某火電廠集控室消防細(xì)水霧抑制火災(zāi)模擬分析

李彥平，吳偉康

( 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200333 )

0 引言

電力工程的集控室通過分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)和其他各類電力運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)施集中調(diào)控和電力運(yùn)行各系統(tǒng)工況的監(jiān)測(cè)功能，是整個(gè)電力生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中樞，在后續(xù)的電廠生產(chǎn)和運(yùn)行階段發(fā)揮著重要作用。集控室的消防安全是電力安全生產(chǎn)和運(yùn)行的重點(diǎn)工作。

針對(duì)集控室電氣設(shè)備多、人員密集和空間受限的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的水噴淋系統(tǒng)不適用于E類(電氣)火災(zāi)。細(xì)水霧滅火技術(shù)由于其滅火特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于各類火災(zāi)；細(xì)水霧在滅火中有煙氣凈化的效果，能夠用于保護(hù)人員密集的工作場(chǎng)所。

細(xì)水霧滅火技術(shù)憑借著環(huán)保高效、耗水量少、煙氣凈化及破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今最具潛力的環(huán)保高效型消防滅火技術(shù)之一，應(yīng)用于各類工作場(chǎng)所。劉江虹等[1]通過三維測(cè)定細(xì)水霧滅火時(shí)的速度分布于霧滴大小的關(guān)聯(lián)性，說明了細(xì)水霧與射流卷吸現(xiàn)象之間的關(guān)系。余明高等[2]通過對(duì)在受限空間內(nèi)滅火實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)的分析，進(jìn)行細(xì)水霧滅火機(jī)理的研究，得出使用細(xì)水霧滅火過程中的主要作用分為兩個(gè)階段：一是細(xì)水霧霧化對(duì)燃燒區(qū)的氣相冷卻作用和減弱熱輻射；二是細(xì)水霧霧滴在落到燃燒物表面時(shí)表現(xiàn)出的冷卻窒息作用。董希琳等[3]針對(duì)細(xì)水霧的作用建立了單霧滴運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)仿真模型，對(duì)細(xì)水霧霧場(chǎng)特性與火焰火羽的相互作用做出了說明。

楊立軍[4]對(duì)細(xì)水霧霧滴的蒸發(fā)及吸熱等進(jìn)行理論分析，得出細(xì)水霧霧滴粒徑越小，吸熱蒸發(fā)越快，但并不表明滅火效能就越高。孫智灝等[5]研究添加劑對(duì)細(xì)水霧滅火增強(qiáng)作用及機(jī)理分析中得出，添加劑通過對(duì)細(xì)水霧的物理或化學(xué)強(qiáng)化作用，能顯著提高細(xì)水霧滅火性能，縮短滅火時(shí)間，提升其滅火穩(wěn)定性和降溫效果。喬林等[6]利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真軟件(fire dynamics simulator，F(xiàn)DS)模擬研究不同壓力下細(xì)水霧對(duì)汽油池火的抑制過程，說明了壓力與滅火性能之間的聯(lián)系。這些研究表明，細(xì)水霧滅火技術(shù)是一項(xiàng)多機(jī)理、較為復(fù)雜的滅火技術(shù)，存在諸多的影響因素，其中，噴頭壓力和角度是細(xì)水霧滅火系統(tǒng)至關(guān)重要的參數(shù)。

本文以某火電廠建設(shè)工程集控室消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，利用PyroSim 火災(zāi)模擬軟件建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M分析在不同壓力和角度下細(xì)水霧對(duì)T2模式自由火的抑制機(jī)理和過程，模擬結(jié)果能夠?yàn)榧厥蚁涝O(shè)計(jì)和細(xì)水霧性能研究提供依據(jù)。

1 模擬模型設(shè)計(jì)

以某火電廠建設(shè)項(xiàng)目集控室消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為工程原型，模擬模型設(shè)計(jì)受限空間無強(qiáng)制通風(fēng)狀態(tài)下的細(xì)水霧滅火。設(shè)置1 MPa、2 MPa和5 MPa 共3 個(gè)壓力梯度，以及45°、60°和90°共3 個(gè)角度梯度。

1.1 模型參數(shù)

受限空間以GB/T 25207—2010《 火災(zāi)試驗(yàn)表面制品的實(shí)體房間火試驗(yàn)方法》[7]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房間為樣板，空間尺寸為3.6 m×2.4 m×2.4 m；混凝土結(jié)構(gòu)。火源為簡(jiǎn)化模型設(shè)置，尺寸為1 m× 1 m，位于房間地面幾何中心，坐標(biāo)為(1.8, 1.2, 1.2)，功率為500 kW/m2；消防噴淋頭一組4 個(gè)，坐標(biāo)分別為1 坐標(biāo)(0.9,1.6, 1.8)、2 坐標(biāo)(0.9, 0.8, 1.8)、3 坐標(biāo)(2.7, 0.8,1.8)和4 坐標(biāo)(2.7, 1.6, 1.8)，管網(wǎng)工作壓力梯度設(shè)置為1 MPa、2 MPa 和5 MPa，相對(duì)于噴頭所在平面角度梯度為45°、60°和90°。因模擬自然燃燒狀態(tài)時(shí)，燃燒時(shí)間T=50 s 時(shí)，火焰火羽達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，故關(guān)聯(lián)控制的觸發(fā)條件為T=60 s；墻上開一個(gè)敞開的門，開的門孔尺寸是0.8 m×0.2 m。為了降低門口氣流對(duì)于室內(nèi)火源的影響，將門口邊界的計(jì)算區(qū)域擴(kuò)大1 m，即開方面位于橫向坐標(biāo)X= -1 m 的平面。

模型場(chǎng)景布置和噴頭角度布置如圖1 所示。距火源以上每隔0.2 m 設(shè)置一個(gè)熱電偶(thermocouple，THCP)， 分 別 用THCP1 ～THCP10 表示，用于測(cè)量空間的溫度分布，計(jì)量單位為℃，熱電偶從下往上的編號(hào)依次是1、2、…、10。CO 和O2的體積分?jǐn)?shù)探測(cè)器設(shè)置在距火源2.2 m 處，測(cè)量單位為mol/mol。熱流量和質(zhì)量流量探測(cè)器放置在模型門口中心處，用于測(cè)量通過門的熱流量和質(zhì)量流量，計(jì)量單位分別為kW/m2和kg/s。

圖1 模型場(chǎng)景布置和噴頭角度布置圖

1.2 細(xì)水霧噴頭參數(shù)設(shè)置

細(xì)水霧噴頭參數(shù)設(shè)置見表1 所列。采用全淹沒開式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，噴頭類型為實(shí)心錐型，孔徑約3.0 mm。

表1 細(xì)水霧噴頭參數(shù)設(shè)置表

1.3 模型試驗(yàn)方案

本次模擬采用的模擬試驗(yàn)方案編號(hào)詳見表2 所列。通過做一系列的平行試驗(yàn)，比較和分析模擬結(jié)果中的相關(guān)參數(shù)，得出細(xì)水霧滅火性能差異結(jié)論，并給出評(píng)價(jià)。

表2 模擬試驗(yàn)方案編號(hào)表

本文模擬在該受限空間模型的滅火條件下，通過改變細(xì)水霧滅火的相關(guān)參數(shù)，分析其對(duì)滅火性能的影響，得出模擬試驗(yàn)條件下，滅火性能最佳的細(xì)水霧壓力、角度和模擬對(duì)象的煙氣運(yùn)動(dòng)、火焰溫度分布、煙氣中O2和CO 體積分?jǐn)?shù)、滅火時(shí)間以及滅火用水量等參數(shù)。

2 同角度、不同壓力下的滅火性能模擬分析

自由燃燒的基礎(chǔ)上，添加一組4 個(gè)的細(xì)水霧噴頭。設(shè)置相對(duì)于細(xì)水霧噴頭所在平面的同角度下，用不同的工作壓力實(shí)現(xiàn)細(xì)水霧滅火性能模擬。

2.1 噴頭角度為45°時(shí)的模擬燃燒及分析

熱電偶設(shè)置得較多，從空間內(nèi)溫度變化來看，在整個(gè)滅火過程中，THCP1 測(cè)量的溫度基本與火源溫度保持一致，THCP4 測(cè)點(diǎn)處于火源外焰中心偏上的位置，曲線波動(dòng)太大，THCP8 ～THCP10 測(cè)量的溫度在釋放細(xì)水霧的瞬間降低，然后趨于平穩(wěn)。噴頭角度為45°，選擇有代表性的THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 這4 個(gè)熱電偶分析模擬結(jié)果，熱電偶的溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖2、圖3 所示。

圖3 熱電偶THCP5和THCP7的溫度曲線

圖2 和 圖3 分 別 是THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 在噴頭角度為45°時(shí)自由燃燒狀態(tài)、1 MPa 低壓細(xì)水霧、2 MPa 中壓細(xì)水霧、5 MPa 高壓細(xì)水霧的溫度變化曲線。從圖2和圖3 可以看出，在60 s 之前，每個(gè)熱電偶的溫度變化曲線基本相同。在T= 60 s 時(shí)釋放細(xì)水霧，各個(gè)熱電偶的溫度曲線都表現(xiàn)出降低趨勢(shì)。總體來看，細(xì)水霧釋放后，溫度曲線表現(xiàn)出降低、升高和再降低3 個(gè)階段。結(jié)合細(xì)水霧滅火機(jī)理來看，正好對(duì)應(yīng)細(xì)水霧滅火過程的噴霧初期抑制階段、火焰強(qiáng)化膨脹階段和細(xì)水霧再次抑制階段3 個(gè)階段。

從滅火時(shí)間看，高壓水滅火用時(shí)最少，中壓水次之，低壓水最長(zhǎng)，甚至還存在復(fù)燃情況。以THCP2 為例，用高壓水在T= 135 s 時(shí)，火源熄滅；中壓水在T= 171 s 時(shí)，火源熄滅；釋放低壓細(xì)水霧火焰溫度始終大于75 ℃，即滅火失敗。

氣相組分變化曲線如圖4 所示。

圖4 空間CO和O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線

從圖4 可以看出，在整個(gè)滅火過程中，造成CO 濃度增加的原因是：當(dāng)釋放細(xì)水霧后，由于水霧的蒸發(fā)吸熱和屏蔽熱輻射的作用，使得周圍的O2濃度降低，造成不完全燃燒，且冷卻和隔絕越明顯，產(chǎn)生的CO 越多。O2濃度約為0.21 mol/mol 的正常含量，在T= 75 s 時(shí)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。由于細(xì)水霧的窒息作用，火源周圍的O2濃度越來越低，所以1 MPa、2 MPa 和5 MPa 這3 種工況下表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，最大降低至0.10 mol/mol 左右。

2.2 噴頭角度為60°時(shí)的模擬燃燒及分析

在維持火源功率、細(xì)水霧釋放壓力不變的情況下，只將噴頭角度改為60°，模擬燃燒分析。

在T= 60 s 時(shí)釋放細(xì)水霧，溫度—時(shí)間曲線都有很大的波動(dòng)；在T= 80 s 左右時(shí)，均高于自由燃燒，相比較45°工況時(shí)，不穩(wěn)定性更高，變化趨勢(shì)仍然呈現(xiàn)出“降低—升高—再降低”的趨勢(shì)。從最終的結(jié)果來看，火情得到了控制。

從滅火時(shí)間看，高壓水滅火用時(shí)最少，中壓水滅火用時(shí)次之，低壓水滅火用時(shí)最長(zhǎng)。以THCP2 為例，用高壓水在T= 126 s 時(shí)，火源熄滅；中壓水在T= 148 s 時(shí)，火源熄滅；低壓細(xì)水霧同樣滅火失敗。

2.3 噴頭角度為90°時(shí)的模擬燃燒及分析

噴頭角度為90°時(shí)，模擬燃燒分析如下：在T= 30 s 左右時(shí)，火焰溫度出現(xiàn)了波動(dòng)，在預(yù)定的T= 50 s 時(shí)，火源達(dá)到了穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。同樣，在T= 60 s 后的溫度—時(shí)間曲線都產(chǎn)生了較大幅度的降低，但是也有波動(dòng)，其波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于60°工況時(shí)的波動(dòng)幅度。

從滅火時(shí)間看，高壓水用時(shí)最少，中壓水次之，低壓水最長(zhǎng)。同樣以THCP2 為例，用高壓水在T= 121 s 時(shí)，火源熄滅；中壓水在T= 141 s 時(shí)，火源熄滅；低壓細(xì)水霧在T= 191 s 時(shí)，火源熄滅。

2.4 同角度、不同壓力下的模擬結(jié)果

本節(jié)分析每個(gè)角度系列不同工況下THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 這4 個(gè)不同高度熱電偶的溫度曲線圖，CO、O2在受限空間里離火源2.2 m 處的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線，各工況下滅火時(shí)間、用水量、CO 體積分?jǐn)?shù)和O2體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果詳見表3 所列，滅火失敗和成功的比例為2∶7。

表3 同角度、不同壓力下的模擬結(jié)果

模擬試驗(yàn)得出：通過門的熱流量在火源燃燒前期均呈逐漸增大狀態(tài)，自由燃燒時(shí)，熱流量數(shù)值約為-215 kW/m2。而在其他工況下，細(xì)水霧的流動(dòng)和門外環(huán)境達(dá)成了對(duì)流狀態(tài)，進(jìn)門和出門的熱量幾乎相當(dāng)。在高壓工況下，窒息等作用更明顯，波動(dòng)幅度更大。

通過門的質(zhì)量流量在火源燃燒初期，流出門的物質(zhì)占大多數(shù)；而隨著燃燒的進(jìn)行，進(jìn)出門的物質(zhì)達(dá)到平衡，在釋放細(xì)水霧后的10 s 內(nèi)，流進(jìn)門的物質(zhì)急劇增大；后面隨著燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)出門的物質(zhì)流量達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。

3 同壓力、不同角度下的滅火性能模擬分析

為了較完整地開展細(xì)水霧滅火性能模擬試驗(yàn)，在前面測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再設(shè)置一組系列試驗(yàn)，即：以不同的角度作為變量，在相同釋放壓力的條件下，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

3.1 細(xì)水霧釋放壓力為1 MPa時(shí)的模擬燃燒及分析

如圖5、圖6 所示：在T= 60 s 釋放細(xì)水霧后，溫度曲線出現(xiàn)降低，但是效果不是很明顯；而釋放角度為60°的細(xì)水霧釋放后，溫度曲線出現(xiàn)很大的波動(dòng)。可以得出：1 MPa 低壓情況下，45°和60°細(xì)水霧滅火均失敗。90°細(xì)水霧釋放后的T= 191 s 時(shí)刻，滅火成功。

圖5 熱電偶THCP2和THCP3的溫度曲線圖

圖6 熱電偶THCP5和THCP7的溫度曲線圖

細(xì)水霧釋放角度為60°時(shí)，出現(xiàn)火源形態(tài)波動(dòng)幅度過大，原因可能是火源面積過大。在該工況下，細(xì)水霧中心線交點(diǎn)正好在火源中心點(diǎn)，再加上水壓較低，所以在釋放過程中，細(xì)水霧可能會(huì)起到促進(jìn)作用，致使溫度上下波動(dòng)幅度過大。可見，高壓細(xì)水霧比中壓、低壓細(xì)水霧的滅火效率更高。

為分析細(xì)水霧釋放壓力為 1MPa 下的氣相、固相組分變化情況，對(duì)該有限空間內(nèi)CO 和O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。

圖7 1 MPa細(xì)水霧釋放壓力下空間CO、O2體積分?jǐn)?shù)曲線

模擬曲線圖顯示，自由燃燒情況下的CO體積分?jǐn)?shù)為7.3×10-5mol/mol，在1 MPa的情況下，細(xì)水霧釋放角度為45°時(shí)，滅火過程中的CO 體積分?jǐn)?shù)約為1.2×10-4mol/mol；釋放角度為60°時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)為1.4×10-4mol/mol；釋放角度為90°時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)為1.6×10-4mol/mol。同壓力的條件下，細(xì)水霧釋放角度為90°的情況下要比45°和60°產(chǎn)生的CO 較多，即：細(xì)水霧釋放角度90°比45°和60°情況下的隔絕氧氣作用更明顯，產(chǎn)生的不完全燃燒占比更高。

燃燒初期，空間內(nèi)的O2濃度約為0.21 mol/mol，且降低得較緩慢。而在T= 60 s 之后，O2濃度降低明顯，穩(wěn)定數(shù)值約為0.168 mol/mol。45°滅火過程中的O2體積分?jǐn)?shù)約為0.12 mol/mol，有輕微的抖動(dòng)；60°滅火過程的O2體積分?jǐn)?shù)為0.10 mol/mol，抖動(dòng)的幅度比較大；90°的O2體積分?jǐn)?shù)約為0.107 mol/mol，特征曲線較為平穩(wěn)。

運(yùn)用同樣的模擬試驗(yàn)方法，細(xì)水霧釋放壓力為2 MPa 和5 MPa 時(shí)，對(duì)該有限空間內(nèi)模擬燃燒和結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果如下：

1)細(xì)水霧釋放壓力為2 MPa 時(shí)，釋放細(xì)水霧后，3 種工況的細(xì)水霧均起到了滅火作用，90°在T= 142 s 時(shí)撲滅；60°在T= 148 s 時(shí)撲滅；45°在T= 175 s 時(shí)撲滅。

2)細(xì)水霧釋放壓力為5 MPa 時(shí)，釋放細(xì)水霧后，3 種工況的細(xì)水霧均起到了滅火作用，90°在T= 118 s 時(shí)撲滅；60°在T= 128 s 時(shí)撲滅；45°在T= 135 s 時(shí)撲滅。

3.2 同壓力、不同角度下的滅火模擬結(jié)果

本節(jié)主要模擬細(xì)水霧在相同釋放壓力、不同釋放角度下的滅火性能，得到每個(gè)角度系列不同工況下的THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 這4 個(gè)不同高度的熱電偶溫度曲線，CO、O2在受限空間里離火源2.2m 處的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化。其中，各工況下滅火時(shí)間、用水量、CO 體積分?jǐn)?shù)和O2體積分?jǐn)?shù)等模擬結(jié)果詳見表4 所列。

表4 同壓力、不同角度下的模擬結(jié)果匯總表

模擬試驗(yàn)得出：通過門的熱流量在火源燃燒前期均成逐漸增大狀態(tài)，自由燃燒時(shí)，熱流量數(shù)值約為-215 kW/m2。釋放細(xì)水霧后明顯降低，45°工況下的熱流量為-48 kW/m2；60°工況下的熱流量為-40 kW/m2；90°工況下的熱流量約為-20 kW/m2。在同壓力的條件下，90°工況下的冷卻作用最好。

通過門的質(zhì)量流量在火源燃燒初期，流出門的物質(zhì)占大多數(shù)；隨著燃燒的進(jìn)行，進(jìn)出門物質(zhì)達(dá)到平衡，在釋放細(xì)水霧后的10 s 內(nèi)，流進(jìn)門的物質(zhì)急劇增大，質(zhì)量流量波動(dòng)幅度為0.5 kg/s；后面隨著燃燒的進(jìn)行，進(jìn)出門物質(zhì)流量達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在以GB/T 25207—2010 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房間為樣板的試驗(yàn)條件下，細(xì)水霧釋放壓力越高，滅火效果最佳；噴霧與火源外焰、內(nèi)焰中心線重合時(shí)，滅火效果最佳。

本文取得的研究結(jié)論如下：

1) 2 MPa 中壓和5 MPa 高壓細(xì)水霧均滅火成功，且整個(gè)滅火過程可以分為3 個(gè)階段，而1 MPa 低壓細(xì)水霧滅火失敗，原因是細(xì)水霧噴霧強(qiáng)度不夠，水量偏少；

2)同壓力下，噴霧角度為90°條件下的滅火效果比45°和60°情況下的滅火時(shí)間短，火焰溫度波動(dòng)小，滅火效果最好。其可能原因是噴霧角度為45°時(shí)，噴射細(xì)水霧的中心線對(duì)準(zhǔn)的是火焰外焰，火焰上部和底部隔絕效果不理想；噴霧角度為60°時(shí)，噴射細(xì)水霧的中心線對(duì)準(zhǔn)火焰底部的內(nèi)焰部分，因此，火焰中焰和外焰區(qū)域也不能很好隔絕氧氣，所以會(huì)出現(xiàn)溫度曲線波動(dòng)幅度較大的現(xiàn)象；

3) 同角度下，5 MPa 高壓細(xì)水霧比2 MPa 中壓和1 MPa 低壓的細(xì)水霧滅火時(shí)長(zhǎng)短，滅火效果更好。主要原因是高壓細(xì)水霧比低壓和中壓細(xì)水霧的水霧特性更佳，霧化效果更好，冷卻和窒息效應(yīng)更明顯；

4)由于細(xì)水霧滅火時(shí)的窒息效應(yīng)，細(xì)水霧釋放后，空間內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)比自由燃燒降低得更快。同時(shí)，空間內(nèi)的CO 體積分?jǐn)?shù)比自由燃燒時(shí)會(huì)更高，其主要原因是不完全燃燒造成。細(xì)水霧窒息效應(yīng)越明顯，周圍O2濃度越少，不完全燃燒組分越多，而且壓力越高，此現(xiàn)象越明顯；

5)從壓力的角度看，低壓細(xì)水霧滅火時(shí)間久，不利于緊急撲滅火災(zāi)；高壓細(xì)水霧耗水量大，對(duì)保護(hù)對(duì)象的沖擊大，運(yùn)行成本高；而中壓細(xì)水霧具有滅火效率高、消耗的水量少等優(yōu)點(diǎn)，適合消防自動(dòng)滅火的推廣。從噴射角度方面看，噴射角度為45°的滅火時(shí)間稍長(zhǎng)；噴射角度60°的火焰溫度波動(dòng)很大，可能引發(fā)其他可燃物著火；噴射角度為90°的細(xì)水霧具有覆蓋面積大、滅火過程中火焰溫度平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，適合作為集控室的自動(dòng)滅火噴頭參數(shù)。

在實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)景中，可以根據(jù)集控室內(nèi)各類電氣設(shè)備布局，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)布局。在模擬試驗(yàn)中，建議細(xì)水霧釋放壓力為中壓水霧，噴霧角度與電氣設(shè)備垂直布置。