高壓細水霧滅火技術在地鐵車輛上的應用研究

薛思才，李慧娟

（中國南車集團 青島四方機車車輛股份有限公司 城軌事業(yè)部，山東青島266111）

細水霧滅火系統(tǒng)的研制及應用早在20世紀40年代就已經(jīng)開始，但由于技術和經(jīng)濟的原因，其優(yōu)越性當時還不能被消防界所接受，從20世紀80年代發(fā)生的3件大事使人們開始重視細水霧滅火技術的開發(fā)及其應用。

地鐵作為城市軌道交通的重要組成部分，以其運量大、速度快等優(yōu)勢，成為了各大城市必備的交通運輸工具。但由于地鐵線路其自身條件的限制，一旦出現(xiàn)火災，消防人員和設施因地理條件所限，往往無法在第一時間趕到現(xiàn)場控制火情，必然會造成很大設備和財產(chǎn)損失、甚至造成人員傷亡！隨著社會對人身安全問題越來越關注和重視，各種安全措施被應用在列車上面，例如布置干粉滅火器、設置逃生門、緊急解鎖等，可是由于這些措施均存在使用的局限性（如非自動性），在發(fā)生火災時，往往起到的作用比較有限。

高壓細水霧滅火技術作為一種有效的滅火方式，在國外很多城市軌道交通上有過成熟的應用業(yè)績，并取得了很好的效果，但在國內(nèi)的地鐵行業(yè)尚未使用過。目前，國內(nèi)一些地鐵公司開始有意向?qū)⒏邏杭毸F滅火技術引入到地鐵防火領域中。

1 高壓細水霧技術介紹

高壓細水霧滅火技術是水滅火系統(tǒng)的一種新技術，該技術又稱超細水霧滅火系統(tǒng)、高壓水噴霧自動消防系統(tǒng)、細水霧滅火系統(tǒng)等，它是由高壓水通過特殊噴嘴產(chǎn)生的細水霧來滅火的自動消防系統(tǒng)。在NFPA 750《美國消防協(xié)會細水霧消防系統(tǒng)標準》中，細水霧的定義是在最小設計工作壓力下、距噴嘴1m處的平面上，測得水霧最粗部分的水微粒直徑Dv0.99（這是用體積法表示霧滴直徑的一種方法，Dv0.99表示小于1 000μm的直徑體積含量為99%）不大于1 000μm，工作壓力P為3.5～15MPa，而高壓細水霧：Dv0.99＜200μm，P＞8 MPa。區(qū)別于傳統(tǒng)的水噴淋滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有壓力高、水霧微粒超細的特點。

1.1 細水霧應用環(huán)境

出于環(huán)保方面的考慮，鹵代烷滅火劑將逐步被淘汰，而細水霧作為滅火劑對于環(huán)境的潛在環(huán)保優(yōu)勢將使其應用范圍得到不斷拓展，細水霧滅火系統(tǒng)用于居住建筑、可燃性液體儲存設施及電氣設備方面的研究，已經(jīng)取得成效。

高壓細水霧滅火系統(tǒng)能夠撲滅多種類型的火災：A類火災、B類火災、C類火災，同時因其具有導電率比較低的特性，還可以撲滅帶電火災；且由于水霧超細的特性，相對于水噴霧和泡沫滅火的技術，對燃燒物沒有直接的損壞，因此，可應用的范圍比較廣泛，如電子計算機房、通訊設備、控制室、磁帶庫、圖書館、檔案館、珍品庫、配電間、發(fā)電機房、油浸變壓器室、液壓設備、除塵設備、噴漆生產(chǎn)線、電纜隧道、地鐵車站等場所的消防保護。美國海軍實驗室（NRL）對低壓水霧、高壓兩相細水霧和高壓單相水霧等3種滅火系統(tǒng)的滅火效果進行的一系列對比試驗表明：高壓單相細水霧滅火系統(tǒng)的效果最佳，目前美國在海軍艦艇及船舶上大力推廣應用高壓單相細水霧滅火系統(tǒng)。但因為細水霧系統(tǒng)滅火劑為水，故不宜直接用于保護與水發(fā)生劇烈反應或者生成危險產(chǎn)物的物質(zhì)，如活潑金屬、金屬氧化物等；也不適宜直接應用于低溫液化氣（如液化天然氣），因為這些液化氣被水加熱會產(chǎn)生劇烈沸騰。

1.2 滅火機理

火災發(fā)生的3要素：燃燒物、溫度、氧氣3個條件缺一不可。傳統(tǒng)的滅火技術只是針對一種要素或兩種要素進行滅火，如水噴淋滅火系統(tǒng)的機理是通過水將燃燒物的溫度降低到著火點以下，而細水霧滅火技術是針對以上3個要素、多種混合滅火方式共同作用于燃燒物進行滅火，從而根除了殘火復燃情況的發(fā)生。

（1）冷卻效應：單位體積的水量轉變?yōu)楦邏杭毸F在滅火過程中所吸收的熱量是相同體積的液態(tài)所吸收熱量的8倍，從而在第一時間降低火源的溫度，防止熱量的擴散（圖1）。

圖1 冷卻效應示意圖

（2）惰性效應：高壓水霧通過高壓噴嘴組，體積增加到原先體積的1 640倍，由于細水霧直徑較小（40μm）極大的稀釋了火源附近空氣中的氧氣含量，能很快的將空氣中氧氣含量降低到16%以下，從而抑制了火災的蔓延，同時高壓細水霧的擴散不僅可進入火源區(qū)而且可防止燃燒外區(qū)域氧氣的流入（圖2）。

圖2 惰性效應示意圖

（3）附加效應：由于高壓細水霧在滅火的過程中產(chǎn)生的是霧狀氣體，可撲滅各種形狀的燃燒物，還可以對滅火環(huán)境有一定的洗滌作用，高壓細水霧對燃燒物沒有損耗，電導率低，可以撲滅電氣環(huán)境的燃燒物，而不會造成對電氣原件的損壞。

1.3 性能對比

高壓細水霧與傳統(tǒng)的滅火技術的滅火性能對比見表1。

表1 滅火技術性能對比表

通過表1的對比分析，可以看出高壓細水霧是一種安全可靠的滅火方式，由于滅火劑是少量的水，對環(huán)境沒有任何影響，對人身的安全不存在任何的威脅，是一種綠色環(huán)保的滅火方式。而目前國內(nèi)地鐵車輛上一般都是采用在車輛兩端放置甁式干粉滅火器的方式，其主要成分是：二氧化碳（CO2）、Holons、水和水基滅火劑泡沫等。

高壓細水霧滅火系統(tǒng)具有以下特點：

（1）滅火效能高。它冷卻性能好、抑制性強。高壓細水霧還有一定的穿透性，可防止火災的復燃。

芬蘭Marioff公司自1991年開始研制高壓單流細水霧滅火系統(tǒng)，其研制的HI-FOG高壓水霧滅火系統(tǒng)的工作壓力小于14MPa，可利用高壓水泵或高壓充氣瓶作動力源，噴霧顆粒直徑為50～120μm，在各類火災場所累計進行了5 000多次滅火試驗，證明其滅火性能十分優(yōu)異。另外還有澳大利亞Phirex公司研制的FOGEX⑧系列高壓細水霧滅火系統(tǒng)，丹麥的跨國液壓公司Danfoss由Nessie⑧系列中高壓水泵及水壓控制閥和WM系列高壓水霧噴頭組成的各類高壓細水霧系統(tǒng)，挪威的Sprinklerhuset公司開發(fā)的MISTEX水霧滅火系統(tǒng)等。而且2002-07-10生效的國際人命安全公約（SOLAS）規(guī)定：500t級以上的客輪和2 000t級以上的貨輪必須安裝細水霧滅火系統(tǒng)。

（2）用水量較少、可減少水的危害。火災的撲滅相對傳統(tǒng)的噴淋，它僅需10%或更少的水量。

（3）反應時間快，對煙霧的擦洗可降低火災的危險。高壓細水霧的噴頭具有快速響應熱量釋放的機械結構；高壓細水霧具有自動清洗煙霧的能力，可減少煙霧中的二氧化碳的傷害。

（4）相對氣體滅火系統(tǒng)，安裝、維護簡便，且不會對環(huán)境及保護對象造成危害，避免了滅火劑與燃燒物發(fā)生鏈式反應而產(chǎn)生對人有害的氣體。

（5）管道管徑較小、節(jié)省管材。相對于傳統(tǒng)的自動噴水滅火系統(tǒng)而言，其質(zhì)量輕，可減少90% 。

1.4 關鍵技術研究及試驗情況

高壓細水霧滅火系統(tǒng)是水壓傳動與控制技術、水霧化技術及細水霧滅火技術的交叉和集成，在研制和實施過程中面臨許多技術問題，其關鍵點包括：

（1）高壓水動力源

高壓細水霧滅火系統(tǒng)是水壓傳動與控制技術的一個重要應用方向，水霧滅火技術早期難以得到推廣原因之一就是缺乏高壓水動力源的支持。系統(tǒng)需要高壓水泵為水霧化噴嘴提供穩(wěn)定的高壓水源，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的細水霧和滅火效果。水的黏度低、潤滑性差、腐蝕性強、汽化壓力高。研制高壓水泵必須解決摩擦磨損、泄漏、氣蝕等一系列技術難題。華中科技大學液壓氣動中心研制的閥配流軸向多柱塞水泵已進入實用階段，可以基本解決系統(tǒng)的高壓水動力源問題。

（2）水壓控制閥組

水壓控制閥組包括安全閥、壓力控制閥、方向控制閥及分區(qū)開關閥等。安全閥為高壓水系統(tǒng)提供過載保護，噴嘴的工作壓力由壓力控制閥調(diào)定；方向控制閥應具有中位卸荷機能，保證水泵驅(qū)動電動機或內(nèi)燃機空栽啟動；當一套滅火系統(tǒng)有兩個以上的保護區(qū)時，系統(tǒng)必須設置分區(qū)開關閥。水壓控制閥組研制的主要技術難點是泄漏、氣蝕、拉絲侵蝕、振動、噪聲和工作穩(wěn)定性等問題。目前，用于高壓的水壓電磁換向閥產(chǎn)品在我國尚屬空白，閥口密封不嚴以及閥芯被顆粒物卡死等問題在國外進口電磁閥也經(jīng)常出現(xiàn)。

（3）細水霧霧化噴嘴

高壓水霧化噴嘴作為系統(tǒng)的核心部件之一，其霧化方式的選擇、結構尺寸設計以及內(nèi)部流場分析，直接影響水的霧化性能及滅火能力。噴嘴內(nèi)壓力與速度分布是非常復雜的，噴嘴現(xiàn)有的設計計算方法是建立在理想流體基礎之上的，計算結果與實際情況相差甚遠。

此外，噴嘴零件的尺寸小，結構復雜，加工難度大。試驗性的單件加工時，如何在噴嘴狹小的空間內(nèi)加工出滿足需要的流道精度和表面粗糙度；對于工業(yè)化的批量生產(chǎn)，如何保持產(chǎn)品性能的一致性，都是必須面臨的問題。

（4）霧滴的運動與蒸發(fā)特性

在滅火過程中，細水霧能否完全覆蓋燃燒區(qū)、能否穿透熱氣流進入燃燒核心區(qū)，對滅火可靠性和滅火效率有較大的影響。確定霧滴的運動速度、飛行距離及蒸發(fā)時間，是噴嘴布置間距和安裝高度的設計基礎。目前霧滴運動參數(shù)的計算主要依靠試驗結果和計算圖表，設計時既不準確，也不方便。

（5）高壓細水霧滅火試驗方法

高壓細水霧滅火系統(tǒng)作為高風險消防產(chǎn)品，必須進行滅火試驗。近年來，研究人員在發(fā)電機房、儲油罐等場所完成了大量的模擬試驗和足尺寸試驗，取得了一定的研究成果，但是，由于具體的滅火對象及環(huán)境的復雜性，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的細水霧滅火試驗規(guī)范，因此，建立一套與實際滅火效能高度關聯(lián)的細水霧滅火試驗方法也是有待研究的課題。

2 高壓細水霧滅火系統(tǒng)在地鐵車輛上應用研究

目前，高壓細水霧滅火系統(tǒng)在國外地鐵行業(yè)有了成熟的使用業(yè)績，比如從1996年起，西班牙的馬德里地鐵在6～10號線全部車輛及部分地鐵站、控制中心都應用了高壓細水霧滅火系統(tǒng)，但在國內(nèi)地鐵行業(yè)還從未使用。根據(jù)國外成熟經(jīng)驗，制定以下方案（以現(xiàn)在國內(nèi)運營較多的6編組B型地鐵為原型設計）。

高壓細水霧高壓的動力源目前有兩種，一種是高壓水泵，另一種是高壓氮氣瓶。由于高壓水泵功率比較大，列車在發(fā)生緊急情況的時候，外部高壓電源中斷，只能用列車蓄電池組供電，但是有限容量的蓄電池不能保證水泵的正常使用，因此不適宜應用于車輛上。泵組式的滅火系統(tǒng)適用于較大面積的廠房、車間或機動性比較強的環(huán)境。通過分析，選用高壓氮氣瓶作為滅火系統(tǒng)的動力源。

用于車輛的單個高壓噴嘴的最大有效保護面積的直徑為3m左右，根據(jù)現(xiàn)有車輛的長度（20m左右），具體布置如下：頭車布置7個（司機室一個，客室6個）（圖3），中間車客室布置7個，全車共布置噴組42個。每節(jié)車分別設置一個分區(qū)控制閥，控制本車的滅火系統(tǒng)。

（1）設備選型：根據(jù)列車的實際狀況，整車配備一套瓶組式高壓細水霧滅火系統(tǒng)，該套系統(tǒng)由1個高壓氮氣瓶（20MPa），3×50dm3水瓶（常壓）。噴放時間為10 min。每個噴嘴的流量2dm3／min。每個頭車配備一個控制器，作為整套系統(tǒng)的控制中心，每個車配備一個分區(qū)控制閥，控制本車的水流。圖3為列車頭車的布置方案。

（2）工作原理：列車火災探測器一旦檢測到列車出現(xiàn)火災，會立即上傳至TMS和細水霧滅火主控制器，司機根據(jù)列車的實際狀況，判斷是否應該啟動細水霧滅火系統(tǒng)。當司機按下相應著火車廂的按鍵后，細水霧滅火系統(tǒng)啟動工作。首先打開高壓氣瓶的單向閥，將高壓氣體沖入水瓶中，之后高壓水流流向管網(wǎng)，同時打開分區(qū)控制閥水流，是一次性的，高壓水流經(jīng)過分區(qū)控制閥流向著火車廂的噴嘴，最終形成高壓細水霧進行滅火。按照規(guī)定，水流和氣體都是一次性釋放完成，用完后需要及時補充。綜合考慮到列車的實際狀況，本套系統(tǒng)只具有撲滅一節(jié)車廂火情的能力（圖4）。

圖3 頭車方案布置

圖4 工作流程圖

（3）安裝位置：考慮到高壓氣體對人身的安全可能會存在一定的隱患，所以建議將該系統(tǒng)安裝在車下，由于目前列車的編組形式基本為4M2T，考慮到車下布置空間、檢修空間的有限，可以考慮安裝于頭車或?qū)⒃撓到y(tǒng)根據(jù)實際的空間大小分組安裝。

3 結束語

與地鐵擁有諸多的優(yōu)勢相比，地鐵火災也具有鮮明的缺點：地鐵內(nèi)部封閉，物質(zhì)不易充分燃燒，火災時可燃物發(fā)煙量巨大，而煙霧的控制和排除都相當復雜；火災溫度上升快、峰值高；撲救困難，消防人員需要時間趕赴現(xiàn)場，而大型消防設備無法進入；群眾消防意識淡薄，易恐慌，一旦發(fā)生火災很難自救。

細水霧系統(tǒng)以其自身的滅火特性，能夠快速的將火情撲滅，同時對乘客人身的安全沒有任何的影響，即使在疏散的過程中也可以使用。細水霧滅火是一種安全、環(huán)保的滅火方式，完全可以應用在地鐵車輛。細水霧滅火系統(tǒng)也有其自身的缺點，例如成本造價高，對水質(zhì)要求嚴格，系統(tǒng)的專業(yè)性強。因此，在應用于地鐵車輛的過程中，要綜合考慮列車布置，火災評估，成本，質(zhì)量等因素，設計出一套合適的配置方案。

［1］梁 強.細水霧滅火系統(tǒng)及霧化噴嘴研究［D］.石家莊：河北工業(yè)大學，2005.

［2］楊 琦.高壓細水霧滅火系統(tǒng)技術［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2003，（10）：11-14.

［3］田啟東.細水霧滅火系統(tǒng)介紹.中國水運（學術版）.2007，（08）：59-60.