機械通風對艦船機艙火災煙氣控制實驗研究

，，，

(1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；2.海軍研究院，北京 100161)

艦船具有結構復雜、空間狹窄、交通條件受限、火災處置難度大、起火點難以確認等特點[1]，火災煙氣常常造成大量人員傷亡，嚴重威脅艦船生命力，在船舶工業快速發展的進程中一直受到廣泛關注[2]。機艙作為艦船動力系統所在地，存在大量燃油及潤滑油、高溫設備等火災危險源，一旦艦船機艙發生火災事故，將難以保證艦船安全[3]。因此，科學合理地設計艦船防煙控制對于減緩火災蔓延、爭取人員疏散時間、保障艦船生命力，具有重要意義[4]。

英、美等國海軍曾開展了大量關于艦船火災煙氣控制的研究[5]，涉及控煙區域劃分、火災后環境快速恢復、限制煙氣蔓延等。1992年，美國海軍在Shadwell號上開展實船大尺度實驗[6]，測試固定式排煙系統性能[7]。2001年，美國海軍又進行了武器攻擊條件下的火災煙氣控制實驗[8]。我國對于艦船火災煙氣的研究也取得了一些進展，例如艦船大空間艙室火災煙氣填充、封閉艙室火災煙氣溫度特性、頂部開口艙室火災煙氣特性等方面的研究。我國的研究人員進行了全尺寸機艙火災煙氣填充試驗，研究不規則截面艙室的煙氣沉降規律,同時改變油池尺寸和抬升火源研究火源功率和火源高度對煙氣溫度分布和煙氣層沉降的影響[9]。我國的研究人員還運用火災動力學軟件FDS對CRH2A動車組的一節車廂進行了模擬計算。分別采用機械排煙系統、空氣幕系統及二者復合系統對車廂內煙氣進行控制,對比分析不同排煙系統下車廂內煙氣溫度、煙氣層高度和O2、CO、CO2體積分數的變化規律[10]。

針對艦船機艙機械通風控煙問題，結合艦船機艙通風系統的現實情況，開展艙內不同排煙量、不同補風口高度及單雙側補風口配置方案的實驗，揭示不同排煙和補風速率以及不同補風口配置對于艦船機艙火災發展過程和典型火災參數變化規律的影響。

1 實驗方法與工況設計

實驗在陸地上的模擬實驗艙內進行，艙體頂板為8.5 m(長)×7.6 m(寬 )，底板為8.5 m(長)×6 m(寬)，整艙高2.7 m，內底之下的弧形底板高0.8 m，內部下層高度為0.7 m，上層高度為1.2 m。模擬實驗艙見圖1。

圖1 模擬實驗艙

根據美國海軍實驗，機艙發生火災后，將通風系統反轉轉換為排煙狀態，即將原送風系統改為排煙系統、原排風系統改為補風系統[11]。因此，本機艙通風系統也采用類似布局，見圖2。在排煙狀態下，機艙共布置了2臺排煙風機，2臺補風機。排煙口尺寸為1 m(長)×0.5 m(寬)，補風口尺寸為0.75 m(長)×0.75 m(寬)。

圖2 通風管路布置

實驗火源采用油池火形式，油盤直徑為0.4 m，燃料為庚烷，每次實驗中的庚烷用量均為3.5 L，油盤布置在2臺主機之間。在2臺輪機之間的通道處布置了A、B、C 3組熱電偶樹，在機艙內樓梯附近布置了D熱電偶樹，在人孔位置布置了E熱電偶樹，油盤及熱電偶樹的位置見圖3。

圖3 油盤位置示意

實驗中為實現燃料的質量損失速率(MLR)、艙內溫度、O2、CO、CO2體積分數、火焰形態、煙氣流動狀態的測量，將油盤放置在D&T ES60K型電子天平上，通過與計算機實時傳輸重量，可以測定燃料的質量損失速率(MLR)；在艙內設置了5組熱電偶樹，可以實現艙內溫度的實時采集；選用英國KANE公司KM9106型煙氣分析儀，該煙氣分析儀可同時測量O2、CO、CO2體積分數，測量數據可實時傳輸至計算機。

2 補風口位置對煙氣控制效果影響

2.1 溫度分布

根據實驗方案的設計，采用直徑為40 cm、初始燃料量為3 500 mL的正庚烷池火作為火源。實驗中測量了燃料質量變化和艙內O2、CO、CO2體積分數、溫度等火災參數。

補風口位置對機艙火災影響的研究中，共開展不同補風口配置工況8組，每組工況實驗次數為2次，實驗分析中所提供的數據為2次重復實驗的平均值。補風口高度分別為0.15、0.45、0.75、1.05 m，分別測試了單側及雙側補風配置。

與雙側補風工況相比，單側補風工況火焰熄滅后的降溫過程持續時間更長，不利于火災后消防人員進入。與其他補風口高度相比，當補風口高度為1.05 m時，通道處的峰值溫度最低。對于人孔處的溫度而言，補風口高度為0.75 m雙側補風工況溫度控制效果最好。見圖4、5。

圖4 通道處溫度分布(熱電偶樹C)

圖5 人孔處溫度分(熱電偶樹E)

2.2 燃料質量損失速率

燃料質量損失速率反映了火源燃燒狀態，艙室上部煙氣溫度及油盤附近空氣氧含量影響了燃料質量損失速率的變化，隨著燃燒的進行，艙室上部煙氣溫度上升，熱煙氣對油池的熱輻射得到增強，加速了燃料的蒸發過程；而逐漸降低的氧含量導致火焰溫度下降，進而降低了燃料的輻射熱通量。在機械通風的影響下，機艙上部的熱煙氣被排出，艙內氧氣也得到了補充，上述過程受到了影響。各工況平均質量損失速率見圖6。

圖6 不同補風高度工況質量損失速率

2.3 氣體體積分數

煙氣中的O2、CO、CO2體積分數直接影響人員生命安全，是重要的火災參數。不同工況下的O2、CO、CO2體積分數見圖7、8、9。

較高的氧氣體積分數以及較低的CO、CO2體積分數是煙氣控制的目標。由圖7、8、9可以看出，補風口高度為1.05 m時雙側補風工況煙氣控制效果最好，而補風口高度為0.45 m時雙側補風工況煙氣控制效果最差。綜合考慮，應當選用補風口高度為1.05 m雙側補風通風配置最佳。

圖7 不同補風高度工況O2體積分數

圖8 不同補風高度工況CO體積分數

圖9 不同補風高度工況CO2體積分數

3 補風量對煙氣控制效果影響

在補風量對機艙火災影響的研究中，共取不同補風量工況5組，每組工況實驗次數為2次，實驗分析中所提供的數據為2次重復實驗的平均值。5組機械通風實驗工況使用了補風口高度為1.05 m雙側補風通風配置，設計補風量1.47 m3/s。機械補風量分別為設計風量的0、60%、70%、90%、100%。

3.1 溫度分布

在60%補風量工況下，火最先熄滅時間約為220 s，說明在火災情況下，適當降低補風量可以控制火災發展；在100%補風量工況下，火災持續時間較長，熄火時間約為450 s，此時風機工作在設計補風量條件下。盡管補風量對于火災發展有明顯影響，但無通風工況下的火災持續時間最長，艙內溫度也最高。對于該機艙，火災條件下應保持通風。見圖10。

圖10 頂棚下方10 cm處溫度-時間變化曲線

3.2 燃料質量損失速率

在火災增長階段，70%補風量及90%補風量工況的質量損失速率增加較快，且達到峰值的時間較短；其余有通風工況質量損失速率變化基本相同；無通風對照組的燃料質量損失速率先緩慢增加，隨后基本保持在較低水平不變。由此可見，補風量對于燃料質量損失速率的影響符合前文的分析，即通風對于機艙火災的雙重影響。見圖11。

圖11 不同補風量工況質量損失速率

3.3 氣體體積分數

庚烷燃燒產生了大量CO2及不完全燃燒產物CO，而機械通風引入艙內的新風稀釋了CO、CO2體積分數，有利于保障損管人員生命安全。新風補充了燃燒消耗的O2，支持了燃燒的進行，因此，在氣體體積分數方面，機械通風同樣具有對火災的雙重效應[12]。

在維持艙內O2方面，90%補風量工況效果最好，與質量損失速率的實驗結果相對應，較高的O2體積分數有利于燃燒進行。相關研究表明，CO能夠迅速與血紅蛋白結合，導致人體缺氧；較高體積分數的CO2能夠刺激人的呼吸系統中樞，導致人過多吸入火災煙氣[13]。100%補風量工況下，CO與CO2體積分數均比其他工況低。該工況能夠為救援人員提供更加有利的施救條件。見圖12、13、14。

圖12 不同補風量工況O2體積分數

圖13 不同補風量工況CO體積分數

圖14 不同補風量工況CO2體積分數

4 結論

針對艦船機艙機械通風控煙問題，結合艦船機艙通風系統的現實情況，開展艙內不同排煙量、不同補風口高度及單雙側補風口配置方案的實驗，揭示不同排煙和補風速率及不同補風口配置對于艦船機艙火災發展過程和典型火災參數變化規律的影響。實驗結果表明：

1)能夠通過改變補風口高度位置、補風量大小、單雙側補風等參數，優化艦船機艙煙氣控制效果。

2)為實現最佳的控煙效果，針對該艦船機艙，應采用1.05 m補風口高度雙側補風90%以上補風量配置。