新一代地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術及其應用

文·圖/史聰靈 李建 甘立平

地鐵防災系統是火災發生時地鐵安全的重要保障。中國安全生產科學研究院研發的地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術可以在地鐵開通前，通過一次試驗，檢測地鐵各防災系統的聯動情況、工作效果和可靠性。近年來，該技術和裝置在第一代基礎上又進行了升級，通過自動化、模塊化、集成化設計，實現精確控制，目前已經在國內地鐵廣泛應用，效果良好。

近十年，我國地鐵建設進入蓬勃發展階段，各大城市地鐵客流屢創新高，在城市交通中所占比重也越來越高。地鐵在給城市帶來便捷、節能、環保出行方式的同時，也存在著諸多安全問題，比如火災、地鐵出軌、人員踩踏等。隨著我國地鐵建設標準的逐漸完善，在地鐵設計階段就已經考慮應對以上災害。如針對火災，設計有火災自動探測報警系統、環境與設備監控系統、綜合監控系統、通風排煙系統、警鈴、聲光報警、防火卷簾、應急廣播、乘客信息系統、站臺門、疏散指示系統等防災系統，這些系統的聯合工作是火災發生時地鐵安全的重要保障。

然而，以上系統在設計和施工時，通常由不同單位執行，難以確保各系統能否協同有效工作。傳統方法為：在開通前會開展聯調聯試，但由于聯調聯試大部分采取冷煙調試，無法模擬真實火災，無法測試出真正的排煙效果。

為此，中國安全生產科學研究院研發了第一代地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術和裝備。該技術采用固定面積的油池火來模擬火災，采用燃燒煙餅的方式來模擬火災煙氣。該技術可以在地鐵開通前，通過一次試驗，檢測地鐵各防災系統的聯動情況、工作效果和可靠性。

近年來，中國安全生產科學研究院在第一代地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術的基礎上，通過自動化、模塊化、集成化設計，實現精確控制，研發形成新一代地鐵防災系統熱煙測試技術和裝置。核心裝置包括：火源和發煙系統、流速測量系統、溫度測量系統等。

圖1 火源和發煙系統

圖2 遠程控制系統界面

火源和發煙系統

火源系統：采用自動化和模塊化設計，由控制箱、燃燒器、空氣箱、風機、燃料箱、遠程控制系統等組成（見圖1）。原理是通過可控流量的甲醇供應系統向燃燒器提供燃料，由可變轉速的風機向燃燒器提供新鮮空氣，甲醇在燃燒器輸出口霧化燃燒，使得系統安全可控，通過精確控制燃料供應速度，控制燃燒曲線，可以實現MW 級的任意火源功率曲線的精確化輸出?？刂葡到y具備遠程操作功能（見圖2），響應速度50 ms，最遠可在100 m 外遠程操控火源系統啟動、設置火源參數、關閉等，同時具備急停功能，確?，F場檢測安全。

發煙系統：首先通過點燃器點燃煙餅，再通過伺服控制系統控制旋轉器動作，將點燃的煙餅注入燃燒倉。本裝備可無極調速、精確控制煙餅注入量，實現不同材料發煙特性的模擬。

流速測量系統

針對樓扶梯、站臺門洞、隧道斷面等流速測量效率低下問題，研發了可拆卸式組合式阿牛巴流量計和大斷面隧道流量計。

可拆卸式組合式阿牛巴流量計：基于阿牛巴流量計（是根據皮托管測速原理發展起來的一種新型差壓流量檢測式元件，它輸出為差壓信號，與測量差壓的儀器儀表配套使用，可準確測量圓形管道、矩形管道中的多種液體、氣體和蒸汽的流量）原理開發，由固定檢測桿、連接檢測桿、均流管等組成，可通過調整檢測桿的組合，實現不同面積斷面流速的一次性測量，測速范圍0 ～30 m/s，可適用于樓扶梯開口、站臺門等各類截面流速的測量（見圖3）。

大斷面隧道流量計：由支架、旋轉軸、測量靶、驅動單元以及多個風速探頭組成，測量靶安裝在旋轉軸上，并向隧道的徑向延伸，多個風速探頭均勻分布在測量靶上，由驅動單元驅動測量靶自動轉動，可對隧道的整個截面形成風速的測量（見圖4）。

圖3 可拆卸式組合式阿牛巴流量計

圖4 大斷面隧道流量計

溫度測量系統

溫度測量系統包括分布式組網數字化溫度測量系統和高溫火焰輻射測溫裝置。

分布式組網數字化溫度測量系統：主要用于現場煙氣溫度測量，由溫度測量串、傳輸采集模塊和數據采集軟件等組成?？蓪崿F幾千個測量點、數千米距離范圍的同時組網測量，測溫精度可達±0.1℃。

高溫火焰輻射測溫裝置：主要用于現場火源溫度測量，具有非接觸、融合多通道信息、數字化、寬覆蓋視場、寬動態范圍、高溫溫度動態測量等特點，在2 000℃以上的測溫范圍內還能保持測溫誤差＜1%。

技術優勢

相對于現有地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術，新一代技術和裝備優勢顯著，主要體現在以下4 個方面：

精確化

新一代火源系統通過高精度傳感器，精確控制燃料供應量，同時根據燃料供應量，通過可變轉速的風機提供相應總量的新鮮空氣，確保充分燃燒。通過精確化控制燃料供應量，可以實現MW 級的任意火源功率曲線的精確化輸出。

傳統地鐵防災系統測試中，采用人工測量單點流速的方式，存在測點位置不均勻、人工測量誤差大等不足，可拆卸式組合式阿牛巴流量計采取均勻布置吸氣點，一次性測量整個斷面流速的方式，隧道大斷面流速測量裝置通過旋轉測量靶的方式，對整個斷面流速進行測量，可以有效減少人工誤差、提升測量精度。

高效化

可拆卸式組合式阿牛巴流量計設置上百個測點，可實現對站臺門洞和樓扶梯口斷面流速、流量的整體測量，相對于傳統人工單點測量，測量效率最高提升80 倍。

隧道大斷面流速測量系統，通過測量靶自動旋轉，快速對整個隧道斷面流速進行測量，測量效率提升顯著。

分布式組網數字化溫度測量系統可實現幾千個測量點、數千米距離范圍的同時組網測量，有效解決了城市軌道交通防災安全現場熱煙測試的測量空間大、測點多、傳輸距離遠等傳統熱電偶無法實現的難題。

自動化

通過遠程控制系統設置煙餅注入速度、系統啟停等，采取伺服控制系統控制發煙系統旋轉器動作，將點燃的煙餅注入燃燒倉，全程為自動化控制，無需人工操作。

火源系統通過遠程控制系統，可實現系統自檢、點火、火源功率曲線設定、滅火、緊急關閉系統等操作。

安全

火源系統采用液體燃料霧化后燃燒，而非直接燃燒，通過精確控制霧化量，控制燃燒速度，可隨時停止燃料供應，關閉燃燒系統。另外，遠程控制系統設置急停按鈕，緊急情況下可切斷燃料供應，確保測試安全。通過精確控制新鮮空氣供應量，提高燃燒效率，減少一氧化碳等不充分燃燒的產物。主體結構材料選用具有良好耐蝕性、耐熱性、高溫強度和機械特性的不銹鋼材料，確保設備穩定。

圖5 新一代地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術在寧波地鐵的應用

應用案例

中國安全生產科學研究院正積極推廣新一代地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術和設備，目前已經在寧波、廣州等地鐵先后進行現場應用。

根據測試規范要求，火源系統現場產生預設升功曲線的火災，發煙系統根據設定的發煙速度自動發煙，溫度測量系統自動測量和記錄煙氣溫度和火焰溫度，流速測量系統一次性對整個斷面流速進行測量。

現場應用表明，自動化火源系統及發煙裝置能夠自動點火、自動發煙，能夠產生用戶需要的高溫熱環境，模擬所需的火災功率曲線，能夠根據用戶需求調整產煙速度，模擬不同類型火災。組合式阿牛巴斷面風速測量裝置能夠一次性對整個截面進行測量，可增減檢測桿數量，調整測量截面高度，調整測量桿長度，改變測量截面寬度，相比一代技術，可以實現樓扶梯、站臺門等斷面流速的快速測量，滿足測試需求。溫度測量系統可同時對整個車站溫度場進行實時測量和記錄（見圖5）。

總體而言，新一代地鐵防災系統全尺寸熱煙測試技術，通過模擬真實火災，并采集各項指標參數，能準確對防災系統防災能力進行定量分析和評估，能精確、高效、自動檢測地鐵防災系統的工作效果，且能確保測試安全。本技術在寧波地鐵中應用情況良好，具備向全國推廣的價值。[本文作者史聰靈、李建，單位系中國安全生產科學研究院交通安全研究所；甘立平，單位系四川法瑞檢測設備有限公司。本文得到國家自然科學基金項目（51622403），中國安全生產科學研究院基本科研業務費專項（2019JBKY12、2019JBKY02），中國安全生產科學研究院“萬人計劃”入選人才特殊支持經費項目（WRJH201801）等項目資助，作者在此表示感謝。]