出口歐洲動(dòng)車組高壓細(xì)水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

楊建學(xué)，王 棟，譚大偉

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

動(dòng)車組火災(zāi)隱患主要分為電氣類火災(zāi)和人為縱火兩類。電氣類火災(zāi)多由車輛電纜負(fù)載過(guò)熱及電氣短路、漏電等情況導(dǎo)致，多數(shù)發(fā)生在車上配電柜以及車下電氣系統(tǒng)。歐洲動(dòng)車組多為通勤車，具有人流大、人員擁擠的特點(diǎn)，鐵路運(yùn)營(yíng)公司普遍不設(shè)置安檢系統(tǒng)，一旦起火易引起乘客恐慌，且人員疏散極其困難。列車的內(nèi)裝材料、油漆、膠粘劑等非金屬材料雖然滿足EN 45545—2：2013《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛防火 第2部分：材料和部件的防火性能要求》[1]的阻燃標(biāo)準(zhǔn)，但并非不燃，一旦起火仍會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體及濃煙，造成乘客中毒和窒息。為滿足列車救援要求，歐洲動(dòng)車組普遍設(shè)置高壓細(xì)水霧系統(tǒng)。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)是目前歐洲軌道車輛應(yīng)用最廣泛的主動(dòng)滅火系統(tǒng)，其工作原理是采用純水作為滅火介質(zhì)，以高壓氮?dú)馄孔鳛橄到y(tǒng)的驅(qū)動(dòng)介質(zhì)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高壓氮?dú)馄康钠款^閥被打開，之后氮?dú)鈺?huì)進(jìn)入水瓶之內(nèi)，將水瓶?jī)?nèi)的水壓出并流入高壓細(xì)水霧管道內(nèi)，然后通過(guò)高壓細(xì)水霧噴頭霧化形成細(xì)水霧對(duì)車廂內(nèi)的火災(zāi)實(shí)施撲滅、控溫。

1 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 自重輕。目前所有軌道車輛對(duì)自身系統(tǒng)的減重要求十分苛刻，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)可最大程度節(jié)省水的用量。

(2) 滿足軌道車輛的長(zhǎng)編需求。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)使用一套瓶組系統(tǒng)即可滿足對(duì)整列車的保護(hù)，極大減少了系統(tǒng)部件，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕了系統(tǒng)自重，降低了系統(tǒng)成本。

(3) 對(duì)車上的電氣設(shè)備影響小。高壓細(xì)水霧顆粒直徑小，細(xì)水霧本身對(duì)電氣設(shè)備的影響非常小，降低了水基滅火介質(zhì)對(duì)車輛零部件可靠性的影響。

(4) 可有效控制液體類火災(zāi)。由于歐洲動(dòng)車組多數(shù)為長(zhǎng)途運(yùn)行，且沒有安檢措施，有乘客攜帶危險(xiǎn)品如酒精、汽油等易燃易爆物品上車的可能性，一旦起火，高壓細(xì)水霧因其獨(dú)有的特性可直接作用在火源處，起到降溫的效果，能迅速控制火災(zāi)，而其他類型的滅火方式無(wú)法有效控制火災(zāi)。

2 出口歐洲動(dòng)車組用高壓細(xì)水霧系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

歐洲軌道車輛高壓細(xì)水霧技術(shù)規(guī)范ARGE Guideline-Part1，Part2，Part3[2-4]規(guī)定，當(dāng)車輛發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)僅需在著火部位進(jìn)行噴灑，因此細(xì)水霧通常由分區(qū)閥控制對(duì)單節(jié)車輛進(jìn)行噴灑。由于動(dòng)車組普遍設(shè)置了煙感探測(cè)器，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)可配合煙感探測(cè)器進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)及撲滅聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 細(xì)水霧系統(tǒng)噴頭布置

出口歐洲動(dòng)車組高壓細(xì)水霧設(shè)計(jì)滿足ARGE Guideline-Part2 的要求，即要求客室內(nèi)細(xì)水霧不間斷連續(xù)噴灑10 min。德國(guó)FOGTEC公司在2014年9月按照ARGE Guideline-Part2 所執(zhí)行的實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)，其系統(tǒng)架構(gòu)及試驗(yàn)結(jié)果如圖2、表1所示。此項(xiàng)實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)評(píng)估后確定滿足ARGE Guideline-Part2中對(duì)于滅火系統(tǒng)的滅火能力試驗(yàn)驗(yàn)證的要求。

圖2 FOGTEC實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

參考該試驗(yàn)采用的設(shè)計(jì)理念，乘客區(qū)域采用流量系數(shù)為0.232的噴頭(即在10 MPa的工作壓力下，噴頭每分鐘噴水量為2.32 L)，且2個(gè)噴頭的間距約為3 m(但不大于3.6 m)時(shí)，可滿足ARGE Guideline-Part2的要求。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單節(jié)車廂長(zhǎng)25 m左右的動(dòng)車組布置8個(gè)左右細(xì)水霧噴頭即可覆蓋全車，實(shí)際噴頭布置數(shù)量可根據(jù)車輛實(shí)際情況在滿足原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。

表1 實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 高壓細(xì)水霧瓶組的水量配置計(jì)算及仿真

采用流量系數(shù)為0.232的噴頭，則8個(gè)噴頭在10 MPa工作壓力下10 min的噴水量W約為：W=10×2.32 L×8=185.6 L,取180 L；在實(shí)際配比過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)氮?dú)夂退谋壤s為1∶3時(shí)噴水量及霧型較好，初始?jí)毫θ?倍于噴頭的工作壓力即20 MPa。因此，在高壓細(xì)水霧瓶組的裝水量為180 L、初始?jí)毫?0 MPa的條件下，對(duì)噴灑10 min后的剩余水量和剩余壓力進(jìn)行仿真[5-7]，結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 每分鐘的剩余水量及壓力仿真結(jié)果

圖3 高壓細(xì)水霧剩余壓力和剩余水量仿真曲線

通過(guò)仿真可知，裝滿180 L水量的水瓶噴放結(jié)束后，殘留在水瓶?jī)?nèi)的水約為8.54 L，剩余壓力約為5.190 MPa，考慮水管壓降約1～1.5 MPa，則實(shí)際噴頭處的剩余壓力約為4.19～3.69 MPa，滿足NFPA 750：2019 《細(xì)水霧消防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》[6]中規(guī)定的高壓細(xì)水霧剩余壓力不低于3.5 MPa要求。仿真結(jié)果表明，180 L的水量完全可以滿足8個(gè)噴頭的設(shè)計(jì)需要，剩余的8.54 L水作為實(shí)際噴水誤差，滿足ARGE指令對(duì)于滅火系統(tǒng)噴水的要求。

2.4 高壓細(xì)水霧瓶組系統(tǒng)1∶1噴放驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)物模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：3個(gè)60 L水瓶, 2個(gè)30 L 氮?dú)馄浚?8個(gè)流量系數(shù)為0.232 的噴頭，配合采用直徑12 mm、壁厚1.5 mm的高壓細(xì)水霧不銹鋼管道。高壓細(xì)水霧瓶組單元及試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠鋰娫囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4、圖5所示。

圖4 高壓細(xì)水霧瓶組單元

圖5 高壓細(xì)水霧1∶1模型冷噴試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2個(gè)壓力傳感器分別設(shè)置在管道內(nèi)和水瓶外，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)噴放過(guò)程中壓力降低的全過(guò)程。在整個(gè)噴放過(guò)程中的壓降曲線如圖6所示。

圖6 高壓細(xì)水霧模擬噴放試驗(yàn)壓降曲線

由于安裝空間受限，壓力傳感器無(wú)法直接安裝在氮?dú)馄績(jī)?nèi)，測(cè)試過(guò)程中將壓力傳感器安裝在水瓶外，故測(cè)試壓力較實(shí)際壓力偏低。實(shí)物模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，600 s(10 min)時(shí)刻噴頭壓力為4 MPa,與仿真結(jié)果一致，能滿足NFPA750：2019對(duì)于高壓細(xì)水霧工作壓力的要求，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)上可以滿足ARGE Guideline-Part2 的要求，平臺(tái)設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

高壓細(xì)水霧主動(dòng)滅火系統(tǒng)是在車輛防火材料外對(duì)防火安全的改善和補(bǔ)充[8-10]。本文搭建的出口歐洲動(dòng)車組高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的平臺(tái)，可為后續(xù)出口歐州動(dòng)車組高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。