多功能消防水-煙滅火系統實驗臺開發及實驗項目設計

徐 暉, 孫楠楠, 梁 強, 孫 磊

(中國人民武裝警察部隊學院 消防指揮系, 河北 廊坊 065000)

水滅火系統和排煙系統分別負擔著初期火災控制及煙氣排除任務。水滅火系統根據水液滴粒徑和工作壓力的不同,可分為自動噴水滅火系統、水噴霧滅火系統、細水霧滅火系統。排煙系統根據排煙方式的不同,分為自然排煙系統和機械排煙系統。火災時,兩系統往往同時工作,共同作用于同一場所[1-6]。在消防專業的本科教學中,水滅火系統和排煙系統是消防專業課程的重要內容,理論性和實踐性均較強。實驗教學作為教學環節的重要組成部分,能夠培養學員理論聯系實際以及提出問題、分析問題和解決問題的能力[7-8]。實驗教學環節中實驗臺直接影響實驗項目開發和實驗教學效果。目前常見的滅火設施實驗臺是獨立的小型滅火或排煙實驗臺,功能簡單、類型單一,很難真實反應火場實際情況。為了提高消防火災實驗平臺的系統性,本文設計開發了多功能消防水-煙滅火系統實驗臺,該實驗臺兼具靈活性和多功能性,能夠同時實現各類水滅火系統和各類排煙系統,并在實驗臺的基礎上開發了相關課程的教學實驗項目。

1 實驗臺總體設計

1.1 主體結構設計

實驗臺模擬單獨小室進行全尺寸設計。實驗臺主體框架尺寸為3.6 m×2.8 m×2.8 m,從正面按照逆時針方向編號,分別為正面為1號,右側面為2號,正面的對面為3號,正面左側面為4號,上面為5號,下面為6號。實驗臺設計圖見圖1，實景圖見圖2。

圖1 實驗臺設計圖

圖2 實驗臺實景圖

2號面墻設置一扇門,尺寸為2 m×0.8 m,位于2號面墻壁居中。在4號面墻壁設一扇窗戶,尺寸為0.8 m×1 m,窗戶距小室上沿0.3 m,左右居中,窗戶開口能夠手動調節大小。小室底部設排水孔兩處,排水孔直徑100 mm。5號頂棚面夾角處設置機械排煙口,排煙口直徑400 mm。實驗臺主體框架采用中空的方形鋼材,地面、頂棚以及各墻面全部采用鐵板覆蓋在框架之上,內部涂防火漆進行了防火處理。為了便于實驗觀測,實驗平臺的正面使用2塊面積為1.8 m×2.8 m的防爆玻璃作為墻體。為了保證實驗臺內的亮度,靠近玻璃的2個墻角各設置一部具有防護性能的LED燈光。

1.2 水滅火系統設計

實驗臺滅火系統設計為多功能水滅火系統,可以實現水噴淋系統和細水霧滅火系統的轉換,結合《建筑防火設計規范》(GB50016—2014)、《自動噴水滅火系統設計規范》(GB50084—2017)、《細水霧滅火系統技術規范》(GB50898—2013)等相關要求進行設計[9-11]。

1.2.1 水噴淋系統設計

水噴淋滅火系統主要由供水管路、滅火管路和噴頭組成。供水管路采用水帶,由消防實驗室內的墻壁消火栓提供,水帶一端接入墻壁消火栓,另一端接入實驗臺的卡口為噴淋供水。經測定實驗室內墻壁消火栓未啟泵時最大壓力為0.28 Mpa,啟泵加壓時壓力可達到0.8 Mpa,可以滿足水噴淋滅火實驗需求。水噴淋系統的管路參照防火設計規范的設計標準,主管管徑為40 mm,支管管徑為32 mm,主管道入口處為國標65消火栓卡口；管道上設有閥門和壓力變送器各1個，以便實時掌握管道壓力及噴淋壓力。噴頭設置在支管中央即房間水平方向的中央,3個噴頭可控。連接噴頭的管子為DN20,可經過安裝變徑實現標準型普通噴頭、大水滴噴頭或邊墻型噴頭的轉換。

1.2.2 細水霧系統設計

細水霧系統的實現采用本課題組前期開發的“多功能高壓單流體細水霧滅火實驗裝置”配合使用,通過轉換高壓供水軟管和細水霧噴頭形成適合本實驗臺的細水霧滅火系統[12]。細水霧滅火系統由移動式細水霧泵組、耐高壓軟管、固定管路和細水霧噴頭等組成,細水霧實驗裝置如圖3所示。細水霧泵組設計壓力為0～12 MPa,流量范圍為0～21 L/min,可滿足實驗工況和細水霧噴頭產品報告中對工作壓力的要求。

圖3 細水霧實驗裝置圖

1.3 排煙系統設計

排煙系統為多功能排煙系統,可以實現自然排煙系統和機械排煙系統的轉換,結合《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB51251-2017)的相關要求進行設計[13]。

1.3.1 自然排煙系統設計

為了滿足排煙工況實驗要求,按照《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB51251—2017)規定:建筑面積小于等于500 m2的房間,設置有效面積不小于該房間建筑面積2%的排煙窗。實驗臺設置手動自然排煙窗，實現自然排煙,排煙窗最小有效面積應為3.6 m×2.8 m×2%=0.201 6 m2,故設置有效面積為0.8 m2(寬×高為0.8 m×1 m)的自然排煙窗,排煙窗距離房間上沿30 cm,窗口為左右拉動,可根據需求調整排煙窗面積。另外,設計房門作為自然排煙系統的補風口,其尺寸為0.8 m×2 m,位于2號面中間位置,如圖1所示。

1.3.2 機械排煙系統設計

按照《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB51251—2017)規定: 建筑面積小于等于500 m2的房間,其排煙量不應小于60 m3/(h·m2)。實驗臺根據排煙工況要求,在房頂5號面與4號面夾角處設置固定消防排煙風機進行排煙。根據規范要求,實驗臺最小機械排煙量應為Q=3.6 m×2.8 m×60 m3/(h·m2)=604.8 m3/h,故實驗臺選取消防高溫排煙風機實現機械排煙,排煙風機額定風量為6 000 m3/h。排煙風機的風量可通過變頻器實現風量的調節,變頻器采用德力西三相變頻器,調頻范圍為0～50 Hz。

2 實驗臺測量參數及控制

2.1 火場溫度測量

火場溫度變化在一定程度上反應火災發展的過程,是掌握火場特性的重要指標。實驗臺中布置多個熱電偶樹,每個熱電偶樹可在豎向每隔一定距離布置若干熱電偶，見圖4，測量不同高度處的火場溫度。

圖4 熱電偶樹布置示意圖

熱電偶選用K型鎧裝熱電偶,探針長度為30 cm,測溫范圍0～1 100 ℃。為了防止水滅火系統的噴濺水滴濺到熱電偶影響溫度采集,探頭上部設置防淋罩保護。熱電偶數據配合多路溫度采集儀進行采集,數據采集儀為64路德維斯R50B采集記錄儀(見圖5),采集儀數據可通過配套軟件DataManagement導出并進行數據處理。

圖5 溫度采集記錄儀

2.2 煙氣濃度測量

實驗臺配備MRU公司生產的增強型電化學煙氣分析儀(見圖6),可測氣體有O2、CO、NO、NO2、SO2和H2S。煙氣分析儀內設有冷凝器和專用蠕動泵自動排放冷卻水,設有新鮮空氣閥,用于自動零點校正。煙氣分析儀能儲存8 500組數據,通過RS232通信接口可將數據傳輸至電腦中,可通過專用數據采集處理軟件MRU Online View進行數據處理。

圖6 增強型電化學煙氣分析儀

2.3 能見度測量

火場的能見度嚴重影響人員疏散和救援行動開展,因此火場中能見度數據獲取十分重要。實驗臺通過監測照度數據實現對火場能見度的測量。采用便攜式LED點光源和泰仕TES-1336A型數位式照度計配合使用測量照度值。點光源能提供約4 000 Lx的穩定照度,照度計每2 s進行1次照度數據采集。

2.4 壓力和流量控制

實驗臺中水噴淋滅火系統的壓力和流量來自于室內消火栓,供水噴淋系統使用時壓力需要減壓,實驗臺通過減壓閥和壓力變送器進行壓力和流量的調解和監測。壓力變送器為美控進口擴散硅壓力變送器,輸出信號為電流,量程為0～0.6 MPa;數顯為美控MIK1100智能數顯,可以智能匹配多種信號輸入,滿足實驗需求。實驗臺中的細水霧滅火系統壓力來自于柱塞式高壓水泵,通過相連的壓力表和壓力調節閥進行調解和控制,壓力可控范圍為0～12 MPa。

2.5 排煙機風量控制

實驗臺中高溫排煙風機的風量通過變頻器進行調節,變頻器調頻范圍為0～50 Hz,排煙風機額定電壓為380 V,額定風量為6 000 m3/h。為了在實驗過程中對風量的控制更為準確,對風機進行風量標定。風機風量的標定采用點測量法,在風機的截面選取多個點,取平均值。根據所測得和計算出的風機頻率與風機風量進行關系式擬合,得到風機頻率f與風量Q的線性關系為Q=105.95f+128.33,如圖7所示。通過上述方法,得到了變頻器頻率與風機風量的線性關系,可以根據實驗中風機風量的設計值求出對應的頻率,從而實現在實驗過程中對排煙風機風量的控制。

圖7 頻率與風機風量的關系

3 實驗項目設計與實踐

該實驗臺主要為我校消防工程、消防指揮、搶險救援以及安全工程等專業的本科生及研究生課程的實驗教學需求服務,為專業課程的實驗教學提供實驗平臺和設備支持。針對上述專業的培養目標，為“建筑滅火設施”“火場排煙技術”“防排煙技術及工程”等課程開設5大類實驗科目,見表1。

表1 實驗項目設計表

3.1 火災煙氣特性和流動規律實驗

本實驗通過配套設置的攝像機、熱電偶、數據采集儀器、煙氣分析儀、照度計等測量儀器，測定煙氣羽流的生成狀態、煙氣層顏色、煙氣層高度、煙氣層溫度，以及煙氣中的O2、CO、CO2濃度等參數。通過實驗操作和數據分析,使學生理解火災煙氣的生成特性和顏色變化，并且掌握煙氣層高度變化和煙氣在單室內的流動及填充規律。另外,實驗還可通過可燃物類型的轉換,使學員理解煙氣成分、毒性與物質組成之間的關系。本實驗可作為“火場排煙技術”課程中火災煙氣特性章節的配套實驗課程,主要增強學員對火災煙氣的直觀認識,了解及掌握火災煙氣的相關特性,并為后續進一步開展排煙方式等課程內容提供支持。

3.2 排煙系統的排煙效果實驗

本實驗分為自然排煙系統效果實驗和機械排煙系統效果實驗兩部分。通過配套設置的熱電偶、數據采集儀、激光片光源、高速相機等儀器，測定煙氣層溫度、環境溫度、煙氣層高度、照度等參數。通過實驗操作和數據分析,使學員理解自然排煙系統和機械排煙系統的排煙機理,掌握影響自然排煙系統和機械排煙系統排煙效果的主要影響因素,同時通過對兩種排煙系統排煙效率的比較，使學員掌握機械排煙系統和自然排煙系統各自優缺點和設置部位。本實驗可作為火場排煙技術課程中自然排煙系統和機械排煙系統章節的配套實驗課程,主要作用是加深學員對兩大排煙系統的認識,掌握各自的排煙效果和影響因素。

3.3 水噴淋滅火系統效果實驗

利用實驗臺可開展水噴淋系統滅A 類火(固體火)的滅火效果實驗。實驗過程中可改變水噴淋系統的壓力、流量、燃物種類及火源強度等工況條件,通過配套設置的熱電偶、數據采集儀器、煙氣分析儀、照度計等儀器，測定滅火時間(控火時間)、火場環境溫度、能見度、煙氣CO、O2濃度等參數。通過實驗操作及數據分析,使學員理解水噴淋系統的滅火機理,掌握水噴淋系統的滅火或控火效果以及水噴淋系統滅火效果的影響參數。本實驗可作為建筑滅火設施課程中自動噴淋滅火系統章節的配套實驗課程,能夠加深學員對水噴淋系統理論課程內容的理解和掌握。

3.4 細水霧滅火系統效果實驗

利用實驗臺可開展細水霧系統滅A類(固體火)、B類(油火)、E類(電氣設備火)等多類型火災的滅火效果實驗。通過配套設置的熱電偶、熱輻射計、數據采集儀、煙氣分析儀、照度計等儀器，可測定滅火時間(控火時間)、火場溫度、能見度、熱輻射通量，以及煙氣中CO、O2濃度等參數。通過實驗操作和數據分析,使學員理解細水霧撲救火災的滅火機理, 掌握細水霧撲救A、B、E類火災的特點，以及細水霧系統滅火效果的影響因素。本實驗可作為建筑滅火設施課程中細水霧滅火系統章節的配套實驗課程,有助于加深學員對細水霧滅火系統的認識,實現理論知識與實踐知識的結合。

3.5 水噴淋系統與排煙系統相互影響實驗

本實驗為水噴淋系統和排煙系統共同作用時的耦合影響實驗。實驗過程中改變水噴淋系統和排煙系統工況條件,通過配套設置的熱電偶、溫度采集儀、煙氣分析儀、照度計、高速相機等儀器，測定滅火時間(控火時間)、煙氣層溫度、煙氣層高度、能見度，以及煙氣中CO、O2濃度等參數。通過實驗操作和數據分析,使學員理解水滅火系統和排煙系統的相互影響關系,以及水噴淋系統和排煙系統共同作用對火場溫度及煙氣狀態的影響規律。本實驗可作為防排煙技術與工程研究生課程中火災煙氣控制基礎理論章節的配套實驗,有助于加深學員對火場煙氣層溫度和穩定狀態對排煙效果影響的認識。

4 結論

本文設計的多功能消防滅火及排煙系統實驗臺可以為消防專業及安全相關專業的實驗教學提供平臺支持,實驗臺靈活性、適應性強,可實現多種水滅火系統和排煙系統的轉換,能夠開展水滅火系統、排煙系統，以及水滅火系統和排煙系統共同作用的相關實驗，實現了由課堂教學向實驗實訓教學模式的轉變,增強了課程教學效果,豐富了教學內容。另外,實驗臺還可開展各類開放性實驗,為本科生科技創新以及高校教師的研究課題提供實驗基礎平臺。