小型卷煙倉庫火災細水霧噴淋效果研究

吳燃

摘要：煙草制品具有易燃特性，在倉庫中集中堆放極易發生火災。目前，為減少經濟損失，煙草制品火災撲救通常采用細水霧噴淋。通過在火災模擬軟件pyrosim中對某小型卷煙倉庫進行建模，對火源位于不同位置時的煙氣擴散過程及毒性危害程度（通過FED值進行表征）進行了研究，并對噴頭位于不同高度時的噴淋效果進行了分析。通過對不同火源位置進行模擬，發現火源位于下層貨架時危險性最高，并提出了相應的防范措施。通過對噴頭的不同高度進行模擬，發現不同高度噴頭對煙氣擴散過程幾乎沒有影響。另外，噴頭高度越高，溫度上升和有毒氣體擴散越快，噴淋效果越差，所以在設置噴頭時要注意選擇最佳高度。

關鍵詞：卷煙倉庫；火災；噴淋；后果模擬

煙草制品由于自身特性易發生有焰燃燒和陰燃[1]。卷煙倉庫中煙箱堆放集中，發生火災后產生的危害性更加嚴重，同時會造成較大的經濟損失[2]。針對卷煙倉庫火災，部分學者進行了相關研究。羅天德等[3]通過高壓細水霧在煙草庫房中典型的堆放方式進行實體火災試驗，驗證高壓細水霧系統保護煙草庫房的有效性。通過高層貨架試驗和堆積貨架試驗發現高壓細水霧都能在短時間內滅火。以某失火煙草倉庫為原型，構建接近于真實的虛擬火災現場。陳永峰等[4]通過模擬煙氣運動規律及煙氣危害評價因子隨時間變化曲線，分析得出位置不同煙氣危害的效果也不同，分析得出熱輻射是造成人員傷亡的重要原因。徐剛[5]介紹了煙草倉庫消防安全現狀，分析了煙草倉庫的火災危險性和特點，提出了加強煙草倉庫消防安全管理的措施，結合目前煙草倉庫發展趨勢，就如何做好煙草倉庫火災撲救工作提出了對策和注意事項。本文在之前學者研究的基礎上以某小型卷煙倉庫火災為對象，研究不同火源位置和不同噴淋高度對細水霧噴淋效果的影響。

1 后果評價模型

針對火災事故后果存在不同的評價模型，火災事故時人員暴露考慮有毒氣體和溫度熱輻射以評估死亡概率和后果影響，目前常用的評估模型是FED模型[6]。FED模型可以綜合考慮有毒氣體、高溫以及熱輻射的綜合影響，因而本研究選擇FED模型評價法進行火災事故后果評價。

通過FED模型結合有毒氣體對人員的相對有效暴露劑量作為標準。氣體通常考慮CO、CO2、HCN、HCl、HBr、O2，針對火災事故場景，選擇CO、CO2、O2濃度綜合評估毒性氣體的影響。

式中，CCO、、表示氣體體積濃度，單位mg/L。

基于FED原理，煙氣熱輻射的傷害模型為[7]：

式中，代表計算機仿真時間步長；T代表溫度，℃；q代表熱輻射通量，kW/m2。

本文選取FED模型對火災事故造成的人員傷害進行評估。事故后果嚴重程度按照FED值進行劃分為輕微（0＜FED≤0.2）、中等（0.2＜FED≤0.6）、嚴重（0.6＜FED≤0.8）、特別嚴重（0.8＜FED）[8]。

2 建模及參數設置

2.1? 模型建立

本研究選取某小型卷煙倉庫為研究對象，該倉庫共有3個卷煙貨架，每個貨架間距2m便于叉車開入取煙。每個貨架長5m，寬1.4m，高4m，分為上、中、下三層，每層存放3箱卷煙。在pyrosim軟件中建立該卷煙倉庫模型對卷煙倉庫火災進行模擬。

2.2? 參數設置

2.2.1? 火源參數設置

根據《民用建筑防火排煙技術規程》的規定[9]，設置卷煙倉庫火災火源的熱釋放速率為2040.8kW/m2。將初始起火位置設置為中間卷煙貨架，分別研究3種情況下的卷煙倉庫火災，火源位置分別位于上、中、下層。

2.2.2? 噴淋參數設置

由于煙草制品的特殊性，發生火災后采用常規噴淋會對未起火的卷煙產生水漬危害，增加經濟損失[10]。目前卷煙倉庫多采用細水霧噴淋作為滅火措施[11]。相較于常規噴淋，細水霧噴淋用水量少，能迅速滅火，最重要的是可以降低對卷煙的水漬危害[12]。因此，本研究中的噴淋系統同樣采用細水霧噴淋系統。細水霧噴淋噴頭參數如表1所示。

噴頭位置為中間貨架每一列煙的正上方，即存在3個噴頭。分別研究噴頭高度位于5m和6m時的噴淋效果。噴頭在模型中位置如表2所示。

2.2.3? 監測設備設置

分別在中間貨架兩側設置熱電偶進行溫度監測，熱電偶高度設置為正常人的一般身高（Z=1.7m）。設置完畢后模型如圖2所示。

故本研究共設置6種工況進行模擬，即3種火源位置（上層、中層、下層）2種噴頭高度（5m、6m），模擬時間設置為200s。

3 模擬結果分析

3.1? 不同火源位置

根據控制變量法，選擇噴頭高度為5m時的結果進行分析來觀察不同火源位置（上層、中層、下層）對噴淋效果的影響。

3.1.1? 煙氣擴散過程

當火源位于上層時，煙氣變化擴散如圖3所示。分別把火源位于不同位置時相關的時間點用t上、t中、t下來表示。

由圖3可看出煙氣開始在上部聚集，隨著浮力的作用上升，在t上=25s時沖擊倉庫頂（t中=37s，t下=50s）。隨后開始向兩側擴散，在t上=56s時在上部形成煙氣層（t中=69s，t下=81s）。之后煙氣不斷聚集，逐漸向下部擴散，在t上=88s時充滿約2/3的倉庫空間（t中=101s，t下=113s）。最后在t上=120s時充滿整個倉庫（t中=133s，t下=145s）。火源位于不同位置時煙氣擴散過程相似。由于火源位于中、下層時距倉庫頂較遠，擴散至倉庫頂時間較長，因而充滿整個倉庫時間較長。

3.1.2? 溫度對比分析

當火源位于3種位置時，熱電偶測得溫度如圖4所示。最高溫度分別用T上、T中、T下來表示。

由圖可知，當火源位于上層時最高溫度T上=310℃，位于中層時最高溫度T中=425℃，位于下層時最高溫度T下=702℃。主要原因是火源位于上層時距離噴頭最近，因而更快達到噴淋激活溫度，噴淋作用時間更長，因而最高溫度更低。位于中、下層時由于距離噴頭較遠同時由于上層貨架擋板的阻擋作用，噴淋激活時間較慢，因而最高溫度更高。

需要注意的是，當火源位于下層貨架時，最高溫度過高，此時貨架可能承受不住高溫發生倒塌，引發更大規模的火災。所以，在日常生產過程中要尤其防范中、下層貨架起火，特別是下層貨架。同時要注意更換防火性能更佳的卷煙貨架，防止高溫造成的倒塌。

3.1.3? FED值變化分析

火源位于不同位置時卷煙倉庫內的FED值到達0.2、0.6、0.8的時間如表3所示。將不同火源位置FED值到達臨界值的時間分別用t上、t中、t下來表示。

由表3可知，火源位于不同位置時，事故嚴重程度達到輕微（FED值達到0.2）的時間t上=62s（t中=45s，t下=38s）。事故嚴重程度達到中等（FED值達到0.6）的時間t上=112s（t中=97s，t下=74s）。事故嚴重程度達到嚴重（FED值達到0.8）的時間t中=125s（t下=106s），火源位于上層時整個模擬過程中FED值未達到0.8。產生這種現象的原因是火源位于中、下層時噴淋效果沒有火源位于上層時明顯，導致溫度上升和有毒氣體擴散較快，從而FED值到達臨界值時間較短。

3.2? 不同噴頭高度

選擇火源位置為中層和上層時的結果進行分析來觀察不同噴頭高度（5m、6m）對噴淋效果的影響。

3.2.1? 煙氣擴散過程

當噴頭位于不同高度時，煙氣變化同樣經歷沖擊倉庫頂、向兩側擴散、逐漸向下部擴散、充滿整個倉庫4個階段，如圖5所示。分別把噴頭位于不同高度時，煙氣到達每個階段的時間分別用t5、t6來表示。

當火源位于中層時，沖擊倉庫頂時間t5=37s（t6=39s）。向兩側擴散時間t5=69s（t6=68s）。逐漸向下部擴散時間t5=101s（t6=105s）。充滿整個倉庫時間t5=133s（t6=134s）。當火源位于上層時，沖擊倉庫頂時間t5=25s（t6=24s）。向兩側擴散時間t5=56s（t6=54s）。逐漸向下部擴散時間t5=88s（t6=86s）。充滿整個倉庫時間t5=120s（t6=121s）。可以看出，不論火源處于什么位置，不同噴淋高度對煙氣擴散過程幾乎沒有影響。

3.2.2? 溫度對比分析

分別把噴頭位于不同高度時，溫度開始下降的時間分別用t5、t6來表示。

通過圖6可以看出不論火源位于上層還是中層，不同噴頭高度使火源產生的最高溫度相差不大，有區別的是溫度開始下降的時間。當火源位于中層時，t5=123s（t6=147s）。當火源位于上層時，t5=98s（t6=119s）。造成這種現象的原因是噴頭高度較高時，產生的液滴在下降過程中受到火焰溫度影響時間更長，蒸發量更大，導致直接作用于火焰的液滴量少，從而使得溫度下降時間相比于較低噴頭高度時間更長。同時由于采用的是細水霧噴淋，液滴粒徑較小，這種現象更為明顯。

3.2.3? FED值變化分析

噴頭位于不同高度時卷煙倉庫內的FED值到達0.2、0.6、0.8的時間如表4、表5所示。將不同噴頭高度FED值到達臨界值的時間分別用t5、t6來表示。

由表4與表5可以看出，當火源位于中層時，事故嚴重程度達到輕微（FED值達到0.2）的時間t5=45s（t6=36s）。事故嚴重程度達到中等（FED值達到0.6）的時間t5=97s（t6=82s）。事故嚴重程度達到嚴重（FED值達到0.8）的時間t5=125s（t6=110s）。當火源位于上層時，事故嚴重程度達到輕微（FED值達到0.2）的時間t5=62s（t6=51s）。事故嚴重程度達到中等（FED值達到0.6）的時間t5=112s（t6=96s）。事故嚴重程度達到嚴重（FED值達到0.8）的時間t6=127s，火源位于上層時整個模擬過程中FED值未達到0.8。不難發現噴頭高度較高時，FED值到達臨界值的時間更短。產生這種現象的原因同樣是當噴頭高度較高時，在液滴下落過程中受火焰溫度影響時間更長，蒸發量更大導致溫度上升和有毒氣體擴散較快，從而FED值到達臨界值時間較短。

4 結論

通過建立某小型卷煙倉庫模型，在pyrosim中對卷煙倉庫火災進行模擬。結果發現，當起火源位于下層貨架時，具有最大的最高溫度，同時FED值最先到達臨界值。所以，起火源位于下層貨架時危險性最高。在日常生產過程中要尤其防范中、下層貨架起火，特別是下層貨架。同時要注意更換防火性能更佳的卷煙貨架，防止高溫造成的倒塌。另外，通過對不同噴頭高度進行模擬發現，不同噴頭高度對煙氣擴散過程幾乎沒有影響。噴頭高度越高，噴淋效果越差，在設置噴頭時要注意選擇最佳設置高度。

參考文獻：

[1]王永毅.煙草倉庫火災特點及防范措施[J].發展，2014（4）：102-103.

[2]伍燦.大型煙草物流企業消防設計[J].現代建筑電氣，2012，3（10）：

40-43.

[3]羅天德，梁子瑛，林麗芝，等.高壓細水霧滅火系統在煙草倉庫中的應用[J].消防科學與技術，2014，33（10）：1158-1161.

[4]陳永鋒，李朵，朱振宇，等.煙草火災危害后果定量評價研究[J].災害學，2016，31（1）：50-54.

[5]徐剛.煙草倉庫火災預防及撲救對策探討[C]//2014年10月建筑科技與管理學術交流會論文集.2014.

[6]王婭芳，趙望達，馬礪，等.工作面火災CO運移規律及FED模型評價下的疏散參數研究[J].安全與環境學報，2018，18（2）：583-587.

[7]劉夢潔.基于FDS和Pathfinder的地鐵車站火災疏散研究[D].武漢：華中科技大學，2016.

[8]許鎮，唐方勤，任愛珠.建筑火災煙氣危害評價模型及應用[J].消防科學與技術，2010，29（8）：651-655.

[9]韓如適，朱國慶，張國維，等.中庭類高層建筑防排煙技術優化設計[J].工業安全與環保，2013，39（6）：48-51.

[10]趙石楠.煙草類物資倉庫火災特點及處置方法初探[J].法制與社會，2011（12）：198-199.

[11]田宏，馬格納斯·阿維德森.細水霧滅火系統的最新進展[J].消防技術與產品信息，2018，31（3）：95-96.

[12]金達華.細水霧抑制煙草原料倉庫火災試驗研究[J].消防科學與技術，2020，39（7）：973-976.

Study on the spray effect of water mist in small cigarette warehouse fire

Wu Ran

（Xiantao Tobacco Monopoly Bureau （Company）， Hubei Xiantao 433000）

Abstract： Tobacco products have flammable characteristics and are prone to fire when piled up in warehouses. At present， in order to reduce economic losses， water mist spraying is usually used for fire fighting of tobacco products. By modeling a small cigarette warehouse in the fire simulation software （Pyrosim）， the smoke diffusion process and toxicity hazard degree （characterized by FED value） when the fire source is located at different positions are studied， and the spray effect of the nozzle at different heights is analyzed. Through the simulation of different fire source positions， it is found that the fire source is the most dangerous when it is located on the lower shelf， and corresponding preventive measures are proposed. Through the simulation of different nozzle heights， it is found that different nozzle heights have little effect on the flue gas diffusion process. In addition， the higher the nozzle height， the faster the temperature rises and the toxic gas diffuses， and the worse the spray effect. Therefore， when setting the nozzle， the best height should be selected.

Keywords： cigarette warehouse; fire; spray; consequence simulation