基于國外機車車輛消防標準的車載瓶組式細水霧產品性能測試分析

翟月 肖景洋

作者簡介：

翟月（1985- ），女，滿族，遼寧開原人，本科，機械工程師，研究方向：機械。

摘要：

近年來軌道交通發展迅猛，而軌道交通消防安全一直是備受人們關注的重要課題。新版ARGE Guideline《鐵路車輛消防》技術標準對城市軌道交通車載細水霧主動消防系統作出了相應技術要求。本文依據ARGE Guideline標準，結合中國地鐵車輛的制式條件，測試分析車載細水霧系統的實際運行工況和空間條件限制，在軌道交通車輛乘客區域消防用瓶組式低壓、高壓細水霧控滅火系統的測試和評估方面得到了初步測試經驗。

關鍵詞：瓶組；低壓；高壓；車載細水霧

引言

軌道交通車輛運行過程中的安全受到人們的廣泛關注，其中危害最大的是軌道交通車廂客室內的火災。一旦出現車廂內起火情況，在車廂封閉空間內的有毒有害氣體迅速蔓延，將造成巨大的人員傷亡與公共財產損失。細水霧系統被認為是一種高效節約的滅火與防護手段，可以在火災發生初期遏制火災發展，控制火災規模、降低火災危險性。在實際應用中選擇合適的細水霧系統方式，對保障經濟效益、提升軌道交通設備運行安全穩定性非常關鍵。

一、ARGE Guideline

ARGE Guideline《城市軌道交通車輛細水霧滅火系統》中明確了細水霧滅火系統應能撲滅或抑制表2中規定的火源類型或滿足城市軌道交通車輛實際運營要求，但撲滅或抑制的滅火性能不應低于表2中規定的火源類型。細水霧滅火系統對表2火源類型進行滅火，環境參數應滿足附表1規定的要求。

本文圍繞旅行袋火源展開測試，采用了不同型式的典型噴頭進行數據分析匯總，引入了汽油火進行對比。

二、系統控火效能實驗設計

實驗在一節列車車廂里進行，車廂長為19m，寬為28m，最大高度為2354m，還原了真實車廂全尺寸結構。依據地鐵車廂實際情況，單節車廂分為2個防火分區，1個防火分區內同時開啟4個水霧噴頭。如圖1（a）所示，噴頭安裝高度均為2.04m，左起第一個細水霧噴頭位于距離左端115m處，然后從左至右以258m、22m、154m的間隔沿著中軸線依次安裝其余3個噴頭。當應用單相流噴頭組時，僅安裝了3個噴頭，氮氣瓶壓力為20Mpa，容量為50L，所用水罐一次性可儲水60L；當應用雙相流噴頭組時，沿軸線安裝了4個噴頭，所用水罐一次性可儲水80L[1]。

車廂的頂棚、側壁以及地面均可視作絕熱，車廂內部兩側各有一組高45cm、寬48cm、長180cm的座椅。燃燒物分別置于車廂中部、座椅上部和座椅下部。其布置形式如圖1。

在火源一側同樣水平位置處放置兩個煙氣分析儀探頭，距地面高度為1.7m，兩個煙氣分析儀型號均為德國Testo350煙氣分析儀，測量時間間隔為1s，可監視區域內

CO、CO2、NO以及NOx氣體的濃度，用以表征煙氣特征。為保證測試數據更有說服力，測試噴頭選用了五種不同型號噴頭，對五種噴頭的霧密度均勻度進行了詳細測試，詳見表3。

極差=最大測得值-最小測得值；標準差指的是所有50個測點處測量值的標準差；平均值指的是所有50個測點處測量值的平均值。

三、實驗結果與分析

軌道交通細水霧系統控火效能的實驗對比驗證從測試噴頭組的冷卻能力、衰減熱釋放以及煙氣抑制能力三個方面開展，燃燒物燃燒與滅火過程中的溫度、輻射熱通量、多種煙氣氣體濃度等特征參數被實時采集，實驗全程用一臺DV攝像機記錄。

（一）水霧系統冷卻能力對比

在行李袋滅火實驗中，預燃100s后開啟滅火，五種噴霧系統行李袋上方附近熱電偶溫度數據隨時間變化情況，發現均能成功使燃燒的行李袋附近溫度快速降低至室溫，噴頭之間差異并不明顯。這是因為不論是位于車廂中部、座椅上部還是座椅下部[2]，行李袋燃燒產生的明火較易撲滅，其中當行李袋位于車廂中部時，完成冷卻的時間大約為60s。當行李袋位于座椅上方時，完成冷卻的時間大約為80s。當行李袋位于座椅下部時，完全冷卻的時間約為50s。孔徑為1mm的8孔雙相噴頭與k系數為0.9的5孔單相噴頭的冷卻速率稍快于其他噴頭，恢復至室溫所需的時間更短，表明其冷卻能力較強。在噴霧結束后檢查燃燒殘留物時，發現雖然明火被快速撲滅，但行李袋內的棉布、塑料杯、膠鞋等材料仍處于陰燃狀態，并持續釋放有害煙氣。

油盤滅火實驗所用油盤尺寸為30cm×30cm，預燃時間為20s，測試了行李袋滅火實驗中冷卻效果較好的兩種噴頭，分別是孔徑為1mm的8孔雙相噴頭與k系數為09的5孔單相噴頭，進一步研究其在抑制液體燃燒時的冷卻性能。相較于無噴霧情況，兩類噴頭均在80s內完成了快速冷卻，而不施加細水霧時，燃燒過程持續了將近270s。這是因為釋放至火焰區域的細水霧與周圍環境實現快速熱交換，從而降低了油盤附近空氣溫度，進而抑制燃料的蒸發與燃燒。值得注意的是，采用k系數為0.9的5孔單相噴頭進行滅火時，油盤附近溫度下降到室溫后出現了兩次回升，主要原因是由于細水霧噴頭距離汽油表面的距離較遠，水霧在油盤附近的動量較小，無法穿透火焰并徹底滅火。噴霧卷吸的氣流與火焰的相互作用導致火焰變形，因此可觀測到火焰中心正上方溫度波動現象。

（二）熱輻射抑制效果對比

熱輻射通量是火焰的一項重要熱力學特征，表示周圍環境或物體受到的潛在輻射熱量，影響著火災的蔓延傳播。行李袋燃燒時，固體燃燒物的形態存在隨機性，所以熱輻射重復測試結果一致性比汽油燃燒稍差，但曲線變化趨勢具有相似性[3]。

在旅行袋燃燒滅火實驗中，測試了五種不同噴頭組對燃燒輻射熱的抑制效果，展示了滅火過程中輻射熱的變化趨勢，發現在施加細水霧后，輻射熱通量呈現先上升后下降的趨勢，其最大值均達到300W/m2以上，遠超過了旅行袋自由燃燒時的熱通量，在雙相噴頭測試中這種現象更加明顯，這是因為噴霧的施加加劇了火焰的不穩定性，使火焰向周圍不規則發展，在短時間內強化了燃燒現象，進而導致輻射熱的增加。細水霧的施加明顯使輻射熱衰減過程中的下降速率變快，這主要是細水霧通過冷卻降溫有效抑制了火焰，降低了區域能見度從而直接起到衰減熱輻射的效果。

（三）水霧系統抑煙效果對比

由于1000mL汽油在210cm*35cm油盤中燃燒，而500mL汽油在30cm*30cm油盤中燃燒，因此1000mL汽油燃燒的煙氣產生速率和總量都顯著高于500mL汽油，其中小油盤燃燒的CO最高濃度在80-100PPM之間，而大油盤汽油燃燒的在165PPM左右。可觀察到，在距離火源4m遠的CO濃度略大于2m遠處的CO濃度。這是因為高溫煙氣的蔓延過程是首先向上到達車廂頂棚，然后沿著頂棚蔓延。當車廂頂部的煙氣到達車廂兩端后，再形成回流并逐漸向下蔓延。由于車廂頂棚高2.4m而煙氣分析儀探頭的高度為1.7m，因此回流的煙氣先到達4m處，后到達2m處。雖然旅行袋燃燒時的熱釋放速率明顯小于500mL汽油，但是其燃燒產生的CO濃度卻高于500mL及1000mL汽油，達到了人體中毒的限值200PPM。造成此現象的原因主要是旅行袋內的棉布、塑料、紙張等可燃物處于不完全燃燒狀態。

當使用K=0.48單相細水霧噴頭時，煙氣下降效果最差。當行李袋在車廂中部和座椅下部時，甚至出現了施加水霧后CO濃度比對照組還高的現象。發生此現象的原因是K=0.48單相細水霧噴頭在燃燒物位置處的霧密度低于其余噴頭。使用K=0.9單相噴頭和8孔1mm噴頭時CO濃度下降最明顯。其中K=0.9單相噴頭的良好CO下降效果與對表3的分析結果一致。使用K=0.9單相噴頭時，平均霧密度大且在車廂底部分布均勻。8孔1mm噴頭滅火效果好，此噴頭的高霧密度區恰好覆蓋了燃燒物所在的位置。若燃燒物換到其他位置，K=09單相噴頭依然能保持良好的滅火效果，而8孔1mm噴頭的CO降低效果會顯著下降。剩下的兩個9孔兩相噴頭由于霧密度分布均勻性差，滅火效果也不佳。只有在座椅下部區域被9孔0.9mm噴頭的高霧密度區覆蓋，有明顯的CO濃度下降效果。

由于使用K=0.9單相噴頭和8孔1mm噴頭時，行李袋燃燒的CO濃度下降最明顯，在對比分析各噴頭冷卻能力時，結果亦如此，這兩種噴頭表現最突出，所以選用了這兩種噴頭開展對30cm*30cm汽油油盤的滅火實驗。細水霧雖然能使汽油火焰降溫，但不能完全撲滅汽油燃燒。因此，兩種噴頭對燃燒產物的抑制效果均不明顯。由于燃燒物所在的位置處8孔1mm噴頭的局部霧密度大于K=0.9單相噴頭，所以8孔1mm噴頭的CO抑制效果更好。由于K=0.9單相噴頭的霧密度分布均勻性好于8孔1mm噴頭，若燃燒物移動到其他位置，K=0.9單相噴頭能保持現有的CO抑制效果，而8孔1mm噴頭的CO抑制效果會顯著降低[4]。此外，由于在座椅遮擋作用下，細水霧難以到達座椅下部區域，所以該區域的CO濃度下降效果不明顯。

（四）小結

1.在旅行袋燃燒滅火實驗中，實驗測試噴頭均能實現快速冷卻。

2.在旅行袋滅火實驗和油盤滅火實驗中，均出現了短暫的強化燃燒現象，造成輻射熱通量的增大，隨即又逐漸減小至零。

3.噴頭的霧化性能直接影響細水霧滅控火性能，除應保證ARGE Guideline標準中明確的最小設計工作壓力外，經噴頭噴出并在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑Dv0.50小于200μm、Dv0.99小于400μm的水霧滴外，還應綜合考慮其霧密度分布情況，擇優選型。

4.本文測量并分析了燃燒物燃燒與滅火過程中的CO最高濃度，發現旅行袋產生的有毒氣體濃度達到了人體中毒的限值。在旅行袋滅火實驗中，8孔1mm和k=09單相噴頭對煙氣的抑制效果最明顯，能將煙氣控制在人體有害濃度以下。對于30cm*30cm油盤滅火，使用8孔1mm噴頭時，CO下降程度大于k=0.9單相噴頭。

結語

對行李袋火源施加細水霧，均能成功使其附近溫度快速降低至室溫，對火源有一定的抑制作用。為了更好對火源類型進行對比，本文特引入了汽油火的相關測試，并獲取了寶貴的滅火系統工程應用技術參數，指導系統設備的選型及設置。

依據ARGE Guideline標準設計的滅控火實驗，充分說明了瓶組細水霧控滅火系統消防系統能夠為乘客區的人員創造一個“相對安全的區域”，為保證系統更安全穩定，噴頭的選型至關重要。

參考文獻

[1]

潘愛霞.簡析高壓細水霧滅火系統在地鐵車站中的應用[J].現代城市軌道交通，2010（04）：75-76.

[2]鄭偉，許磊.細水霧滅火系統在地鐵車輛上的應用研究[C].2021中國消防協會科學技術年會論文集，2021.

[3]魏淵.氣體滅火系統與高壓細水霧滅火系統在地鐵中的應用比較[J].水上消防，2022（03）：34-37.

[4]翟君.車載細水霧系統在地鐵中的應用研究[J].價值工程，2022，41（19）：141-143.