機(jī)械通風(fēng)對(duì)艦船機(jī)艙火災(zāi)煙氣控制實(shí)驗(yàn)研究

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(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.海軍研究院，北京 100161)

艦船具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹窄、交通條件受限、火災(zāi)處置難度大、起火點(diǎn)難以確認(rèn)等特點(diǎn)[1]，火災(zāi)煙氣常常造成大量人員傷亡，嚴(yán)重威脅艦船生命力，在船舶工業(yè)快速發(fā)展的進(jìn)程中一直受到廣泛關(guān)注[2]。機(jī)艙作為艦船動(dòng)力系統(tǒng)所在地，存在大量燃油及潤(rùn)滑油、高溫設(shè)備等火災(zāi)危險(xiǎn)源，一旦艦船機(jī)艙發(fā)生火災(zāi)事故，將難以保證艦船安全[3]。因此，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)艦船防煙控制對(duì)于減緩火災(zāi)蔓延、爭(zhēng)取人員疏散時(shí)間、保障艦船生命力，具有重要意義[4]。

英、美等國(guó)海軍曾開展了大量關(guān)于艦船火災(zāi)煙氣控制的研究[5]，涉及控?zé)焻^(qū)域劃分、火災(zāi)后環(huán)境快速恢復(fù)、限制煙氣蔓延等。1992年，美國(guó)海軍在Shadwell號(hào)上開展實(shí)船大尺度實(shí)驗(yàn)[6]，測(cè)試固定式排煙系統(tǒng)性能[7]。2001年，美國(guó)海軍又進(jìn)行了武器攻擊條件下的火災(zāi)煙氣控制實(shí)驗(yàn)[8]。我國(guó)對(duì)于艦船火災(zāi)煙氣的研究也取得了一些進(jìn)展，例如艦船大空間艙室火災(zāi)煙氣填充、封閉艙室火災(zāi)煙氣溫度特性、頂部開口艙室火災(zāi)煙氣特性等方面的研究。我國(guó)的研究人員進(jìn)行了全尺寸機(jī)艙火災(zāi)煙氣填充試驗(yàn)，研究不規(guī)則截面艙室的煙氣沉降規(guī)律,同時(shí)改變油池尺寸和抬升火源研究火源功率和火源高度對(duì)煙氣溫度分布和煙氣層沉降的影響[9]。我國(guó)的研究人員還運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS對(duì)CRH2A動(dòng)車組的一節(jié)車廂進(jìn)行了模擬計(jì)算。分別采用機(jī)械排煙系統(tǒng)、空氣幕系統(tǒng)及二者復(fù)合系統(tǒng)對(duì)車廂內(nèi)煙氣進(jìn)行控制,對(duì)比分析不同排煙系統(tǒng)下車廂內(nèi)煙氣溫度、煙氣層高度和O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律[10]。

針對(duì)艦船機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)控?zé)焼栴}，結(jié)合艦船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況，開展艙內(nèi)不同排煙量、不同補(bǔ)風(fēng)口高度及單雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)口配置方案的實(shí)驗(yàn)，揭示不同排煙和補(bǔ)風(fēng)速率以及不同補(bǔ)風(fēng)口配置對(duì)于艦船機(jī)艙火災(zāi)發(fā)展過程和典型火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法與工況設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在陸地上的模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，艙體頂板為8.5 m(長(zhǎng))×7.6 m(寬 )，底板為8.5 m(長(zhǎng))×6 m(寬)，整艙高2.7 m，內(nèi)底之下的弧形底板高0.8 m，內(nèi)部下層高度為0.7 m，上層高度為1.2 m。模擬實(shí)驗(yàn)艙見圖1。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)艙

根據(jù)美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)，機(jī)艙發(fā)生火災(zāi)后，將通風(fēng)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為排煙狀態(tài)，即將原送風(fēng)系統(tǒng)改為排煙系統(tǒng)、原排風(fēng)系統(tǒng)改為補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)[11]。因此，本機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)也采用類似布局，見圖2。在排煙狀態(tài)下，機(jī)艙共布置了2臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)，2臺(tái)補(bǔ)風(fēng)機(jī)。排煙口尺寸為1 m(長(zhǎng))×0.5 m(寬)，補(bǔ)風(fēng)口尺寸為0.75 m(長(zhǎng))×0.75 m(寬)。

圖2 通風(fēng)管路布置

實(shí)驗(yàn)火源采用油池火形式，油盤直徑為0.4 m，燃料為庚烷，每次實(shí)驗(yàn)中的庚烷用量均為3.5 L，油盤布置在2臺(tái)主機(jī)之間。在2臺(tái)輪機(jī)之間的通道處布置了A、B、C 3組熱電偶樹，在機(jī)艙內(nèi)樓梯附近布置了D熱電偶樹，在人孔位置布置了E熱電偶樹，油盤及熱電偶樹的位置見圖3。

圖3 油盤位置示意

實(shí)驗(yàn)中為實(shí)現(xiàn)燃料的質(zhì)量損失速率(MLR)、艙內(nèi)溫度、O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)、火焰形態(tài)、煙氣流動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量，將油盤放置在D&T ES60K型電子天平上，通過與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳輸重量，可以測(cè)定燃料的質(zhì)量損失速率(MLR)；在艙內(nèi)設(shè)置了5組熱電偶樹，可以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)采集；選用英國(guó)KANE公司KM9106型煙氣分析儀，該煙氣分析儀可同時(shí)測(cè)量O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)。

2 補(bǔ)風(fēng)口位置對(duì)煙氣控制效果影響

2.1 溫度分布

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，采用直徑為40 cm、初始燃料量為3 500 mL的正庚烷池火作為火源。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了燃料質(zhì)量變化和艙內(nèi)O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度等火災(zāi)參數(shù)。

補(bǔ)風(fēng)口位置對(duì)機(jī)艙火災(zāi)影響的研究中，共開展不同補(bǔ)風(fēng)口配置工況8組，每組工況實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2次，實(shí)驗(yàn)分析中所提供的數(shù)據(jù)為2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。補(bǔ)風(fēng)口高度分別為0.15、0.45、0.75、1.05 m，分別測(cè)試了單側(cè)及雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)配置。

與雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)工況相比，單側(cè)補(bǔ)風(fēng)工況火焰熄滅后的降溫過程持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，不利于火災(zāi)后消防人員進(jìn)入。與其他補(bǔ)風(fēng)口高度相比，當(dāng)補(bǔ)風(fēng)口高度為1.05 m時(shí)，通道處的峰值溫度最低。對(duì)于人孔處的溫度而言，補(bǔ)風(fēng)口高度為0.75 m雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)工況溫度控制效果最好。見圖4、5。

圖4 通道處溫度分布(熱電偶樹C)

圖5 人孔處溫度分(熱電偶樹E)

2.2 燃料質(zhì)量損失速率

燃料質(zhì)量損失速率反映了火源燃燒狀態(tài)，艙室上部煙氣溫度及油盤附近空氣氧含量影響了燃料質(zhì)量損失速率的變化，隨著燃燒的進(jìn)行，艙室上部煙氣溫度上升，熱煙氣對(duì)油池的熱輻射得到增強(qiáng)，加速了燃料的蒸發(fā)過程；而逐漸降低的氧含量導(dǎo)致火焰溫度下降，進(jìn)而降低了燃料的輻射熱通量。在機(jī)械通風(fēng)的影響下，機(jī)艙上部的熱煙氣被排出，艙內(nèi)氧氣也得到了補(bǔ)充，上述過程受到了影響。各工況平均質(zhì)量損失速率見圖6。

圖6 不同補(bǔ)風(fēng)高度工況質(zhì)量損失速率

2.3 氣體體積分?jǐn)?shù)

煙氣中的O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)直接影響人員生命安全，是重要的火災(zāi)參數(shù)。不同工況下的O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)見圖7、8、9。

較高的氧氣體積分?jǐn)?shù)以及較低的CO、CO2體積分?jǐn)?shù)是煙氣控制的目標(biāo)。由圖7、8、9可以看出，補(bǔ)風(fēng)口高度為1.05 m時(shí)雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)工況煙氣控制效果最好，而補(bǔ)風(fēng)口高度為0.45 m時(shí)雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)工況煙氣控制效果最差。綜合考慮，應(yīng)當(dāng)選用補(bǔ)風(fēng)口高度為1.05 m雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)通風(fēng)配置最佳。

圖7 不同補(bǔ)風(fēng)高度工況O2體積分?jǐn)?shù)

圖8 不同補(bǔ)風(fēng)高度工況CO體積分?jǐn)?shù)

圖9 不同補(bǔ)風(fēng)高度工況CO2體積分?jǐn)?shù)

3 補(bǔ)風(fēng)量對(duì)煙氣控制效果影響

在補(bǔ)風(fēng)量對(duì)機(jī)艙火災(zāi)影響的研究中，共取不同補(bǔ)風(fēng)量工況5組，每組工況實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2次，實(shí)驗(yàn)分析中所提供的數(shù)據(jù)為2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。5組機(jī)械通風(fēng)實(shí)驗(yàn)工況使用了補(bǔ)風(fēng)口高度為1.05 m雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)通風(fēng)配置，設(shè)計(jì)補(bǔ)風(fēng)量1.47 m3/s。機(jī)械補(bǔ)風(fēng)量分別為設(shè)計(jì)風(fēng)量的0、60%、70%、90%、100%。

3.1 溫度分布

在60%補(bǔ)風(fēng)量工況下，火最先熄滅時(shí)間約為220 s，說明在火災(zāi)情況下，適當(dāng)降低補(bǔ)風(fēng)量可以控制火災(zāi)發(fā)展；在100%補(bǔ)風(fēng)量工況下，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，熄火時(shí)間約為450 s，此時(shí)風(fēng)機(jī)工作在設(shè)計(jì)補(bǔ)風(fēng)量條件下。盡管補(bǔ)風(fēng)量對(duì)于火災(zāi)發(fā)展有明顯影響，但無通風(fēng)工況下的火災(zāi)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，艙內(nèi)溫度也最高。對(duì)于該機(jī)艙，火災(zāi)條件下應(yīng)保持通風(fēng)。見圖10。

圖10 頂棚下方10 cm處溫度-時(shí)間變化曲線

3.2 燃料質(zhì)量損失速率

在火災(zāi)增長(zhǎng)階段，70%補(bǔ)風(fēng)量及90%補(bǔ)風(fēng)量工況的質(zhì)量損失速率增加較快，且達(dá)到峰值的時(shí)間較短；其余有通風(fēng)工況質(zhì)量損失速率變化基本相同；無通風(fēng)對(duì)照組的燃料質(zhì)量損失速率先緩慢增加，隨后基本保持在較低水平不變。由此可見，補(bǔ)風(fēng)量對(duì)于燃料質(zhì)量損失速率的影響符合前文的分析，即通風(fēng)對(duì)于機(jī)艙火災(zāi)的雙重影響。見圖11。

圖11 不同補(bǔ)風(fēng)量工況質(zhì)量損失速率

3.3 氣體體積分?jǐn)?shù)

庚烷燃燒產(chǎn)生了大量CO2及不完全燃燒產(chǎn)物CO，而機(jī)械通風(fēng)引入艙內(nèi)的新風(fēng)稀釋了CO、CO2體積分?jǐn)?shù)，有利于保障損管人員生命安全。新風(fēng)補(bǔ)充了燃燒消耗的O2，支持了燃燒的進(jìn)行，因此，在氣體體積分?jǐn)?shù)方面，機(jī)械通風(fēng)同樣具有對(duì)火災(zāi)的雙重效應(yīng)[12]。

在維持艙內(nèi)O2方面，90%補(bǔ)風(fēng)量工況效果最好，與質(zhì)量損失速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，較高的O2體積分?jǐn)?shù)有利于燃燒進(jìn)行。相關(guān)研究表明，CO能夠迅速與血紅蛋白結(jié)合，導(dǎo)致人體缺氧；較高體積分?jǐn)?shù)的CO2能夠刺激人的呼吸系統(tǒng)中樞，導(dǎo)致人過多吸入火災(zāi)煙氣[13]。100%補(bǔ)風(fēng)量工況下，CO與CO2體積分?jǐn)?shù)均比其他工況低。該工況能夠?yàn)榫仍藛T提供更加有利的施救條件。見圖12、13、14。

圖12 不同補(bǔ)風(fēng)量工況O2體積分?jǐn)?shù)

圖13 不同補(bǔ)風(fēng)量工況CO體積分?jǐn)?shù)

圖14 不同補(bǔ)風(fēng)量工況CO2體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論

針對(duì)艦船機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)控?zé)焼栴}，結(jié)合艦船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況，開展艙內(nèi)不同排煙量、不同補(bǔ)風(fēng)口高度及單雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)口配置方案的實(shí)驗(yàn)，揭示不同排煙和補(bǔ)風(fēng)速率及不同補(bǔ)風(fēng)口配置對(duì)于艦船機(jī)艙火災(zāi)發(fā)展過程和典型火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)能夠通過改變補(bǔ)風(fēng)口高度位置、補(bǔ)風(fēng)量大小、單雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)等參數(shù)，優(yōu)化艦船機(jī)艙煙氣控制效果。

2)為實(shí)現(xiàn)最佳的控?zé)熜Ч槍?duì)該艦船機(jī)艙，應(yīng)采用1.05 m補(bǔ)風(fēng)口高度雙側(cè)補(bǔ)風(fēng)90%以上補(bǔ)風(fēng)量配置。