地鐵車輛高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)研究

肖守訥，李 丹，楊 龍

（1. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.江蘇辰泰軌道交通科技有限公司，江蘇常州 213164）

1 引言

近些年，隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路、地鐵的建設(shè)和“一帶一路”參與國(guó)家需求的激增，我國(guó)軌道交通行業(yè)迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。地鐵由于可充分利用地下空間，為人類的生活帶來(lái)了極大的便利，已經(jīng)成為城市的重要交通工具；但是地鐵在運(yùn)行過(guò)程中，由于存在空間相對(duì)狹小密閉、人員密集且無(wú)序、疏散條件有限等缺陷，極易引發(fā)各種火災(zāi)隱患[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2000年—2019年國(guó)內(nèi)外地鐵共發(fā)生火災(zāi)五十余起[2]，通過(guò)深入分析得出，火災(zāi)事故發(fā)生的主要原因如圖1所示[1]。人員密集難以疏散、排煙困難、常規(guī)消防力量難以施救等，常會(huì)造成重大的損失[3]。

圖1 2000年 — 2019年國(guó)內(nèi)外地鐵火災(zāi)原因統(tǒng)計(jì)

與地面建筑相比，地鐵發(fā)生火災(zāi)時(shí)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]：

（1）氧含量急劇下降；

（2）發(fā)煙量大；

（3）排煙排熱差；

（4）火情探測(cè)和撲救困難；

（5）人員疏散困難。

地鐵在城市的建設(shè)和發(fā)展中越來(lái)越受到重視，其系統(tǒng)的安全性及可靠性非常重要，尤其是設(shè)置火災(zāi)的預(yù)防和救助系統(tǒng)，防止火災(zāi)發(fā)生及蔓延[5]。在清潔的滅火劑中，水和氣體應(yīng)用最為廣泛，并且成本優(yōu)勢(shì)明顯。但對(duì)于電氣設(shè)備火災(zāi)來(lái)說(shuō)，水滅火劑存在導(dǎo)電的弊端，氣體滅火系統(tǒng)存在污染和維護(hù)管理不方便的劣勢(shì)，所以在科技不斷更新、環(huán)境得到重視的當(dāng)今社會(huì)，研制出成本低、滅火效果好、維護(hù)管理方便、安全經(jīng)濟(jì)的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)意義重大[6]。

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)需能夠較好地克服氣體滅火系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有氣體滅火和水滅火的雙重優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有“冷卻、消煙、持續(xù)控火滅火，以及系統(tǒng)在火災(zāi)蔓延速度不大于3 m/s的火災(zāi)場(chǎng)合可保證良好的控火滅火效果和設(shè)備維護(hù)費(fèi)低”5項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[7]。

基于此，本文設(shè)計(jì)一種適用于地鐵的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，并對(duì)其滅火性能開展試驗(yàn)研究，以論證該滅火系統(tǒng)在地鐵車輛火災(zāi)中應(yīng)用的有效性和可行性。

2 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)為主動(dòng)滅火系統(tǒng)，能夠有效地防范各種突發(fā)火災(zāi)隱患，有助于在火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速控制火情、疏散群眾。其既具有氣體滅火的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)為流動(dòng)性和淹沒(méi)性，又有水系統(tǒng)的快速降低火場(chǎng)能量和溫度的特點(diǎn)；同時(shí)具有系統(tǒng)輕便、可有效降解有毒氣體和煙塵等的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠維持現(xiàn)場(chǎng)良好的視線，為快速疏散人群創(chuàng)造條件。

2.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由控制單元（主機(jī)箱、人機(jī)接口（HMI）控制器）、報(bào)警單元（火災(zāi)探測(cè)器、攝像機(jī)）、管網(wǎng)單元（泵組、分區(qū)控制閥、管路和高壓細(xì)水霧噴頭）等部件組成，其架構(gòu)示意如圖2所示。各部件在地鐵中的設(shè)置情況如表1所示。

表1 各部件在地鐵中的設(shè)置情況

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.1.1 主機(jī)箱

主機(jī)箱采用鋁板3U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱形式，箱體采用鉚接方式連接。柜內(nèi)安裝電源功率器件，側(cè)板和頂部設(shè)有散熱孔，前面板設(shè)有便于維護(hù)的拉手裝置。其外觀如圖3所示。

圖3 主機(jī)箱外觀

主機(jī)箱內(nèi)部系統(tǒng)主要由可編程控制器、邏輯繼電器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。可編程控制器采集系統(tǒng)水位、壓力、溫度、火災(zāi)報(bào)警等輸入信號(hào)，邏輯繼電器將繼電邏輯控制程序預(yù)先存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，通過(guò)用戶調(diào)用程序，進(jìn)行邏輯分析并實(shí)現(xiàn)輸出控制，同時(shí)與視頻終端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，作為可編程控制器和視頻監(jiān)控的物理通信硬件接口，其 100 MB/s數(shù)據(jù)傳輸速度能夠保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

2.1.2 HMI 控制器

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控由視頻網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）數(shù)據(jù)總線連接，并且采用環(huán)網(wǎng)冗余的連接方式。HMI控制器安裝于司機(jī)室前端，攝像機(jī)實(shí)時(shí)給HMI控制器傳輸車廂的視頻動(dòng)態(tài)信息，火災(zāi)探測(cè)器實(shí)時(shí)給HMI控制器傳輸火災(zāi)報(bào)警信息。當(dāng)車廂發(fā)生火災(zāi)報(bào)警時(shí)，火災(zāi)區(qū)域?qū)⒃贖MI控制器上放大，以便司機(jī)進(jìn)一步確認(rèn)火災(zāi)動(dòng)態(tài)信息。此時(shí)司機(jī)可通過(guò)HMI控制器觸發(fā)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)，同時(shí)具體報(bào)警。

主機(jī)箱和HMI控制器設(shè)以太網(wǎng)接口（M12 連接器），可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，軟件的上載、下載。如圖4所示，HMI控制器由司機(jī)臺(tái)、工控電腦和側(cè)墻板組成，司機(jī)通過(guò)操作HMI控制器完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；同時(shí)，HMI控制器采集所有的事件記錄數(shù)據(jù)、系統(tǒng)啟停信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等。

2.1.3 火災(zāi)探測(cè)器

火災(zāi)探測(cè)器通過(guò)分析火焰的跳躍特性以及火焰紫外光和紅外光的特性探測(cè)著火點(diǎn)。整個(gè)探測(cè)過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)完成，并報(bào)警至司機(jī)室。如圖5所示，每節(jié)車廂的頂板安裝4個(gè)火災(zāi)探測(cè)器和4個(gè)攝像機(jī)，其探測(cè)距離為15 m，探測(cè)角度為120°，靈敏度小于6 s。

圖5 車廂一端火災(zāi)探測(cè)器和攝像機(jī)的安裝布置

2.1.4 泵組

泵組采用整體車下吊裝的安裝方式，由4×M12的螺絲與車底安裝梁進(jìn)行連接固定?？紤]到吊裝的承載運(yùn)動(dòng)沖擊環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)采用槽鋼框架焊接結(jié)構(gòu)，以保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度，滿足GB/T 21563-2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》振動(dòng)沖擊要求。同時(shí)該箱體采用車底安裝，設(shè)計(jì)按防護(hù)等級(jí)IP65的要求，面板內(nèi)采用發(fā)泡密封膠條工藝，進(jìn)一步保證了箱體的密封性。泵組外觀如圖6所示。

圖6 泵組外觀

電氣部分主要為電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元（包括電機(jī)+水泵），電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/m，流量為35 L/min，額定功率為7.5 kW，額定電壓為110 V（直流）。同時(shí)泵組設(shè)有液位、溫度、壓力的數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器以及防凍電伴熱設(shè)備。

2.1.5 分區(qū)控制閥

分區(qū)控制閥連接在整個(gè)水路管網(wǎng)中，系統(tǒng)通過(guò)控制相對(duì)應(yīng)車廂的A或 B區(qū)域電磁閥的開啟或關(guān)閉控制管網(wǎng)水路通斷，從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)的滅火區(qū)域。每節(jié)車廂安裝1個(gè)分區(qū)控制閥，質(zhì)量為5 kg，安裝在車廂底部，如圖 7所示。

圖7 分區(qū)控制閥外觀及安裝位置

2.1.6 管路

整個(gè)系統(tǒng)管路材質(zhì)采用不銹鋼304精密無(wú)縫鋼管，耐高壓、耐腐蝕。主管路吊裝于車底貫穿整個(gè)車廂，支管路通過(guò)分區(qū)控制閥分別引入車廂，如圖8所示。管路的工作壓力為10 MPa，系統(tǒng)管道的水壓力損失應(yīng)按式 （1）～式（3）計(jì)算[8-9]。

圖8 管路安裝位置示意

式（1）～式（3）中，Pf為管道水壓力損失，包括沿程水壓力損失和局部水壓力損失，MPa；Q為管道流量，L/min；L為管道計(jì)算長(zhǎng)度，包括管段的長(zhǎng)度和該管段內(nèi)管接件、閥門等的當(dāng)量長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，mm；f為摩阻系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；Re為雷諾數(shù)；μ為動(dòng)力黏度，Pa · s；Δ為管道相對(duì)粗糙度；ε為管道粗糙度，mm（對(duì)于不銹鋼管，取0.045 mm）。

（1）主管路。L= 100 m；f根據(jù)Re/Δ計(jì)算查莫迪圖為0.027；ρ= 1×103kg/m3；Q= 32 L/min；d= 16 mm；按式（1）計(jì)算得Pf= 0.59 MPa。

（2）支管路。L= 15 m；f根據(jù)Re/Δ計(jì)算查莫迪圖為0.027；ρ= 1×103kg/m3；Q= 32 L/min；d= 10 mm；按式（1）計(jì)算得Pf= 0.93 MPa。

整個(gè)管路的水壓力損失為0.59 + 0.93 = 1.52 MPa。

2.1.7 高壓細(xì)水霧噴頭

高壓細(xì)水霧噴頭的外觀及安裝位置如圖9所示，吸頂安裝，每節(jié)車廂安裝8個(gè)，其流量計(jì)算公式為[8-9]：

圖9 高壓細(xì)水霧噴頭外觀及安裝位置

式（4）中，q為噴頭設(shè)計(jì)流量，L/min；K為噴頭流量系數(shù)，L/min/（MPa）1/2；P為噴頭設(shè)計(jì)工作壓力，MPa。

本文選取P= 8 MPa，K= 0.9 L/min/（MPa）1/2，計(jì)算得出噴頭設(shè)計(jì)流量q≈8 L/min。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為：

式（5）中，Qs為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量，L/min；n為噴頭數(shù)；qi為計(jì)算噴頭的設(shè)計(jì)流量，L/min。

其中，取n= 4，qi= 8 L/min，計(jì)算得出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量Qs= 32 L/min。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 使用環(huán)境

（1）工作環(huán)境溫度范圍：-25～55 ℃；

（2）工作環(huán)境相對(duì)濕度：最濕月平均濕度不大于95%；

（3）海拔高度：≤2 500 m。

2.2.2 系統(tǒng)功能

地鐵在運(yùn)營(yíng)中一旦車廂發(fā)生突發(fā)火災(zāi)災(zāi)害，司機(jī)可通過(guò)視頻監(jiān)控確認(rèn)后啟動(dòng)高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，通過(guò)高壓細(xì)水霧噴頭噴放細(xì)水霧可以吸熱、排氧、阻輻射，從而達(dá)到控火或滅火的目的。該滅火系統(tǒng)具有如下功能：

（1）分區(qū)應(yīng)用控制功能；

（2）火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警功能；

（3）高壓泵組供給功能；

（4）噴頭管路噴淋功能；

（5）網(wǎng)絡(luò)冗余傳輸功能。

2.2.3 性能參數(shù)

（1）額定工作電壓：DC110V；

（2）輔助額定工作電壓：DC24V；

（3）額定功率：10 kW；

（4）響應(yīng)時(shí)間：≤30 s；

（5）起動(dòng)時(shí)管道的壓力：≥10 MPa；

（6）持續(xù)工作時(shí)間：≥150 s。

3 滅火性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)以A型地鐵列車車廂為具體研究對(duì)象，采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，搭建實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行一系列試驗(yàn)，驗(yàn)證該滅火系統(tǒng)在地鐵列車車廂中進(jìn)行滅火、降溫的有效性。試驗(yàn)在充分考慮地鐵列車可能存在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行，重點(diǎn)測(cè)試車廂內(nèi)人為縱火等條件下系統(tǒng)的撲救效果，主要遵循下列原則：

（1）高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)撲滅火災(zāi)或使火情得到有效控制；

（2）高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，應(yīng)能夠在列車車廂內(nèi)營(yíng)造相對(duì)安全的環(huán)境。

如圖10所示[10]，搭建模擬車廂進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)研究，試驗(yàn)空間模擬2節(jié)A型列車車廂，車廂間通過(guò)貫通道連接。單節(jié)車廂的長(zhǎng)×寬×高為22.88 m×2.88 m×2.10 m，貫通道的長(zhǎng)×寬×高為0.92 m×1.50 m×1.90 m。模擬車廂兩端設(shè)置寬度為1.5 m、高度為1.9 m的開口。

圖10 試驗(yàn)?zāi)M列車車廂

試驗(yàn)針對(duì)地鐵主要可能的火災(zāi)類型和特點(diǎn)，采用可燃行李箱火源和木垛火源衡量地鐵車廂內(nèi)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)對(duì)A類火災(zāi)的撲救能力。試驗(yàn)所用行李箱火源參考ARGE Guideline-part 2 “fire fighting in rolling stock”[11]，木垛根據(jù)GB 4351.2-2005《手提式滅火器 第2部分：手提式二氧化碳滅火器鋼質(zhì)無(wú)縫瓶體的要求》[12]中標(biāo)準(zhǔn)木垛的制作方法制作成標(biāo)準(zhǔn)火源，采用500 ml汽油倒于其下部油盤點(diǎn)燃，火源設(shè)置在車廂中央噴頭正下方或兩噴頭之間。行李箱和木垛火源實(shí)物如圖11所示。

圖11 行李箱和木垛火源實(shí)物

試驗(yàn)時(shí)點(diǎn)燃火源并開始計(jì)時(shí)，在預(yù)燃一定時(shí)間后，手動(dòng)開啟高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火，行李箱和木垛火均預(yù)燃120 s。該滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，保持噴霧3 min，觀察并記錄各參數(shù)變化。若滅火成功，則關(guān)閉滅火系統(tǒng)，觀察并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；若滅火失敗，則繼續(xù)噴霧，直至火焰被撲滅。本文共試驗(yàn)6次，試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

表2 滅火試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知：

（1）在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，對(duì)于行李箱發(fā)生的火災(zāi)，該滅火系統(tǒng)具有良好的冷卻降溫效果，可以在153 s內(nèi)滅火，且將距行李箱兩側(cè)2.0 m 以外車廂內(nèi)的環(huán)境溫度控制在60 ℃以下。

（2）當(dāng)采用 500 ml汽油潑灑木垛表面的引燃方式時(shí)（模擬中人為將可燃液體潑灑在可燃物體上），采用噴頭正下方的噴霧施加方式滅火時(shí)間為64 s，可以較為有效地?fù)錅缁馂?zāi)。同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在噴頭正下方的噴霧施加方式對(duì)木垛火災(zāi)的控火降溫效果略優(yōu)于在兩噴頭之間的。

（3）其他工況下，當(dāng)木垛位于兩噴頭之間等相對(duì)不利位置或采用下部油盤引燃木垛等容易形成深位火災(zāi)的點(diǎn)火方式時(shí)，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，該滅火系統(tǒng)可以在64 s內(nèi)控火，但無(wú)法滅火。

（4）該滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，木垛正上方1.5 m及 2.0 m處的溫度可迅速降低至60 ℃以下。由于煙氣層的下降和被擾亂，車廂內(nèi)的環(huán)境整體溫度較噴放前上升約44%，但最高處溫度可控制在55 ℃以下，低于人體的暫時(shí)耐受溫度 60 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)包括鐵路、地鐵、輕軌、有軌電車在內(nèi)的軌道交通建設(shè)正處于一個(gè)高速發(fā)展階段，已有各類軌道列車4萬(wàn)多輛。地鐵列車空間相對(duì)密閉，人員十分密集，一旦發(fā)生火災(zāi)將對(duì)人員生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此，建立適合我國(guó)地鐵列車的消防滅火系統(tǒng)尤為重要。本文針對(duì)目前地鐵車輛時(shí)常發(fā)生火災(zāi)，急需滅火系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種適用于地鐵的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)功能、應(yīng)用等做了詳細(xì)闡述，并對(duì)其滅火性能開展了試驗(yàn)研究，從而論證了該滅火系統(tǒng)在地鐵車輛上應(yīng)用的安全性和可行性。該地鐵車輛高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)系業(yè)內(nèi)首創(chuàng)和首次列裝，是一項(xiàng)預(yù)防撲救火災(zāi)的新技術(shù)，填補(bǔ)了目前車載無(wú)主動(dòng)消防系統(tǒng)的空白，在防止我國(guó)地鐵列車火災(zāi)事故的發(fā)生，減少火災(zāi)損失，保障地鐵列車的人員生命財(cái)產(chǎn)安全等方面，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。