劉蘇敏陸 嘉 張文慶方麗麗

地鐵車輛段煙氣蔓延規(guī)律研究及火災(zāi)探測器選型試驗(yàn)

劉蘇敏1陸 嘉2張文慶2方麗麗2

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢；2.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，230088，合肥∥第一作者，高級工程師）

通過典型火源燃燒試驗(yàn)分析了地鐵車輛段內(nèi)的煙氣蔓延特性，對高大空間常用火災(zāi)探測器在地鐵車輛段內(nèi)的探測性能及抗霧霾干擾特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，以光截面感煙火災(zāi)探測器和圖像型火災(zāi)探測器相結(jié)合的探測方式，可有效實(shí)現(xiàn)地鐵車輛段內(nèi)的火災(zāi)早期探測。

地鐵車輛段；大空間；火災(zāi)煙氣；火災(zāi)探測

地鐵車輛段由列車停放區(qū)、車輛清洗區(qū)、檢查和小修庫、大修車間、機(jī)車庫等組成，涉及約30個(gè)專業(yè)及系統(tǒng)，檢修作業(yè)流程復(fù)雜、用電設(shè)備多、危險(xiǎn)性很高，一旦發(fā)生火災(zāi)，會造成嚴(yán)重?fù)p失［1］。安裝可靠有效的火災(zāi)探測設(shè)備是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的重要途徑。由于該類場所空間高大的特點(diǎn)，一般建筑中廣泛使用的點(diǎn)型感煙、感溫火災(zāi)探測器并不適用。目前，國內(nèi)地鐵車輛段中使用的火災(zāi)探測器主要有吸氣式感煙探測器、紅外線型光束感煙探測器、圖像型火災(zāi)探測器等［2-4］。文獻(xiàn)［5］對吸氣式感煙火災(zāi)探測器在高大空間中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)體試驗(yàn)研究，得到了吸氣式感煙火災(zāi)探測器在高大空間的響應(yīng)性能，并給出了該類探測器在高大空間的布置方式。文獻(xiàn)［6］在鏤空格柵吊頂?shù)牡罔F車站內(nèi)進(jìn)行了吸氣式感煙火災(zāi)探測器的試驗(yàn)，討論了不同通風(fēng)工況及安裝位置對該類探測器的影響。文獻(xiàn)［7］等通過明火試驗(yàn)研究了線型光束感煙火災(zāi)探測器在高大空間內(nèi)的報(bào)警性能，提出了線型光束感煙火災(zāi)探測器在高大空間內(nèi)的安裝參數(shù)。然而實(shí)際應(yīng)用中，安裝在地鐵車輛段內(nèi)的火災(zāi)探測器經(jīng)常由于早期火災(zāi)煙氣較小產(chǎn)生報(bào)警延遲，或環(huán)境中粉塵、水霧、霧霾等影響而產(chǎn)生漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象。所以，地鐵車輛段內(nèi)火災(zāi)探測器的選擇問題亟待解決。

本文在搭建地鐵車輛段模擬試驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上，通過設(shè)置典型火源，對吸氣式感煙探測器、光截面感煙火災(zāi)探測器、雙鑒式感煙火災(zāi)探測器、紅外對射式感煙火災(zāi)探測器、圖像型火災(zāi)探測器進(jìn)行了適應(yīng)性與有效性試驗(yàn)研究，并測試了各探測器的抗霧霾干擾特性，為地鐵車輛段的火災(zāi)探測器選型提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)平臺搭建

試驗(yàn)為模擬地鐵車輛段的大空間特點(diǎn)，選擇在合肥某企業(yè)的大型火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該大空間實(shí)驗(yàn)室的長、寬、高分別為48 m、18 m和14 m，長邊高13 m位置設(shè)有一排高0.5 m的高位窗，建筑形態(tài)與地鐵車輛段建筑相似。根據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)要求［8］，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室空間的尺寸，幾種探測器按圖1所示布置。

（1）紅外對射式感煙火災(zāi)探測器：3對探測器，安裝在實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)短邊，距頂棚0.5 m的位置，相鄰探測器間距6 m，兩側(cè)的探測器與長邊墻的距離為3 m。

（2）吸氣式感煙火災(zāi)探測器：共布置2臺，每臺探測器設(shè)3個(gè)長為20 m的采樣管；中間采樣管沿短邊中線布置，相鄰采樣管間距離6 m，緊貼頂棚安裝，兩側(cè)的采樣管與長邊墻的距離為3 m；采樣管上每間隔4.5 m有一個(gè)直徑3 mm的采樣孔。

（3）雙鑒式感煙火災(zāi)探測器：共布置2組，包括2個(gè)接收器和6個(gè)發(fā)射器，探測器安裝在實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)短邊距頂棚0.5 m的位置，每邊1個(gè)接收器和3個(gè)發(fā)射器，相鄰探測器間距4.5 m，兩側(cè)的探測器與長邊墻的距離為2.25 m。

圖1 幾種火災(zāi)探測器布置示意圖

（4）光截面感煙火災(zāi)探測器：與雙鑒式感煙火災(zāi)探測器布置相同。

（5）圖像型火災(zāi)探測器：在實(shí)驗(yàn)室的對角線位置高度10 m處，布置2臺圖像型火災(zāi)探測器，并確保中間無遮擋物。

2 典型火源燃燒煙氣蔓延試驗(yàn)

地鐵車輛段內(nèi)的可燃物主要為列車車廂內(nèi)的座椅、車頂棚的有機(jī)裝飾材料，以及檢修區(qū)存放的橡膠、塑料制品等［9］。這些材料燃燒時(shí)會釋放出大量有毒濃煙，而大空間內(nèi)煙氣的運(yùn)動(dòng)方式直接影響感煙型火災(zāi)探測器的探測效果。結(jié)合這一特點(diǎn)，并根據(jù)《點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器》規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，選擇棉繩陰燃、聚氨酯明火作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)火［10］，以研究地鐵車輛段內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后的煙氣蔓延規(guī)律。

2.1 棉繩陰燃煙氣蔓延試驗(yàn)

分別選取90根棉繩、270根棉繩試驗(yàn)火進(jìn)行試驗(yàn)。每根棉繩長80 cm、重3g，并保證其潔凈、干燥。將棉繩固定在直徑為10 cm的金屬圓環(huán)上，用支架懸掛吊起，距地面高度為40 cm；在棉繩下端點(diǎn)火，點(diǎn)燃后熄滅火焰，保持棉繩的陰燃產(chǎn)煙狀態(tài)。利用熱電偶及煙氣分析儀測量煙氣溫度及有害氣體濃度，熱電偶位于火源正上方1 m處，煙氣探頭位于火源正上方1.2 m處。

棉繩陰燃產(chǎn)生的煙氣運(yùn)動(dòng)大致可以分為3個(gè)階段：①初始階段，棉繩點(diǎn)燃（陰燃）后，陰燃區(qū)域從底部緩慢向棉繩上部蔓延，并產(chǎn)生大量的濃煙，濃煙迅速上升；②水平擴(kuò)散階段，通過現(xiàn)場觀察與測量，90根棉繩標(biāo)準(zhǔn)火陰燃時(shí)煙氣最高上升至8 m左右，270根棉繩標(biāo)準(zhǔn)火陰燃時(shí)煙氣最高上升至10 m左右，隨后在7～12 m高度范圍內(nèi)擴(kuò)散，煙氣整體呈蘑菇傘狀，隨后逐漸水平擴(kuò)散至整個(gè)空間；③擴(kuò)散后期，由于自身重力及溫度的降低，煙氣逐漸下沉。

經(jīng)測量可得，90根棉繩陰燃時(shí)產(chǎn)生煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)最大值在0.3%左右，CO2體積分?jǐn)?shù)最大值為0.9%，煙氣的最高溫度為33℃（室溫為6℃）；270根棉繩陰燃產(chǎn)生的煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)最大值在0.4%左右，CO2體積分?jǐn)?shù)最大值為1.7%，煙氣的最高溫度為44℃。試驗(yàn)中棉繩在陰燃時(shí)產(chǎn)生了大量白煙，且煙氣中CO和CO2濃度均較大，但始終無法上升至頂棚位置，這主要是由于產(chǎn)生的煙氣溫度低，煙羽流受熱浮力作用小，加之空間較大的原因所致。但是隨著火源的增大，煙氣將突破熱障效應(yīng)限制而上升至頂棚位置。

2.2 聚氨酯泡沫燃燒煙氣蔓延燃燒試驗(yàn)

將3塊質(zhì)量密度約為20 kg/m3，大小為50 cm×50 cm×2 cm的無阻燃劑軟聚氨酯泡沫塑料疊放在鋁箔上，邊緣向上卷起，鋁箔下方放一個(gè)直徑為5 cm的圓形油盤，里面裝入5 mL的甲基化酒精作為點(diǎn)火源，點(diǎn)燃最下層聚氨酯泡沫塑料。

試驗(yàn)中測得聚氨酯泡沫燃燒的煙氣最高溫度大約為90℃，CO體積分?jǐn)?shù)最大值為0.0034%，CO2體積分?jǐn)?shù)最大值為0.4%。聚氨酯在燃燒時(shí)產(chǎn)生稀薄的黑煙，其產(chǎn)煙量和煙氣中CO和CO2含量均較小，但高溫?zé)煔馐軣岣×Φ淖饔醚杆偕仙?，上升過程中未發(fā)生水平擴(kuò)散現(xiàn)象，能夠直接運(yùn)動(dòng)到實(shí)驗(yàn)室頂棚位置。

3 地鐵車輛段火災(zāi)探測試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況設(shè)置

為對比5種探測器在地鐵車輛段的火災(zāi)探測性能，試驗(yàn)共設(shè)置棉繩、聚氨酯塑料、煙餅（直徑3.5 cm、厚1.2 cm）3種火源，火源均位于實(shí)驗(yàn)室地面中心位置。在不同火源載荷大小條件下，考察5種探測器的報(bào)警響應(yīng)情況。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

每種工況下依次試驗(yàn)，記錄火源點(diǎn)燃時(shí)間及各種探測器的報(bào)警時(shí)間，表1為1 800 s內(nèi)各工況下探測器的報(bào)警時(shí)間。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置與火災(zāi)探測器報(bào)警結(jié)果 s

3.2.1 對棉繩陰燃探測性能分析

當(dāng)火源為90根棉繩陰燃時(shí)，產(chǎn)生煙氣量少且溫度較低，向上運(yùn)動(dòng)的熱浮力作用小，使得煙氣上升至8 m左右時(shí)便開始水平擴(kuò)散，煙氣無法上升至頂棚。而各感煙型探測器的探測區(qū)域都在靠近頂棚區(qū)域，所以各探測器均無法在1 800 s內(nèi)報(bào)警。

火源為135根棉繩陰燃時(shí)產(chǎn)生的煙氣較90根棉繩多，煙霧垂直上升，100 s左右時(shí)煙氣前鋒位置上升到10 m左右，由于探測器安裝高度較高，此時(shí)煙氣并未上升至探測區(qū)域。隨后，煙氣受熱障效應(yīng)影響而逐漸水平擴(kuò)散，且由于溫度的降低及自身重力影響，煙氣保持在8 m左右的位置，形成同溫?zé)煂?。約720 s時(shí)，煙霧開始出現(xiàn)沉降和彌散現(xiàn)象，1 200 s后煙氣逐漸充滿整個(gè)空間。吸氣式感煙火災(zāi)探測器在720 s時(shí)報(bào)警，此時(shí)其他探測器均未發(fā)生報(bào)警。這主要是由于吸氣式感煙火災(zāi)探測器采用抽氣管主動(dòng)采集空氣樣品，在煙氣濃度較小時(shí)即能達(dá)到其報(bào)警閾值；而此時(shí)少量的煙氣并不能使光的衰減度達(dá)到光束型感煙探測器（紅外對射式感煙火災(zāi)探測器、雙鑒式感煙探測器、光截面感煙火災(zāi)探測器）的報(bào)警閾值。在1 200 s時(shí)，煙氣已基本彌散至整個(gè)空間，煙氣濃度的升高，光截面和雙鑒式感煙火災(zāi)探測器先后報(bào)警。紅外對射式感煙火災(zāi)探測器由于產(chǎn)品本身采樣對比算法的問題，未能在1 800 s內(nèi)報(bào)警。

405根棉繩陰燃時(shí)，產(chǎn)生煙霧量大，約在95 s時(shí)煙氣前鋒便上升至13.5 m高度位置，隨后煙氣在上升的同時(shí)，也逐漸向四周水平擴(kuò)散；130 s后，煙霧開始出現(xiàn)沉降和彌散現(xiàn)象，在大量煙氣的持續(xù)釋放、熱浮力作用影響下，煙氣上層前鋒位置繼續(xù)上升，300 s后煙氣層也逐漸達(dá)到13.5 m高度位置；約1 000 s后，煙氣已基本充滿整個(gè)空間。117 s時(shí)光截面感煙火災(zāi)探測器先發(fā)出報(bào)警，167 s時(shí)位于中間位置的一對紅外對射式感煙火災(zāi)探測器報(bào)警，雙鑒式感煙火災(zāi)探測器在300 s左右報(bào)火警，而吸氣式感煙探測器報(bào)警時(shí)間最長。這主要是因?yàn)楣饨孛娓袩熁馂?zāi)探測器以就近取圖為報(bào)警原理，可以快速存取樣本并完成分析，所以其報(bào)警響應(yīng)時(shí)間較快；雙鑒式感煙探測器和紅外對射式感煙火災(zāi)探測器利用光的快速傳播為探測原理，響應(yīng)時(shí)間較短，且煙氣前鋒位置上升到其監(jiān)測區(qū)域的速度越快，這一現(xiàn)象越明顯；吸氣式感煙火災(zāi)探測器由于需要吸氣管抽取樣本分析，時(shí)間較長。

試驗(yàn)中，棉繩陰燃不產(chǎn)生火焰，因此以火焰為探測參量的圖像型火災(zāi)探測器均未發(fā)出報(bào)警。

3.2.2 對聚氨酯塑料燃燒探測性能分析

3塊聚氨酯塑料燃燒時(shí)產(chǎn)生明火，同時(shí)釋放出大量黑色煙氣，煙氣在熱浮力作用下上升，在150 s左右即上升至14 m的高度，隨后煙霧開始水平擴(kuò)散，形成同溫?zé)煂?。隨著時(shí)間的推移，慢慢擴(kuò)散至整個(gè)空間。圖像型火災(zāi)探測器在20 s內(nèi)即實(shí)現(xiàn)報(bào)警，因?yàn)槠湟蕴綔y火焰為報(bào)警原理，在無遮擋的情況下，具有報(bào)警靈敏、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。圖像型火災(zāi)探測器還具有可視功能，能迅速實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的定位，同時(shí)也具有日常的視頻監(jiān)控功能。其他感煙探測器中，光截面感煙火災(zāi)探測器報(bào)警時(shí)間最短，約150 s時(shí)報(bào)警；雙鑒式感煙火災(zāi)探測器次之，吸氣式感煙火災(zāi)探測器相對較慢，紅外對射式探測器則最遲發(fā)出報(bào)警。

3.2.3 對煙餅燃燒探測性能分析

煙餅被點(diǎn)燃后立即釋放大量白色濃煙，煙氣垂直上升，在100 s左右即上升到14 m高度，隨后在高度14 m位置形成同溫?zé)煂?，并慢慢向下沉降進(jìn)而擴(kuò)散至整個(gè)空間。試驗(yàn)中煙餅的燃燒無火焰產(chǎn)生，所以圖像型火災(zāi)探測器未響應(yīng)。其他感煙探測器均在300 s時(shí)間內(nèi)發(fā)出警報(bào)，其中以光截面感煙火災(zāi)探測器以100 s響應(yīng)速度最快，雙鑒式感煙火災(zāi)探測器次之，紅外對射式感煙火災(zāi)探測器再次之，吸氣式感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)時(shí)間則最長。

4 感煙探測器抗霧霾干擾能力試驗(yàn)

地鐵車輛段屬于開放式高大空間，其內(nèi)部設(shè)置的火災(zāi)探測器易受霧霾天氣或灰塵的影響，本文開展了感煙型探測器的抗霧霾干擾能力試驗(yàn)。試驗(yàn)分別在2015年12月21日、22日、25日進(jìn)行，上午9：00啟動(dòng)各感煙型探測器，觀察記錄1 h內(nèi)各探測器的報(bào)警信息，試驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)室的門與高位窗保持常開狀態(tài)。表2為試驗(yàn)時(shí)霧霾天氣狀況及探測器的報(bào)警結(jié)果。

表2 探測器抗霧霾干擾試驗(yàn)報(bào)警結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示：吸氣式感煙火災(zāi)探測器與雙鑒式感煙火災(zāi)探測器在試驗(yàn)中均發(fā)生誤報(bào)警，光截面感煙火災(zāi)探測器與紅外對射式感煙火災(zāi)探測器則未受到影響?？梢钥闯?，雙鑒式感煙探測器和吸氣式感煙火災(zāi)探測器的抗霧霾干擾能力相對較差。

5 結(jié)語

本文進(jìn)行了地鐵車輛段內(nèi)典型火源煙氣蔓延試驗(yàn)和多種火災(zāi)探測器的探測有效性試驗(yàn)，并對各感煙型探測器的抗霧霾干擾能力進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）棉繩陰燃產(chǎn)生的煙氣熱動(dòng)力小，很難上升到車輛段這類大空間場所的頂棚；當(dāng)火源規(guī)模增大到一定值時(shí)，煙氣將克服熱障效應(yīng)上升至頂棚；聚氨酯燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度較高，能夠直接上升至頂棚。

（2）吸氣式感煙火災(zāi)探測器靈敏度高，對煙氣濃度較低的棉繩陰燃火的探測效果較好；煙氣較多時(shí)，光截面感煙火災(zāi)探測器的報(bào)警速度較快，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期的探測功能；火源為明火時(shí)，圖像型火災(zāi)探測器探測速度極快，并能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對火源的定位。

（3）吸氣式感煙火災(zāi)探測器與雙鑒式感煙火災(zāi)探測器在重霧霾天氣時(shí)易受干擾而發(fā)生誤報(bào)。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，建議在地鐵車輛段場所選擇光截面感煙火災(zāi)探測器和圖像型火災(zāi)探測器相結(jié)合的探測方式，既能對煙氣、火焰實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警，又能利用二者的視頻圖像功能進(jìn)行火災(zāi)定位，同時(shí)還具有很好的抗霧霾干擾性能。

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Study on Smoke Spreading Law and Fire Detector Selection in Metro Depot

LIU Sumin，LU Jia，ZHANG Wenqing，F(xiàn)ANG Lili

In this paper，the characteristics of smoke spreading in metro depot are analyzed through typical combustion experiments,and the performance of frequently used fire detectors in metro depot,as well as the anti-fogging and haze suppression characteristics of fire detectors are studied.The results show that the detection method based on combined light section fire detector and image fire detector can effectively detect the early fire in metro depot.

metro depot；large space；fire smoke；fire detection

U231.96

10.16037/j.1007-869x.2017.11.020

First-author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

2017-02-09）