 6 5 1 9 6 99 1 8 u sn a v y1 9 6 6 “1 9 7 09 4 8 n f p a1 8 9 7 1 9 2 49 5 8 n f p a1 9 2 5 1 9 6 49 6 2 a u s t r a l i a1 8 8 6 1 9 鹋9 9 8 我国2 0 0 0 年中国火灾统计年鉴记载，从1 9 5 0 年至1 9 9 9 年，全国共发 生火灾3 , 2 5 8 ，1 0 5 起火灾，死亡人数1 6 5 ，4 9 9 人，伤3 1 3 ，7 6 6 人，直接经济损失为 1 ，8 2 8 亿元。 古语讲：“水火无情”，大火不仅侵吞了我们的财富，还夺去了亲人的生命， 火灾不仅给家庭造成创伤，也给城市和人类造成创伤。1 0 0 多年来自动喷水灭火 系统的大量控灭火成功率的统计资料表明，自动喷水灭火系统可以解决这一问 题，他不仅可以减少火灾中的财产损失，而且还可以保护火场中的生命，是目前 人类找到的最佳消防措旄，是人类的福音。 美国大量的统计资料说明，自动喷水灭火系统在保护建筑内的生命和财产安 全有着极高的效率，装有这一系统的建筑物比没有装这一系统的建筑物在火灾 中，生命丧失要少1 3 至2 3 ，财产要少损失1 2 到2 3 。2 0 世纪末叶，人类为 6 第一章绪论 减少因水质而引发疾病，世界卫生组织提出提高世界范围内的自来水普及率。今 天为减少人类面临的频发火灾灾害，我们提出普及自动喷水灭火系统的普及率是 减少火灾灾害的重要手段。 自动喷水灭火系统的喷头是包围着火点依次开放，不仅可以扑灭火灾，还可 以冷却周围环境温度，以及稀释火灾烟雾中的有毒气体。重要的是自动喷水灭火 系统在火灾初期就把火扑灭，从而可以有效地降低燃烧，降低火灾燃烧产生的 c o 量，以及减少火灾燃烧对氧气的消耗量，大量的火灾事例表明自动喷水灭火 系统能有效减少火灾中的死亡率，从而证明自动喷水可使火场降低或不致产生因 一氧化碳中毒、无氧窒息和热辐射致死。 在2 0 世纪8 0 年代的1 0 年中，美国消防协会( n f p a ) 的统计中常常报道凡 装有自动喷水灭火系统且保养正常的，除极少数例外，都在起火点以外的场所防 止了死亡的发生，在n f p a 的记录中，凡是全部装有自动喷水灭火系统且操作正 常的建筑物，在火灾发生时，除了爆炸性的火灾，以及在救火中企业消防队员或 工人遇难外，没有超过死亡2 人以上的记录。上述的例外情况很少发生在工业和 商业以外的场所，因此在n f p a 的记录中，凡是全部装有自动喷水灭火系统且操 作正常的公共场所、教育、机关和居住建筑物内发生的火灾中，没有超过2 人以 上的记录。 表卜2 为1 9 8 2 年至1 9 9 1 年1 0 年间美国建筑火灾由于安装自动喷水灭火系 统，每千次火灾平均减少死亡人数和减少死亡人数百分比。 减少死亡人数的估算百分比表1 _ 2 每千次火灾死亡人数 产业类别 无自动喷水灭火系统的场所有自动喷水灭火系统的场所减少的百分比 公共场所 1 30 19 l 教育产业 o 40 38 保健产业4 22 15 l 旅馆、汽车旅馆7 52 66 5 商业和办公楼 1 10 46 5 制造业产业 2 0 1 23 7 安装有自动喷水灭火系统的建筑物和没有安装自动喷水灭火系统的建筑物 所发生的每千次火灾中死亡人数加以比较将更为有价值。表卜2 为含有几种不同 产业分类的火灾统计数字，这些企业安装自动喷水灭火系统已较为普遍，足以迸 7 第一章绪论 行有意义的统计分析。 从表卜2 所公布的数字，我们可得出以下的结论： ( 1 ) 自动喷水灭火系统可以把千次火灾的死亡人数减少到1 3 到2 3 ，这种 大范围的减少发生在医疗卫生、旅馆和汽车旅馆、制造业的产业中，见图卜1 。 ( 2 ) 自动喷水灭火系统对死亡人数的影响在某中程度上与在安装自动喷水 灭火系统以前的火灾危险性和火灾中死亡人数有关，如在为安装自动喷水灭火系 统以前教育产业，其千次火灾的死亡人数原来就很低，在增加了喷水设备之后， 对死亡人数就不能再降低多少了。相反旅馆、汽车旅馆没有安装自动喷水灭火系 统之前死亡率很高，装了自动喷水灭火系统后就大大减少了死亡率。 育目墒嚼雇曩隶罩攮辩4 0 0 戎虫吏死亡1 0 3 1 1 4 加攻j i = 走n c 加 6 1 7 敬j l ：走死亡7 6 王自硇嚷 囊虫幕壤2 如巩虫夷茏亡1 0 3 a3 7 8 0 0 敬出吏冤亡3 昭 ? 0 7 0 0 _ 灰出走箴亡1 3 8 从上述蔓田l i t i r $ 膏n 芎p 在1 9 旺年至1 9 9 1 车同蛄l 图卜1 自动喷水灭火系统对生命安全的保护效果 减少火灾中的财产损失，主要途径是减少燃烧和火场周围的环境温度，大量 的试验资料表明，纤维素和塑料制品通常在2 6 0 。c 时才会开始热分解，如果房屋 中央天花板下的温度保持在2 6 0 0 c 以下，则建筑物的构件和天花板便不可能燃 烧，所以天花板下2 6 0 。c 被认为是保护财产安全的极限温度。 自动喷水灭火系统在保护建筑内的财产安全有着极高的效率，装有这一系统 的建筑物比没有装这一系统的建筑物在火灾中财产要少损失1 2 到2 3 。这说明 自动喷水灭火系统不仅能尽快扑灭火灾，还能有效地控制火场周围的环境温度低 于2 6 0 0 c ，从而达到保护财产的目的。 第一章绪论 表卜3 是美国消防部门对1 9 8 2 至1 9 9 1 年之间发生火灾的统计结果，并计算 出每次火灾的平均直接损失。在公共场所、保健、教育等场所设有自动喷水灭火 系统与未设置相比，火灾中财产损失减少的最大，而商场、办公楼、制造业、旅 馆、汽车旅馆等场所设有自动喷水灭火系统与未设置相比，火灾中财产损失减少 为5 0 左右。 自动喷水灭火系统对减少财产损失的估算百分比表卜3 每次火灾的平均真接经济损失( 美元) 产业类别 无自动喷水灭火系统的场所有自动喷水灭火系统的场所 减少的百分比 公共场所1 61 0 0 62 0 06 l 教育产业 1 i2 0 033 0 07 l 保健产业与劳改场所24 0 0 8 0 06 5 公寓 65 0 034 0 04 7 旅馆、汽车旅馆1 02 0 045 0 05 6 办公楼1 64 0 064 0 06 1 百货商场和其他商店2 48 0 01 24 0 05 0 制造业产业 2 78 0 01 29 0 05 3 1 5 火灾模化理论 火灾模化理论是研究自动喷水灭火系统启动临界状态和灭火效能的重要基 础理论手段。七十年代初，国际上发展了火灾模化理论1 ，提出了平方火的概念 b 1 。随着喷头响应时间数值r t i 概念5 1 的形成及a l p e r t 对火灾水平热气流状态 的量化砧1 ，逐步建立了预测火场中开放临界状态的方法1 3 5 。 系统启动临界状态指喷头在火场中的开放时间及对应的火灾放热率。如果能 预测系统临界状态，那么在系统设计时可适当选择喷头种类、喷头水平间距等参 数，使系统在期望的火灾状态动作，为选择喷水强度、喷头工作压力等设计参数 提供依据。 按火灾烟气流在建构筑物顶部的流动状态，把建构筑物分为两类： 1 火灾热烟气流在建构筑物顶部水平流动时受到侧墙或梁的阻碍，在顶下 形成累积热气层，这种建构筑物称为有侧限建筑物，简称有侧限。 2 火灾热烟气流在建构筑物顶部水平流动时不受任何阻碍，在顶下未形成 累积热气层，这种建构筑物称为无侧限建构筑物，简称无侧限。针对两类建构筑 物，形成了两种不同的预测系统启动临界计算方法： 第一章绪论 1 h e s k e s t a d 和d e l i c h a t s i o s 阐述了无侧限计算方法”1 并发表了计算机程序。 他们发表的热气流特性公式及计算方法中，日这一参数均指火源与水平屋顶垂直 距离，而在其发表的计算机程序中h 均取为屋顶净高，前后产生矛盾。所以， 我们在编写无侧限计算程序时，把原程序中的h ( 屋顶净高) 改为火源与水平 屋顶的垂直距离日。可以想象，燃料燃烧过程中火源的纵向位置是不断变化的， 因此局也应该随时间变化，即日= 两( f ) 。由于国外没有吼( f ) 的经验公式可以借 鉴，而我们又不可能进行大量实验来总结局( r ) 的经验公式，所以我们近似地把 朋取为屋顶净高与燃料上表面高度f 之差。这样做，对于日与f 差值较大的场 所，火源纵向位置的变化对计算结果影响较小。对于h 与f 比较接近的场所， 火源纵向位置的变化对计算结果会产生较大的影响。因此，该计算方法使用于燃 料上表面高度与屋顶净高差值比较大的场所。该计算方法是有侧限计算方法的基 础。 2 目前，国际上还没有成形的有侧限计算方法和程序。我们利用国外发展 的双层火灾模型、替代火源概念及热烟气流竖直和水平流动特性公式，借鉴无侧 限计算的思路和方法，在国外的研究基础上，进一步整理，建立了有侧限计算方 法，并编写了有关计算机程序。本项目对上述两方法的计算结果进行了实验验证。 预测系统启动临界状态的方法是火灾模化理论的一部分。该理论虽己引起国际消 防界的关注并在逐步发展，但是正如众所周知，火灾及其热烟气流状态、热气流 与喷头热敏元件的热交换是极其复杂且不稳定的物理过程，欲建立一套完整的理 论计算方法，不仅涉及流体力学、传热学等多门学科，而且需要进行大量的基础 性实验研究。本项i b 所做工作在于把国外此项研究的成果向国内消防界做进一步 比较详细的介绍，并使之向实用化前进一步。实验结果证明理论与实测值比较接 近，该计算方法可以作为新型自动喷水灭火系统研究开发、工程立项可行性研究、 初步设计及系统效能评估的手段。 1 6 新型自动喷水灭火系统 自动喷水灭火系统目前有三个发展方向，一是水滴向细或超细方向发展和演 变，系统变为水喷雾灭火系统( w a t e rs p r a y ) 和细水雾( w a t e rm i s t ) 灭火系统，细 水雾的发展方向是拓展自动喷水灭火系统的应用领域，代替气体灭火系统。第二 个发展方向是水滴向大或者超大水滴方向发展，目的是更强有力地穿透烟羽流和 火焰，到达燃烧物的着火表面，以实现灭火，这方面的技术主要体现在大水滴喷 第一章绪论 头和早期抑制快速反应喷头等。第三个方向是闭式喷头向快速反应方向发展，r t i 值小于5 0 ，有的甚至达到r t i 值为1 6 ，如住宅喷头和e s f r 喷头等，而普通喷 头的r t i 值为8 0 3 0 0 。 我国改革开放以来，因综合国力的不断提高，自动喷水灭火系统在工程中已 普遍应用，市场需求量巨大。为打破自动喷水灭火系统的局限性，进一步扩大其 应用范围，适应当今世界环保和可持续发展两大主题的要求，非常有必要深刻总 结自动喷水灭火系统的发展历史，利用当今飞速发展的现代科技成果，推陈出新 一系列适于不同场所的新型自动喷水灭火系统，比如细水雾系统、e s f r 系统和 住宅型喷水灭火系统等，改善自动喷水灭火系统的灭火效能，为保证人民生命财 产安全做出贡献，为我国的现代化建设保驾护航。 1 7 课题的提出和本文的研究内容 1 7 1 课题的提出 在诸多的固定灭火系统中，细水雾是一种鲜为人知的新型自动喷水灭火系 统。国际上对它的研究始于八十年代末，九十年代初才研制出系统产品并应用于 工程实际。从固定灭火系统的发展历史看，人们一直围绕着灭火介质开发系统，例 如以水为灭火剂的湿式、干式、雨淋和预作用系统等，以气体为灭火剂的高低压 c 0 2 、1 2 1 1 、1 3 0 1 、f m 2 0 0 及混合气体系统等。众所周知，这两大类的系统构成 截然不同。前者由水池、泵、报警阀、管道和喷头构成，而后者一般由启动瓶组、 灭火荆瓶组、释放阀、管道和喷嘴构成。传统的观念认为，水是最廉价、最易取、 最有效的灭火剂，但对灭火水量的要求十分苛刻( 湿式水喷淋系统用水量一般为 2 5 3 0 l s ，喷淋时间需1 小时) 。水喷淋技术至今已发展了一百年，由于水量的 限制各种系统均摆脱不了管网冗杂庞大、用水量大、造价高的缺点，而气体灭火 系统一般用高压储瓶储存灭火药剂，用启动瓶组作为喷放动力源，药剂昂贵，工 程造价也很可观。 随着社会的发展，出现了许多新型的工业和民用场所，如：室内油浸式电力 变压器、变配电间、透平机、燃气轮机、船舶机舱、通讯机房、计算机房、电视 中心、控制室、洁净车间、柴油发电机房、发动机测试室、厨房、工业烘烤箱、 食品油炸生产线、电缆隧道、电缆夹层、图书馆、档案馆、博物馆、地铁系统、 地下建筑、航空航天器、潜艇等。从灭火效果和水渍损失等方面分析，这些场所 第一章绪论 均不适宜采用自动喷水灭火系统进行控灭火。 这是对传统的消防观念和消防系统的严重挑战。但是科学技术的进步又很适 时地给我们提供了解决问题的办法，这正是辩证法的妙处所在。于是细水雾系统 应运而生，它最早是针对轮船发动机仓和透平机等特殊对象，融合水灭火系统的 特点和气体灭火系统的构成方式及灭火机理提出的一种新型自动灭火系统。它很 巧妙地利用极少量的普通水和廉价的氮气，通过特别的控制阀和喷嘴，按特定的 灭火程序( p l c 控制器) 进行灭火，对于a 、b 类火均有不凡效果。其用水量一 般小于o 5 l s ，仅是普通水喷淋的1 5 0 ，真可谓杯水能灭车薪。 进入九十年代后，特别是“蒙特利尔协议”签定后，各国都在寻找一种高效 价廉、可替代哈龙的系统。于是短短几年间出现了多种细水雾系统。该系统目前 分类复杂，产品多样，相关标准规范极不统一。 对于每种自动喷水灭火系统都有其适合的系统启动临界状态。系统启动临界 状态是决定系统灭火效能的重要因素。特别对细水雾系统这样的不是以水量制胜 火灾的自动喷水灭火系统，系统启动临界状态显得更为重要。实验表明，如果细 水雾喷头开放时火势( 火灾热释放速率) 比较小，则系统灭火时间相对较长；如 果喷头开放时火势( 火灾热释放速率) 比较大，则系统很难扑灭火灾；因此，掌 握在不同火灾条件下喷头的开放时间非常重要，而且喷头开放时间与喷头的安装 位置( 即喷头间距r ) 关系也很大。通过建立火灾模型和预测喷头在火场中的开 放时间及对应的火灾热释放速率的计算方法，很好地解决了喷头何时开放喷雾和 喷头安装位置及间距的问题，为该系统的工程应用提供了坚实的基础数据。 细水雾系统主要应用在室内，因此研究建立有侧限系统启动临界状态的计算 方法是探索系统工程应用参数的关键。 1 7 2 研究内容 1 以无侧限火灾模化理论为基础，利用双层火灾模型、替代火源概念及热烟气 流竖直和水平流动特性公式，提出有侧限火灾模化理论，建立预测有侧限空 间火灾条件下细水雾喷头的开放时间和对应的火灾热释放速率的计算方法， 并进行实验验证。 2 细水雾灭火技术的研究。 3 瓶组式和泵组式高压细水雾系统的开发研制。 4 进行典型场所的应用性灭火试验，确定系统适用范围和工程应用参数。 2 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 2 1 闭式喷头的热敏特性 美国f m r cs e 厂联合所在对闭式喷头热敏特性的试验研究中提出了表征喷 头热敏特性的本质参数响应时间指数咖，即r e s p o n s e t i m ei n d e x ，简称r t i 。 火灾发生后产生热烟气流，到达屋顶后由于受到阻挡改为水平流动，与安装 在屋顶下的喷头热敏元件进行热交换。根据无侧限的概念，水平热烟气流与热敏 元件之间的熟交换形式为对流传热( 忽略辐射热) ，可用微分方程表示如下： 脚要：h a ( t i ) ( 2 - 1 ) h a 脚i 2 叫s ) 其中：肟热敏元件的质量o c 一热敏元件的比热； 卜对流传热系数； 一传热面积； 野一热敏元件温度； 卜热气流温度： r 时间。 令 c = m e h a ，称为喷头时间常数。如果热敏元件大小、形状给定，则m 、c 、 彳均为常数，于是fa o h - 1 。根据传热学理论有矗【，“2 ( ( 卜熟气流流速) ，即 给定热敏元件的时间常数尚热气流流速的平方成反比，于是： f u = 常数 该常数定义为喷头响应时间指数r t i ，则： r t i = f u 1 7 2 于是，方程( 2 - 1 ) 改为： 詈= 竺( r 卅( 2 - 2 ) r t id r 、“ 该方程是有、无侧限计算方法的基础。 由方程( 2 2 ) 可知，如果热气流状态( t 、u ) 相同，且喷头公称动作温度 相同，那么r t i 越大则喷头热敏元件温升速率( 鲁) 越小，喷头丌放时间越长。 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 脆r t i 越d 、，( 鲁 越大，喷头开放时间飙 如前述，r t i ：f u ，2 ：竺u ，而而0 。u 1 ”，贝3 j r t i ：丝女，其中，尼为 1 4a 比例常数，故热敏元件定型后出r t i 即为常量。 本项目验证实验及灭火实验所用三种喷头均为玻璃球喷头，见表2 - 1 ( 其中 r t i 数据是用我所研制的响应时间指数测量装置测得的) 。 表2 - 1 、 序号 123 项目、 喷头玻璃球直径( e m ) 853 r t i o r l l 垃9 1 陀) 1 8 21 0 43 0 溅水盘型式下垂普通普通下垂 由r t i 的定义式可知，为降低喷头r t i ，提高其温升速率，可通过降低m 、 c 或增大4 的途径解决。c 值一定时，可通过减小材料用量或增大热敏元件与热 烟气流热交换的面积降低r t i 。 2 2 火灾发展特性是火灾分类 目前衡量场所火灾危险程度使用火灾荷载g 的概：酽3 ”。火灾荷载g 是指建、 构筑物内所有可燃物完全燃烧时的总热折合成为标准木材时，每单位面积上平均 标准木材的重量，单位是k g m 2 。但是用火灾荷载不能表达火灾释放能量的过程， 单纯用g 描述某场所火灾危险程度显然是片面的。 火灾发展过程，实际上是某个表述火灾特性的物理量与时间的函数关系，一 般用放热率与时间的关系( q f 曲线) 来表述。 可以想象，火灾的q 一，曲线是千差万别的。为了将千差万别的火灾进行分 类并使之量化，国外提出了火增长系数的概念巧1 。人为地按幂函数的形式给出火 灾q 一，曲线函数关系方程，即： q = a p t ( 2 3 ) 其中： 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 一火增长系数，它表征某一或在发展速度变化的快慢程度： 卜幂系数，可以是任何正实数； r 火灾时间。 h d 对木垛火做了大量实验，证明p = 2 。美国n f p a 7 2 e 和n b s 专题 千u 物7 1 3 ，以火灾达到1 0 0 0b t u s ( 1 0 5 5 k w ) 放热率的时间为标准，规定了 四种火，见表2 2 ，并用式( 2 3 ) 表示放热率： a = ( t o o o t 2 9 ) t 2 ( 2 4 1 其中： 9 一火灾瞬时放热率： r 火灾达到1 0 0 0 b t u s ( 1 0 5 5 k w ) 放热率所需的时间； r 火灾时间。 由于t g 为常数，故( 2 - 4 ) 式改为： g = 口f 2( 2 5 ) 具有这种发展规律的火称为平方火。很显然，表2 1 中四个标准火对应着四个口 = 1 0 0 0 1 t ：，o 称为平方火的火增长系数，简称火增长系数。 表2 2 r g o ) 6 0 03 0 01 5 07 5 口( k w s 2 ) 0 0 0 2 9 30 o l l 7 20 0 4 6 9o 1 8 6 标准火慢中快超快 四种标准火在q f 曲线坐标系下对应四条标准曲线，见图2 - 1 。例如实际火 灾q f 曲线落在区域内，那么该火灾就属于中速火，其它类推。 我们在试验中实测了木垛、竖木条及聚苯乙烯纸箱垛、组合沙发、组合书柜 等纯物质及组合物的q - t 曲线，并按q = a 产规律进行数学回归，大多数曲线的 回归相关系数大于0 9 0 ( 见2 4 ) 。因此，试验中的火灾发展规律基本属于平方火。 这就为计算机系统启动临界状态时引用热烟气流温度及速度经验公式奠定了基 础。当然，由于实际火发展规律不能完全符合平方关系，因此必然会给计算带来 误差。 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 3 0 0 0 2 0 0 0 至瑚。 a l o o o o 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 t ( s ) 图2 - 1 火灾分类图 2 3 系统启动临界状态的计算 火 将屋顶分为有、无侧限两类的目的在于区别两种屋顶下热烟气流状态及其与 热敏元件的换熟过程。而且，有、无侧限具有一定的相对性。面积超过某一数值 的侧限场所可视为无侧限，因为水平火灾热烟气流尚未流至屋顶物、形成累积热 气层时，喷头可能已经动作。 两种计算方法的思路基本一致。首先对火灾发展特性进行模化，把放热率q 和时间r 的关系进行数学回归，得到q = a 产的形式。然后利用热烟温度咒及速 度k ( r ) 和【ko ) 7 “8 “9 1 带入微分方程( 2 - 2 ) ，利用初始条件瓦；咒解得喷头动 作时间掣，再由9 = a 严求的喷头动作时对应的放热率锄，这样就完成了系统 启动临界状态的计算。由于热烟气流水平流速及温度的经验公式均是在无侧限条 件下得到的，在有侧限计算时不能直接引用，而且有侧限下热烟气流对热敏元件 的加热状态，报告对流传热和热传导两部分，所以不能代用对流传热微分方程 ( 2 2 ) 。为解决这些问题，将有侧限情况转化为无侧限，引入了替代火源的概念 和双层火灾模型。 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 影响系统驱动临界状态的因素主要有： ( 1 ) 建、构筑物的屋顶面积s 、屋顶高度h 及屋顶形式； ( 2 ) 环境温度瓦： ( 3 ) 喷头公称动作温度z o ，和响应时间指数r t i ； ( 4 ) 喷头水平间距d ： ( 5 ) 燃料上表面高度f ； ( 6 ) 火灾q t 曲线关系( 即仪) ； 2 3 1 无侧限下喷头动作临界状态的计算 墨2 t；-o954(1+rh)01 8 803 1 3 r h “3 和( ) 、， 茜= 爵嚣 p ， 屯3 西丐丽( 2 - 8 ) 旺= 高 ( 2 - 9 ) 巧= 酽瓦赫 ( 2 - 1 0 ) a = 鬲点 ( 2 1 1 ) 翰瓦比) 7 口：罢( 2 - 1 2 ) t ( a ，她9 5 4 ( 1 + 引 ( 2 - 1 3 ) 第二章自动喷水灭火系统启动临界状态的计算和实验 l ( 巧y “ + 0 3 1 3 r r l h1 ( 1 一p 1 )( 2 1 4 ) 解此微分方程： h c = ( 射巧 ，一半 p 嘲 其中： 刁= 删” 茜 1 ，2 ( 矧( 0 1 8 8 + 0 3 1 3 古) p 因此，对公称动作温度为的的喷头可以令e = ，在初始条件t s ( 0 ) = 瓦 下解方程( 2 1 5 ) ，得到喷头开放时间7 岛，并据9 = a 严，获得系统启动临界火 q 州。 值得注意的是在经验公式( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 中，原文所定义的日指燃料上表面 与水平屋顶的垂直距离，而程序i ( h d 发表的计算机程序) 及计算结果表中 所代用的h 均系屋顶净高，这就会造成计算结果的偏差。为此，引入燃料上表 面高度f 这一参数，并对程序i 进行修改，得到调整后的程序i i 。 我们把程序i i 的计算结果与n f p a7 2 e 也1t a b l ec 3 2 1 2 ( e ) 部分数据对比如 下( 见表2 - 3 ) ： 火灾初始条件： 临界火g k 产1 0 5 5 k w ； 火增长系数a = 0 0