發動機熱試臺滅火系統的設計應用

王鵬，孫孝猛，常舉，王靜

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

引言

發動機試驗臺架對于汽車廠家和相關開發研究機構是十分重要的重點防火設備，為了極大水平縮減發動機熱試臺架火災事故所造成的生命財產損失，同時根據測試設備的安全需要，對熱試臺架的滅火系統在工程設計中提出了更高的要求。

在本文研究的項目中，針對集裝箱式發動機熱試臺架，通過分析具體的火災隱患點和滅火要求，綜合評價滅火系統方案，設計出既能達到高效滅火效果又符合經濟性的方案來展開滅火系統的設計應用。

在實際工程設計中，通過報警探測器探測火情，控制系統根據警報分級處理以及配合設備自身的聯動，充分發揮氮氣細水霧滅火系統的最大能效。

1 熱試臺的火災隱患點和滅火要求

要有針對性的應用熱試臺架滅火系統，需要先分析熱試臺架的火災隱患點和滅火要求。

1.1 熱試臺的火災隱患點

發動機熱試臺架是進行發動機性能以及可靠性等系列試驗的場所[1]。本文涉及的熱試臺架為集裝箱式，其主要設備有試驗臺架，測功機，試驗控制系統，供油系統，送風排風系統等。發動機熱試臺架作為生產設備，其主要的危險源有以下幾點：（1）發動機熱試運行期間的燃油供給過程是否有泄露風險；（2）發動機長時間滿載運行期間，在排氣端如渦輪，三元催化器，排氣管等零件部位形成高溫炙熱表面有引燃風險。發動機熱試臺架按照《建筑設計防火規范》GB 50016-2014[2]火災危險性等級可定為丁類，需要自動滅火系統保證其安全運行。

1.2 熱試臺滅火要求

發動機熱試臺架的內部空間可以劃分為操作間和測試間兩個封閉空間。如圖1所示，其面積分別為13.34m2和52.2m2，其中操作間內布置著用于控制發動機試驗運行和對發動機狀態實時錄像的電腦；測試間內布置著測功機，傳感器控制電柜，供油系統等，也是發動機進行熱測試的場所。因此，按照《火災自動報警系統設計規范》GB 50116-2013熱試臺架操作間和測試間均設計為報警區域和探測區域。對于測試間探測區域，因為存在電器系統的電柜、主軸傳動的精密機械裝置和發動機本身，所以滅火過程要避免大量水噴射的侵入，避免漏電風險同時是對機械設備使用壽命的保護。

圖1 發動機熱試臺架的內部空間

2 熱試臺滅火系統方案設計

2.1 熱試臺滅火系統的選擇

根據熱試臺架的火災隱患點和滅火要求，考慮使用氣體滅火系統和細水霧滅火系統。二氧化碳氣體滅火系統和IG541氣體滅火系統是比較常見的氣體滅火系統，但是二氧化碳滅火系統在滅火過程中存在人員窒息風險而IG541氣體為浸沒式滅火，在較高的滅火劑比容時需要數量眾多的IG541氣瓶，增加造價的同時不便于存放。對于細水霧系統，目前使用比較廣泛的是泵組式（10Mpa工作壓力）高壓細水霧滅火系統。這類高壓細水霧系統，一般較多地應用于綜合管廊，檔案館等較大區域滅火設施中，為了形成高壓細水霧，使用的泵組和噴頭造價昂貴。對此，本文針對發動機熱試臺架采用了一種兩相流體噴射形成的氮氣細水霧，其原理如圖2所示。該系統由BMA警報控制器，200bar氮氣瓶，去離子水罐，管路和噴嘴組成。BMA控制器在收到火警報警后，打開高壓氮氣瓶啟動電磁閥1，氮氣通過減壓閥2，截止閥4進入去離子水罐 7，水罐內形成的高壓作為動力，將去離子水推入罐底的管路，同時氮氣通過截止閥3與去離子水在管路內混合形成7.5%-20%氮氣質量分數的兩相流體，最終通過噴嘴形成細水霧。

圖2 細水霧滅火系統原理圖

該滅火系統的優勢是：（1）相比高壓細水霧具備迅速冷卻、隔離熱輻射、沖擊乳化、窒息等滅火原理[3]外，氮氣的加入增加了細水霧滅火的穩定性和強度，可以更快地破壞火焰結構[4]。（2）由于氮氣惰化了火場區域內的空氣，使氧氣濃度快速降低，又擴展了細水霧的滅火區域范圍，從而抑制霧滴之間的碰撞聚合，減少霧滴沉降，最終實現迅速窒息滅火[5]。（3）該系統通過200bar氮氣作為動力，避免了采購高壓泵組的高成本，適合熱試臺架這類封閉小區域滅火。因此，本文采用的氮氣細水霧滅火系統在縮減整體造價成本的同時提高了滅火效果。

2.2 細水霧滅火系統的方案設計

細水霧滅火系統噴嘴安裝高度設計為 3m，采用 DN25管道，細水霧噴嘴設計工作壓力P為14bar，流量系數K取值為0.7，因此細水霧噴頭的流量q為：

細水霧系統的設計供給強度W為0.2Kg/（min·m3），設計保護區域為發動機熱試臺架測試間，其空間V為156.6 m3，因此，保護區域所需的噴嘴數量N為：

圖3 發動機熱試臺測試間噴頭布置圖

如圖3所示，在發動機臺架上方，布置細水霧管路及12個噴嘴，每個噴嘴左右間隔1m，距離水平中心線0.9m。

3 熱試臺滅火系統的報警控制設計

3.1 熱試臺報警探測器的選型布置

根據熱試臺架火災隱患點，需要溫度，煙霧和火焰三種探測器，如表1所示選型。

表1 報警探測器選型表

測試間內進行發動機試驗，為了避免尾氣導致煙霧探測器誤報，煙霧探測器避免布置在測試間。火焰探測器布置在測試間墻體兩側探測范圍能夠完全覆蓋發動機，三元催化器，排氣管，測功機，發動機點火控制電柜等重點監測部位。溫度探測器布置在地板下方，主要用于檢測燃油滴漏引發的火災。操作間類似正常辦公區域，因此在屋頂和地板下只布置煙霧探測器。根據傳感器的探測范圍，其熱試臺架布置如圖4所示。

圖4 發動機熱試臺報警探測器布置圖

3.2 熱試臺報警控制邏輯設計

圖5 熱試臺報警控制邏輯圖

熱試臺在發生火情時，設計為預火警和主火警的二級報警機制。在預火警觸發后，處在熱試臺操作工位的人員可以及時發現異常、檢查設備情況并試圖撲滅未形成明火的火災，避免設備財產損失。而設備主火警能夠針對突發火情實現零延遲開啟細水霧滅火系統啟動電磁閥。如圖5所示，本文設計報警控制邏輯圖，其中“&”表示“與”關系；“＞=1”表示“或”關系。由圖可知，當任意兩個溫感探測到火情、兩個火焰探測器探測到火情或一個火焰探測器一個溫感探測到火情可以觸發主火警；當任意一個溫感、火焰探測器或煙感探測到火情，可以觸發預火警；同時設計手動報警按鈕可以直接觸發主火警。預火警會觸發喇叭發出警報，主火警在觸發聲光報警的同時會打開細水霧滅火系統啟動電磁閥。此外，為了避免控制系統失效，實施對細水霧滅火系統氣瓶的實時壓力檢測和警報控制系統的故障診斷。

3.3 熱試臺滅火系統與設備的聯動

按照《火災自動報警系統設計規范》GB 50116-2013中關于消防聯動信號的規定，本文設計如表2所示，滅火系統與設備的消防聯動安全矩陣。在預火警觸發時，發動機測試試驗停止，關閉響應燃油供給等裝置，但保留測試臺架供電和通風系統，為操作人員撲滅潛在火情提供條件；主火警觸發時，在預火警聯動基礎上關閉設備通風系統和熱試臺架供電，為細水霧滅火系統啟動做好準備。

表2 滅火系統與設備的消防聯動安全矩陣

4 總結

在汽車發動機的熱試臺架工程建設中，自動滅火系統的高效性和低成本一直是工程設計人員的重要課題。本文通過對熱試臺架火災隱患點和滅火要求的分析，創新性的設計應用了一種兩相流體形成的細水霧滅火系統，在合理的管路噴嘴布置和報警控制設計下，實現了與設備的聯動，保證該滅火系統可以有效的撲滅發動機熱試臺火災。

目前本文中設計應用的熱試臺架滅火系統使用的封閉空間兩相流細水霧滅火技術是一項新型、高效、綠色、低成本消防技術。本案例對各大汽車生產廠家和發動機研發機構今后類似的消防設施工程設計提供了非常重要的借鑒。