劉長學(xué)， 武英強(qiáng)， 丁瑞志， 郝國良， 申宇燕

(1　濟(jì)南鐵路局 客車處， 山東濟(jì)南 250001；2　濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南車輛段， 山東濟(jì)南 250001；3　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司, 北京 100094；4　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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25T型客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及改進(jìn)措施

劉長學(xué)1， 武英強(qiáng)2， 丁瑞志3， 郝國良3， 申宇燕4

(1濟(jì)南鐵路局 客車處， 山東濟(jì)南 250001；2濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南車輛段， 山東濟(jì)南 250001；3北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司, 北京 100094；4中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

闡述25T型客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對(duì)運(yùn)用過程中因灰塵、水蒸氣等干擾因素造成的誤報(bào)警，提出技術(shù)改進(jìn)措施，并通過實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證技術(shù)改進(jìn)措施的有效性。

防火監(jiān)測(cè)； 迷宮式扇形擋板； 診斷算法； 光電感煙探測(cè)器

客車是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的人員密集場(chǎng)所，車廂內(nèi)布置有復(fù)雜的電氣線路及大功率電器設(shè)備，過流、短路、電容爆炸等引起的電氣火災(zāi)，以及旅客抽煙等引發(fā)的人為火災(zāi)，均對(duì)旅客列車安全運(yùn)營帶來了嚴(yán)重威脅。運(yùn)營列車內(nèi)部空間較小，自身攜帶的消防滅火措施十分有限，且通常遠(yuǎn)離地方消防力量，客車安裝火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在較早的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，減少損失，保障旅客的生命和財(cái)產(chǎn)安全。25T型客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用光電感煙探測(cè)器，對(duì)列車重點(diǎn)部位的火情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將報(bào)警信息通過GPRS實(shí)時(shí)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，在早期預(yù)報(bào)火情，預(yù)防重大火災(zāi)事故中發(fā)揮了重要作用。但灰塵、水蒸氣等干擾因素造成的誤報(bào)警，也給車輛段使用人員帶來很大麻煩，本文對(duì)造成感煙探測(cè)器誤報(bào)警的因素進(jìn)行分析，提出技術(shù)改進(jìn)措施，并通過實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證技術(shù)改進(jìn)措施的有效性。

1　火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1火災(zāi)發(fā)展過程

火災(zāi)是在時(shí)間和空間上失去控制的燃燒現(xiàn)象，多數(shù)火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示，大致經(jīng)歷初期(陰燃階段)、增長期、旺盛期、衰減期4個(gè)階段。

在火災(zāi)發(fā)展的初期，會(huì)釋放出大量的煙霧，這一階段大多發(fā)展比較緩慢，受可燃物性能、分布和通風(fēng)、散熱等條件的影響，有可能形成火災(zāi)，也可能中途熄滅。增長期燃燒范圍不斷擴(kuò)大，溫度升高，可燃物在高溫的作用下，不斷分解釋放出可燃?xì)怏w；當(dāng)空間內(nèi)可燃物的表面全部卷入燃燒的瞬變狀態(tài)，稱為轟燃，轟燃發(fā)生后，可燃物出現(xiàn)全面燃燒，可燃物熱釋放速率很大，空間溫度

急劇上升，火焰劇烈，溫度可達(dá)800℃～1 000℃，一旦發(fā)展到此階段，施救已失去意義。

圖1　火災(zāi)發(fā)展過程

1.2灰塵觸發(fā)探測(cè)器報(bào)警的原理

25T客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的感煙類探測(cè)器為光電感煙探測(cè)器，該類型探測(cè)器利用火災(zāi)煙霧對(duì)光產(chǎn)生的散射作用等來探測(cè)火災(zāi)，其核心部件為迷宮。

光電感煙探測(cè)器迷宮由紅外發(fā)射二極管，紅外接收二極管，以及迷宮塑料件組成，如圖2所示。發(fā)射二極管和接收二極管之間的夾角在90°～135°之間，夾角越大，靈敏度越高。當(dāng)迷宮腔內(nèi)無煙霧時(shí)，發(fā)射二極管發(fā)射的一定波長的紅外光直射在發(fā)射二極管對(duì)面的暗室壁上，而安裝在側(cè)壁上的接收二極管接收不到紅外光。

當(dāng)易燃材料陰燃以至燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧進(jìn)入迷宮腔，光線在前進(jìn)過程中照射在不規(guī)則分布的煙霧粒子上，產(chǎn)生散射，散射光的不規(guī)則性使一部分散射光照射在接收二極管上。顯然煙霧粒子越多，接收二極管接收到的散射光越強(qiáng)，產(chǎn)生的光電信號(hào)也越強(qiáng)，再經(jīng)過后續(xù)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路處理得出的煙霧顆粒濃度也就越大。

圖2　散射光式光電感煙探測(cè)器原理示意圖

灰塵進(jìn)入探測(cè)器迷宮后，紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光照射在不規(guī)則分布的灰塵顆粒上，同樣會(huì)產(chǎn)生散射。部分散射光照射在接收二極管上，探測(cè)器計(jì)算的煙霧濃度就會(huì)增加。進(jìn)入探測(cè)器的灰塵顆粒越多，則會(huì)導(dǎo)致因灰塵顆粒產(chǎn)生的散射光越強(qiáng)，探測(cè)器計(jì)算的煙霧濃度也就越大，高于報(bào)警門限，就可能會(huì)觸發(fā)探測(cè)器報(bào)警。

1.3點(diǎn)位布置

25T型客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感煙探測(cè)器點(diǎn)位布置，根據(jù)車廂類型、車體結(jié)構(gòu)以及車輛運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)。

車輛客室內(nèi)有強(qiáng)制循環(huán)空調(diào)，車廂內(nèi)氣流較大，一旦火災(zāi)形成，煙霧不會(huì)自然彌漫到客室頂棚上，所以按照傳統(tǒng)的安裝方法安裝在頂棚上，火災(zāi)探測(cè)器不能及時(shí)可靠地探測(cè)到火災(zāi)。根據(jù)客室空氣交換的規(guī)律，氣流從進(jìn)風(fēng)口最終要匯集到回風(fēng)口，所以不管是空氣還是火災(zāi)煙霧都會(huì)向這一區(qū)域聚集。硬座車廂感煙探測(cè)器布置在車廂頂棚回風(fēng)口處，可以早期探測(cè)到火情。

硬臥車廂和軟臥車廂是封閉的格局，各個(gè)包廂都是相互封閉的，氣流在包廂內(nèi)自行流動(dòng)，在每個(gè)包廂的頂棚上安裝感煙探測(cè)器，對(duì)每個(gè)包廂內(nèi)的煙霧濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以早期探測(cè)火情，確保乘客和車輛的安全。

車輛配電柜內(nèi)，布有高壓電力線纜，復(fù)雜控制電路板或高壓大功率電容等，過流、短路、電容爆炸等是引起機(jī)車電氣火災(zāi)的主要原因，經(jīng)過火災(zāi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在封閉柜體內(nèi)加熱易燃材料，如線纜、電路板等在陰燃以至燃燒的過程中，容易引起煙霧在柜體頂部的聚集，而感溫探測(cè)器采集的溫度基本沒有變化。

圖3　硬座和硬臥車廂感煙探測(cè)器點(diǎn)位布置

圖4　柜體內(nèi)線纜(左圖)、電路板(右圖)燃燒時(shí)，煙霧和溫度變化曲線

在配電柜柜體頂部安裝感煙探測(cè)器，可以早期探測(cè)到線纜陰燃、電路板過熱、電容爆炸等產(chǎn)生的煙霧，預(yù)防重大火災(zāi)事故的發(fā)生。

1.4系統(tǒng)組成

列車上各火災(zāi)報(bào)警控制器間通過RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，列車編組后，整列車的火災(zāi)報(bào)警控制器自成網(wǎng)絡(luò)，總線上所有報(bào)警控制器(簡稱節(jié)點(diǎn))在通訊權(quán)限上都是對(duì)等的，當(dāng)某節(jié)車廂有火警發(fā)生時(shí)，全列車廂的火災(zāi)報(bào)警控制器都鳴火災(zāi)報(bào)警聲，點(diǎn)亮火警指示燈，并顯示火災(zāi)報(bào)警車廂號(hào)、火災(zāi)報(bào)警部位及火災(zāi)報(bào)警時(shí)間等，當(dāng)此次火警之后，該車廂其他部位或其他車廂有火警時(shí)，全列車廂的火災(zāi)報(bào)警控制器同樣都鳴火災(zāi)報(bào)警聲，點(diǎn)亮火警指示燈并在前一條火警后按同一格式顯示本次火警信息，總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

每節(jié)車廂的火警控制器通過網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，及時(shí)將本節(jié)車的狀態(tài)上傳。

乘務(wù)員通過網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)可以查詢整列車的火災(zāi)報(bào)警情況，一旦有火情，就近的乘務(wù)員可以及時(shí)處理，其他車廂的車務(wù)員也可以了解情況，做好準(zhǔn)備工作，一旦火災(zāi)發(fā)生可以立即啟動(dòng)應(yīng)急措施，有序的對(duì)人員進(jìn)行疏散，把災(zāi)害化解掉。

2　運(yùn)用過程中存在的問題

我國幅員遼闊，列車運(yùn)行環(huán)境千差萬別，沙塵暴、霧霾、灰塵等對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性提出了比建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)更苛刻的要求。

25T型客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的感煙探測(cè)器在運(yùn)用過程中頻繁發(fā)生誤報(bào)，對(duì)Z105/Z106(濟(jì)南-烏魯木齊)4個(gè)編組的報(bào)警統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2015年4月份共發(fā)生報(bào)警129條，除14條報(bào)警為停車檢修測(cè)試外，其余基本分布在西北部風(fēng)沙較大地區(qū)。2014年12月上線運(yùn)行至2015年4月，報(bào)警條數(shù)呈線性增長趨勢(shì)，如表1所示。

表1　2014～2015報(bào)警數(shù)量

針對(duì)西北部風(fēng)沙較大的特點(diǎn)，在試驗(yàn)室用灰塵干擾脈沖試驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)沙觸發(fā)光電感煙探測(cè)器報(bào)警的現(xiàn)象。

西北部常年風(fēng)沙較大，灰塵不斷在設(shè)備表面及探測(cè)器防塵網(wǎng)外部累積，進(jìn)入車廂的大風(fēng)將設(shè)備表面的灰塵吹起，會(huì)引起灰塵干擾脈沖，而當(dāng)灰塵干擾脈寬滿足感煙探測(cè)器報(bào)警診斷條件時(shí)，就會(huì)引起感煙探測(cè)器誤報(bào)。

探測(cè)器的零點(diǎn)，會(huì)隨著灰塵的累積而向上漂移。這種漂移的長期累積，將改變探測(cè)器靈敏度甚至誤報(bào)火警。為了降低灰塵累積導(dǎo)致的探測(cè)器零點(diǎn)漂移，需要根據(jù)灰塵緩慢累積的特性，對(duì)探測(cè)器的零點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)修正，即漂移補(bǔ)償，如圖7所示。

圖6　灰塵干擾脈沖試驗(yàn)

圖7　漂移補(bǔ)償達(dá)到上限線前

由于探測(cè)器硬件(放大器、AD轉(zhuǎn)換器、迷宮、工作電壓等)的限制，探測(cè)器漂移補(bǔ)償是有限度的，當(dāng)探測(cè)漂移補(bǔ)償達(dá)到上限時(shí)，灰塵繼續(xù)累積，將壓縮探測(cè)器報(bào)警診斷空間，提高探測(cè)器靈敏度，小的波動(dòng)都可能誘發(fā)感煙探測(cè)器報(bào)警，如圖8所示。

圖8　漂移補(bǔ)償達(dá)到上限后

這可以解釋Z105/Z106次列車上線運(yùn)行后，誤報(bào)數(shù)量為什么呈現(xiàn)線性增長趨勢(shì)，就是由于進(jìn)入車廂的灰塵不斷在探測(cè)器迷宮內(nèi)累積，感煙探測(cè)器零點(diǎn)逐漸向上漂移，而又沒有得到及時(shí)清洗，導(dǎo)致感煙探測(cè)器的報(bào)警診斷空間逐漸被壓縮，報(bào)警靈敏度逐漸提高，風(fēng)沙引起的干擾脈沖觸發(fā)感煙探測(cè)器報(bào)警。

3　火災(zāi)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)改進(jìn)措施

為了有效降低感煙探測(cè)器的誤報(bào)，提高感煙探測(cè)器報(bào)警的準(zhǔn)確性，研制了專用活性炭防塵網(wǎng)、專用迷宮式扇形擋板，減緩探測(cè)器的污染，降低外部灰塵、風(fēng)沙對(duì)感煙探測(cè)器的影響。同時(shí)建立探測(cè)器維護(hù)檔案，定期清洗感煙探測(cè)器，以避免因探測(cè)器清洗維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的誤報(bào)。

3.1專用活性炭防塵網(wǎng)

為了阻擋粒徑較大的灰塵進(jìn)入探測(cè)器迷宮，提高進(jìn)入探測(cè)器迷宮的煙霧純度，降低灰塵對(duì)感煙探測(cè)器報(bào)警的干擾，同時(shí)延長感煙探測(cè)器的維護(hù)周期，設(shè)計(jì)了感煙探測(cè)器專用活性炭防塵網(wǎng)，在過濾網(wǎng)處粘貼海綿網(wǎng)，纏繞兩圈，海綿網(wǎng)材質(zhì)為活性炭，以濾除大粒徑灰塵，如圖9所示。

圖9　專用活性炭防塵網(wǎng)

3.2專用迷宮式扇形擋板

為降低外部風(fēng)沙侵入、空調(diào)開啟等對(duì)感煙探測(cè)器的影響，將易被風(fēng)沙干擾區(qū)域的感煙探測(cè)器加裝專用迷宮式扇形擋板，以降低灰塵干擾。專用迷宮式扇形擋板獨(dú)立于探測(cè)器，為可選裝部件，但選擇加裝時(shí)，能與探測(cè)器進(jìn)行一體化安裝，安裝簡便、牢固、可自由調(diào)整方向并定位。擋風(fēng)板提供足夠的遮擋面積，定位后可在一定程度上降低指定方向的灰塵對(duì)感煙探測(cè)器數(shù)據(jù)采集的影響，同時(shí)不影響探測(cè)器自身的報(bào)警功能，安裝效果如圖10所示。

圖10　專用迷宮式扇形擋板

3.3建立探測(cè)器維護(hù)檔案

從圖7、圖8可以看出，感煙探測(cè)器漂移補(bǔ)償達(dá)到上限后，迷宮內(nèi)灰塵繼續(xù)累積將導(dǎo)致探測(cè)器報(bào)警診斷空間縮小，報(bào)警靈敏度提高，原本不能觸發(fā)探測(cè)器報(bào)警的灰塵干擾都有可能觸發(fā)感煙探測(cè)器報(bào)警。因而，及時(shí)清洗探測(cè)器顯得尤為必要。

為每節(jié)車廂的探測(cè)器建立維護(hù)檔案，記錄清洗時(shí)間，運(yùn)行天數(shù)，當(dāng)達(dá)到運(yùn)行天數(shù)后對(duì)整節(jié)車廂的感煙探測(cè)器進(jìn)行及時(shí)清洗。

4　實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)

在2015年5月中旬在濟(jì)南車輛段將Z105/Z106 A、B、C、D 4組煙感探頭全部清理一遍，并全部加裝專用活性炭防塵網(wǎng)，及選擇性加裝專用迷宮式擋板，對(duì)比整改前后半個(gè)月的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，報(bào)警數(shù)量顯著下降，如圖11所示。

圖11　煙感探頭整改前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5　結(jié)束語

基于25T型客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長期運(yùn)用過程中出現(xiàn)的問題，通過數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，試驗(yàn)?zāi)M，為感煙探測(cè)器設(shè)計(jì)了專用活性炭防塵網(wǎng)、專用迷宮式扇形擋板，從物理上減緩探測(cè)器污染；建立探測(cè)器維護(hù)檔案，定期清洗探測(cè)器，保持探測(cè)器的清潔，從而實(shí)現(xiàn)25T客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)，整改前后的運(yùn)用情況來看，報(bào)警數(shù)量大大降低，有效提高了25T客車火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警靈敏度。

[1]謝啟源，袁宏永，宋立巍.煙氣流速對(duì)感煙火災(zāi)探測(cè)器性能的影響[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào).2004,4(1):62-65.

[2]GB 4715-2005 點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器 [S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

Status and Improvement Measures of Fire Monitoring for 25T Train Coach

LIUChangxue1,WUYingqiang2,DINGRuizhi3,HAOGuoliang3,SHENYuyan4

(1Affairs office of Train Coach, Jinan Railway Bureau, Jinan 250001 Shandong, China；2Jinan Car Depot, Jinan Railway Bureau, Jinan 250001 Shandong, China；3Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China;4Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; )

This paper expounds the present situation of 25T train coach's fire monitoring system, puts forward the technical improvement measures against the false alarm caused by dust and water vapor, and verifies the effectiveness of the improvement measures through the test of real vehicles.

fire monitoring; labyrinth fan damper; diagnosis algorithm; photoelectric smoke detector

1008-7842 (2016) 02-0083-04

??)男，工程師(

2015-11-09)

U270.7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.21