基于国外机车车辆消防标准的车载瓶组式细水雾产品性能测试分析

近年来轨道交通发展迅猛，而轨道交通消防安全一直是备受人们关注的重要课题。新版ARGEGuideline《铁路车辆消防》技术标准对城市轨道交通车载细水雾主动消防系统作出了相应技术要求。本文依據ARGEGuideline标准，结合中国地铁车辆的制式条件，测试分析车载细水雾系统的实际运行工况和空间条件限制，在轨道交通车辆乘客区域消防用瓶组式低压、高压细水雾控灭火系统的测试和评估方面得到了初步测试经验。关键词：瓶组；低压；高压；车载细水雾引言轨道交通车辆运行过程中的安全受到人们的广泛关注，其中危害最大的是轨道交通车厢客室内的火灾。一旦出现车厢内起火情况，在车厢封闭空间内的有毒有害气体迅速蔓延，将造成巨大的人员伤亡与公共财产损失。细水雾系统被认为是一种高效节约的灭火与防护手段，可以在火灾发生初期遏制火灾发展，控制火灾规模、降低火灾危险性。在实际应用中选择合适的细水雾系统方式，对保障经济效益、提升轨道交通设备运行安全稳定性非常关键。一、ARGEGuidelineARGEGuideline《城市轨道交通车辆细水雾灭火系统》中明确了细水雾灭火系统应能扑灭或抑制表2中规定的火源类型或满足城市轨道交通车辆实际运营要求，但扑灭或抑制的灭火性能不应低于表2中规定的火源类型。细水雾灭火系统对表2火源类型进行灭火，环境参数应满足附表1规定的要求。本文围绕旅行袋火源展开测试，采用了不同型式的典型喷头进行数据分析汇总，引入了汽油火进行对比。二、系统控火效能实验设计实验在一节列车车厢里进行，车厢长为19m，宽为28m，最大高度为2354m，还原了真实车厢全尺寸结构。依据地铁车厢实际情况，单节车厢分为2个防火分区，1个防火分区内同时开启4个水雾喷头。如图1（a）所示，喷头安装高度均为2.04m，左起第一个细水雾喷头位于距离左端115m处，然后从左至右以258m、22m、154m的间隔沿着中轴线依次安装其余3个喷头。当应用单相流喷头组时，仅安装了3个喷头，氮气瓶压力为20Mpa，容量为50L，所用水罐一次性可储水60L；当应用双相流喷头组时，沿轴线安装了4个喷头，所用水罐一次性可储水80L[1]。车厢的顶棚、侧壁以及地面均可视作绝热，车厢内部两侧各有一组高45cm、宽48cm、长180cm的座椅。燃烧物分别置于车厢中部、座椅上部和座椅下部。其布置形式如图1。在火源一侧同样水平位置处放置两个烟气分析仪探头，距地面高度为1.7m，两个烟气分析仪型号均为德国Testo350烟气分析仪，测量时间间隔为1s，可监视区域内CO、CO2、NO以及NOx气体的浓度，用以表征烟气特征。为保证测试数据更有说服力，测试喷头选用了五种不同型号喷头，对五种喷头的雾密度均匀度进行了详细测试，详见表3。极差=最大测得值-最小测得值；标准差指的是所有50个测点处测量值的标准差；平均值指的是所有50个测点处测量值的平均值。三、实验结果与分析轨道交通细水雾系统控火效能的实验对比验证从测试喷头组的冷却能力、衰减热释放以及烟气抑制能力三个方面开展，燃烧物燃烧与灭火过程中的温度、辐射热通量、多种烟气气体浓度等特征参数被实时采集，实验全程用一台DV摄像机记录。（一）水雾系统冷却能力对比在行李袋灭火实验中，预燃100s后开启灭火，五种喷雾系统行李袋上方附近热电偶温度数据随时间变化情况，发现均能成功使燃烧的行李袋附近温度快速降低至室温，喷头之间差异并不明显。这是因为不论是位于车厢中部、座椅上部还是座椅下部[2]，行李袋燃烧产生的明火较易扑灭，其中当行李袋位于车厢中部时，完成冷却的时间大约为60s。当行李袋位于座椅上方时，完成冷却的时间大约为80s。当行李袋位于座椅下部时，完全冷却的时间约为50s。孔径为1mm的8孔双相喷头与k系数为0.9的5孔单相喷头的冷却速率稍快于其他喷头，恢复至室温所需的时间更短，表明其冷却能力较强。在喷雾结束后检查燃烧残留物时，发现虽然明火被快速扑灭，但行李袋内的棉布、塑料杯、胶鞋等材料仍处于阴燃状态，并持续释放有害烟气。油盘灭火实验所用油盘尺寸为30cm×30cm，预燃时间为20s，测试了行李袋灭火实验中冷却效果较好的两种喷头，分别是孔径为1mm的8孔双相喷头与k系数为09的5孔单相喷头，进一步研究其在抑制液体燃烧时的冷却性能。相较于无喷雾情况，两类喷头均在80s内完成了快速冷却，而不施加细水雾时，燃烧过程持续了将近270s。这是因为释放至火焰区域的细水雾与周围环境实现快速热交换，从而降低了油盘附近空气温度，进而抑制燃料的蒸发与燃烧。值得注意的是，采用k系数为0.9的5孔单相喷头进行灭火时，油盘附近温度下降到室温后出现了两次回升，主要原因是由于细水雾喷头距离汽油表面的距离较远，水雾在油盘附近的动量较小，无法穿透火焰并彻底灭火。喷雾卷吸的气流与火焰的相互作用导致火焰变形，因此可观测到火焰中心正上方温度波动现象。（二）热辐射抑制效果对比热辐射通量是火焰的一项重要热力学特征，表示周围环境或物体受到的潜在辐射热量，影响着火灾的蔓延传播。行李袋燃烧时，固体燃烧物的形态存在随机性，所以热辐射重复测试结果一致性比汽油燃烧稍差，但曲线变化趋势具有相似性[3]。在旅行袋燃烧灭火实验中，测试了五种不同喷头组对燃烧辐射热的抑制效果，展示了灭火过程中辐射热的变化趋势，发现在施加细水雾后，辐射热通量呈现先上升后下降的趋势，其最大值均达到300W/m2以上，远超过了旅行袋自由燃烧时的热通量，在双相喷头测试中这种现象更加明显，这是因为喷雾的施加加剧了火焰的不稳定性，使火焰向周围不规则发展，在短时间内强化了燃烧现象，进而导致辐射热的增加。细水雾的施加明显使辐射热衰减过程中的下降速率变快，这主要是细水雾通过冷却降温有效抑制了火焰，降低了区域能见度从而直接起到衰减热辐射的效果。（三）水雾系统抑烟效果对比由于1000mL汽油在210cm*35cm油盘中燃烧，而500mL汽油在30cm*30cm油盘中燃烧，因此1000mL汽油燃烧的烟气产生速率和总量都显著高于500mL汽油，其中小油盘燃烧的CO最高浓度在80-100PPM之间，而大油盘汽油燃烧的在165PPM左右。可观察到，在距离火源4m远的CO浓度略大于2m远处的CO浓度。这是因为高温烟气的蔓延过程是首先向上到达车厢顶棚，然后沿着顶棚蔓延。当车厢顶部的烟气到达车厢两端后，再形成回流并逐渐向下蔓延。由于车厢顶棚高2.4m而烟气分析仪探头的高度为1.7m，因此回流的烟气先到达4m处，后到达2m处。虽然旅行袋燃烧时的热释放速率明显小于500mL汽油，但是其燃烧产生的CO浓度却高于500mL及1000mL汽油，达到了人体中毒的限值200PPM。造成此现象的原因主要是旅行袋内的棉布、塑料、纸张等可燃物处于不完全燃烧状态。当使用K=0.48单相细水雾喷头时，烟气下降效果最差。当行李袋在车厢中部和座椅下部时，甚至出现了施加水雾后CO浓度比对照组还高的现象。发生此现象的原因是K=0.48单相细水雾喷头在燃烧物位置处的雾密度低于其余喷头。使用K=0.9单相喷头和8孔1mm喷头时CO浓度下降最明显。其中K=0.9单相喷头的良好CO下降效果与对表3的分析结果一致。使用K=0.9单相喷头时，平均雾密度大且在车厢底部分布均匀。8孔1mm喷头灭火效果好，此喷头的高雾密度区恰好覆盖了燃烧物所在的位置。若燃烧物换到其他位置，K=09单相喷头依然能保持良好的灭火效果，而8孔1mm喷头的CO降低效果会显著下降。剩下的两个9孔两相喷头由于雾密度分布均匀性差，灭火效果也不佳。只有在座椅下部区域被9孔0.9mm喷头的高雾密度区覆盖，有明显的CO浓度下降效果。由于使用K=0.9单相喷头和8孔1mm喷头时，行李袋燃烧的CO浓度下降最明显，在对比分析各喷头冷却能力时，结果亦如此，这两种喷头表现最突出，所以选用了这两种喷头开展对30cm*30cm汽油油盘的灭火实验。细水雾虽然能使汽油火焰降温，但不能完全扑灭汽油燃烧。因此，两种喷头对燃烧产物的抑制效果均不明显。由于燃烧物所在的位置处8孔1mm喷头的局部雾密度大于K=0.9单相喷头，所以8孔1mm喷头的CO抑制效果更好。由于K=0.9单相喷头的雾密度分布均匀性好于8孔1mm喷头，若燃烧物移动到其他位置，K=0.9单相喷头能保持现有的CO抑制效果，而8孔1mm喷头的CO抑制效果会显著降低[4]。此外，由于在座椅遮挡作用下，细水雾难以到达座椅下部区域，所以该区域的CO浓度下降效果不明显。（四）小结1.在旅行袋燃烧灭火实验中，实验测试喷头均能实现快速冷却。2.在旅行袋灭火实验和油盘灭火实验中，均出现了短暂的强化燃烧现象，造成辐射热通量的增大，随即又逐渐减小至零。3.喷头的雾化性能直接影响细水雾灭控火性能，除应保证ARGEGuideline标准中明确的最小设计工作压力外，经喷头喷出并在喷头轴线下方1.0m处的平面上形成的直径Dv0.50小于200μm、Dv0.99小于400μm的水雾滴外，还应综合考虑其雾密度分布情况，择优选型。4.本文测量并分析了燃烧物燃烧与灭火过程中的CO最高浓度，发现旅行袋产生的有毒气体浓度达到了人体中毒的限值。在旅行袋灭火实验中，8孔1mm和k=09单相喷头对烟气的抑制效果最明显，能将烟气控制在人体有害浓度以下。对于30cm*30cm油盘灭火，使用8孔1mm喷头时，CO下降程度大于k=0.