宋 波,楊丙杰,劉 欣,李 毅

(公安部天津消防研究所,天津,300381)

高凈空?qǐng)鏊詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭動(dòng)作時(shí)間研究

宋 波,楊丙杰,劉 欣,李 毅

(公安部天津消防研究所,天津,300381)

為研究非倉(cāng)庫(kù)類高大凈空?qǐng)鏊詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭的動(dòng)作性能,按照模擬真實(shí)場(chǎng)所的場(chǎng)景布置,采用單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合替代實(shí)際場(chǎng)所中的燃燒物,進(jìn)行了單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合的熱量標(biāo)定試驗(yàn)。通過(guò)采用實(shí)體試驗(yàn)、數(shù)值模擬和羽流模型計(jì)算相結(jié)合的方法,對(duì)18m高凈空?qǐng)鏊趩螌訕?biāo)準(zhǔn)燃燒物組合布置情況下的噴頭動(dòng)作性能進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示,噴頭預(yù)計(jì)會(huì)在8min～10min內(nèi)動(dòng)作,動(dòng)作時(shí)間處于火災(zāi)穩(wěn)定增長(zhǎng)階段范圍內(nèi)。對(duì)于此類場(chǎng)所設(shè)置的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),其功能應(yīng)以保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)為主,并為人員疏散和消防隊(duì)員撲救贏得時(shí)間。

高凈空?qǐng)鏊?灑水噴頭;動(dòng)作性能

0 引言

近年來(lái),我國(guó)一些非倉(cāng)庫(kù)類高大凈空?qǐng)鏊饾u興起,如會(huì)展中心、體育館、航站樓等,這些場(chǎng)所具有凈空高度高,可燃物荷載少且高度低等特點(diǎn),國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)將該類場(chǎng)所定義為燃料堆垛儲(chǔ)存高度低于3m且凈空高度大于8m的場(chǎng)所(凈空高度指室內(nèi)地面到屋面板的垂直距離)[1,2]。目前,我國(guó)相關(guān)規(guī)范缺乏對(duì)于此類場(chǎng)所自動(dòng)滅火設(shè)施設(shè)置方式的規(guī)定。常用的有以下5種滅火設(shè)施:1、擴(kuò)大作用面積的自動(dòng)噴水濕式系統(tǒng);2、雨淋系統(tǒng);3、采用ESFR噴頭的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng);4、固定消防炮滅火系統(tǒng);5、自動(dòng)跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)等,5種滅火設(shè)施的特點(diǎn)如表1所示。

表1 幾種滅火設(shè)施比較Table 1 Comparison of fire protection systems

3 E S F R自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間快,噴水量大系統(tǒng)所需壓力高,主要用于倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)所4 自動(dòng)消防炮系統(tǒng)噴射流量大、射程遠(yuǎn)、滅火智能化與倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)特點(diǎn)相似的場(chǎng)所與傳統(tǒng)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)相同較好噴水方式為柱狀,保護(hù)區(qū)易出現(xiàn)噴水死角5 自動(dòng)跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)動(dòng)作靈敏、自動(dòng)探測(cè)并實(shí)施滅火,適用范圍廣非倉(cāng)庫(kù)類高凈空?qǐng)鏊瓤蓞⒄铡蹲詣?dòng)消防炮滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》較好設(shè)計(jì)用水量大,經(jīng)濟(jì)性差非倉(cāng)庫(kù)類高凈空?qǐng)鏊筒糠謧}(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)所可參照《大空間智能型主動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》好

此類場(chǎng)所設(shè)置滅火設(shè)施時(shí),涉及到的主要問(wèn)題有:1、是否設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng);2、采用何種自動(dòng)滅火系統(tǒng);3、采用常規(guī)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)系統(tǒng)能否及時(shí)動(dòng)作和有效控滅火等[3]?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50084-2001,2005年版)規(guī)定了凈空高度為8m～12m的非倉(cāng)庫(kù)類高大凈空?qǐng)鏊詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本參數(shù),條文說(shuō)明中指出此參數(shù)是參照 FM Global的試驗(yàn)總結(jié)而成[4]。從條文中可以看出,對(duì)于8m～12m的高度,仍可采用傳統(tǒng)的濕式系統(tǒng),但是增加了噴水強(qiáng)度和作用面積,如會(huì)展中心、多功能體育館、自選商場(chǎng)等一類場(chǎng)所,屬中Ⅱ危險(xiǎn)級(jí),高凈空?qǐng)鏊?8m～12m)的噴水強(qiáng)度和作用面積較普通安裝高度(≤8m)分別增加了50%和87.5%。

為研究高凈空?qǐng)鏊詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭的動(dòng)作性能,本文按照模擬真實(shí)場(chǎng)所的場(chǎng)景布置,采用單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合替代實(shí)際場(chǎng)所中的燃燒物,進(jìn)行了單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合火災(zāi)熱釋放速率標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖堑贸鰡螌訕?biāo)準(zhǔn)燃燒物組合的熱釋放速率發(fā)展曲線,確定低負(fù)荷火災(zāi)荷載下的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律,提供高凈空?qǐng)鏊O(shè)計(jì)火災(zāi)所需的設(shè)計(jì)參數(shù)等。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在公安部天津消防研究所燃燒實(shí)驗(yàn)館大型量熱器(圖1)下進(jìn)行,試驗(yàn)裝置由管路、升降車、測(cè)量段、分析儀器、除塵器、風(fēng)機(jī)和煙囪等組成。其中室內(nèi)管路由集煙罩、彎頭、孔板、圓筒形直管段、氣動(dòng)閥門、熱補(bǔ)償器等組成,測(cè)試段內(nèi)設(shè)置有溫度、氧濃度、CO濃度和CO2濃度等測(cè)試儀器,最佳測(cè)量范圍為2MW～10MW。

1.2 試驗(yàn)燃料的確定

圖1 量熱器測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Calorimetric test system

實(shí)體火試驗(yàn)中,由于不可能選取所有實(shí)際場(chǎng)所的燃燒物進(jìn)行試驗(yàn),且選取的燃燒物缺乏可重復(fù)性和可比性,因此目前國(guó)際上普遍采用等效替代的方法,即用標(biāo)準(zhǔn)燃燒物替代實(shí)際場(chǎng)所的燃燒物,通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合來(lái)模擬實(shí)物,如果采用標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合的火災(zāi)熱釋放速率增長(zhǎng)曲線能夠與實(shí)物火基本吻合,則可認(rèn)為所選定的標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合能夠替代實(shí)物火[5]。

根據(jù)前期課題試驗(yàn)研究結(jié)果,本次試驗(yàn)選定的標(biāo)準(zhǔn)燃燒物單體由瓦垅紙箱、聚苯乙烯塑料杯、紙隔板和木托盤等組成(圖2),其中瓦垅紙箱規(guī)格為500mm×500mm×500mm,瓦垅紙箱內(nèi)裝有聚苯乙烯塑料杯,塑料杯用厚度為4mm的紙隔板隔離,按5×5×5布置,標(biāo)準(zhǔn)燃燒物單體總重6.39kg[6]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)燃燒物單體Fig.2 Standard plastic commodity

圖3 試驗(yàn)燃料布置平面圖Fig.3 Plan view of test fuel arrangement

1.3 試驗(yàn)燃料布置

標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合共4組,每組4個(gè)單體,放置在木托盤上,組間距 0.15m,按 2×2布置,面積約4m2,如圖3所示。

1.4 點(diǎn)火方式

點(diǎn)火源采用浸有0.11L汽油的纖維棉棒,直徑和高度均為7.6cm。將纖維棉棒用聚乙烯袋包裹[7]。試驗(yàn)時(shí)將4個(gè)聚乙烯包裹的纖維棉棒放置在標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合中心四個(gè)對(duì)角位置,使用浸有汽油的火炬點(diǎn)燃聚乙烯包。

1.5 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論

點(diǎn)火后約150s時(shí)間內(nèi),火勢(shì)燃燒平穩(wěn),火災(zāi)熱釋放速率一直維持在 30kW～70kW,較為穩(wěn)定。150s后開(kāi)始加速燃燒,火勢(shì)處于快速增長(zhǎng)階段,燃燒較為充分。400s時(shí),火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到第一個(gè)峰值,約3MW,630s時(shí)達(dá)到最大值,為3.67MW,火勢(shì)在這一規(guī)模下持續(xù)燃燒,火災(zāi)熱釋放速率一直維持在3000kW～3600kW,為全面燃燒階段,維持了約600s,試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)過(guò)程Fig.4 Test course

試驗(yàn)期間煙氣全部收集在集煙罩內(nèi),單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可知,單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合在火災(zāi)增長(zhǎng)階段的發(fā)展規(guī)律與火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.02056的t2火較為相近。因此,可認(rèn)為單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合的火災(zāi)熱釋放速率可表示為Q=αt2=0.02056t2(kW)。

圖5 單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 HRRcurve of single layer standard plastic commodities with time

2 噴頭動(dòng)作時(shí)間計(jì)算

國(guó)內(nèi)外有不少專家學(xué)者開(kāi)展了噴頭動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算研究,并開(kāi)發(fā)了一些用于預(yù)測(cè)噴頭或感溫探測(cè)器動(dòng)作時(shí)間的半物理模型計(jì)算程序和軟件,如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件 DETECT-QS、DETQCT-T2 和 L EVENT 等 ,國(guó)內(nèi)劉文利等人也開(kāi)發(fā)了不同火災(zāi)狀況下灑水噴頭響應(yīng)時(shí)間預(yù)測(cè)軟件[8]。這些模型通常以灑水噴頭或探測(cè)器RTI、公稱動(dòng)作溫度、安裝高度以及噴頭距離火源的半徑等作為輸入?yún)?shù),以此計(jì)算暴露于火災(zāi)環(huán)境下的灑水噴頭或探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間[9]。本文通過(guò)采用數(shù)值模擬和羽流模型2種不同的計(jì)算方法,對(duì)比計(jì)算高凈空?qǐng)鏊鶉婎^的動(dòng)作時(shí)間。

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算

數(shù)值模擬計(jì)算采用DETECT-QS模型,該模型可用于計(jì)算無(wú)側(cè)限頂棚下熱敏元件的動(dòng)作時(shí)間。經(jīng)計(jì)算,噴頭動(dòng)作時(shí)間為595.2s,試驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 DETECT-QS計(jì)算條件及結(jié)果Table 2 Computation condition and result for DETECT-QS

2.2 羽流模型計(jì)算

采用羽流模型計(jì)算時(shí),首先應(yīng)對(duì)噴頭周圍羽流的溫度,對(duì)流熱釋放速率以及流速進(jìn)行計(jì)算,羽流的對(duì)流熱釋放速率可通過(guò)羽流中心線上噴頭周圍溫度計(jì)算確定,如式(1)所示[10]:

其中:

ΔT0——中心線羽流溫度變化(K);

T∞——環(huán)境溫度(K);

g——重力加速度(m/s2);

Cp——空氣的等壓比熱(kJ/kg·K);

ρ∞——環(huán)境密度(kg/m3);

z——距羽流原點(diǎn)的高度(m,距離燃料頂部的高度);

z0——虛源高度(m),可由式(2)計(jì)算:

噴頭的動(dòng)作時(shí)間即為從試驗(yàn)點(diǎn)火開(kāi)始到噴頭感溫元件達(dá)到其動(dòng)作溫度所用的時(shí)間,該時(shí)間可以通過(guò)對(duì)能量守恒方程進(jìn)行積分獲得,見(jiàn)式(5)。將測(cè)量到的噴頭周圍環(huán)境溫度 Tg擬合成為時(shí)間函數(shù)Tg=f(t)。本文采用4階龍格-庫(kù)塔(Runge-Kutta)格式對(duì)式(5)進(jìn)行積分。

其中:

Te——噴頭熱敏元件溫度(K)

t——時(shí)間(s)

u——噴頭周圍羽流速度 (m/s)

Tg——噴頭周圍環(huán)境熱空氣溫度(K)

RTI——響應(yīng)時(shí)間指數(shù)((m·s)1/2)

圖6為通過(guò)羽流模型計(jì)算得到的單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合和火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.02056時(shí)的燃燒物在18m高度下噴頭感溫元件處的溫度隨時(shí)間變化的曲線,計(jì)算條件見(jiàn)表3。由圖6可知,單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物下噴頭在點(diǎn)火后640s時(shí)達(dá)到最高溫度67.4℃,無(wú)法驅(qū)動(dòng)噴頭動(dòng)作,而按α=0.02056增長(zhǎng)的燃燒物在477s時(shí)達(dá)到公稱動(dòng)作溫度,此時(shí)火災(zāi)熱釋放速率約為4.7MW。因此可以推測(cè),如果單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合按6×6布置 ,則噴頭不僅能夠動(dòng)作,而且動(dòng)作時(shí)間會(huì)提前,且過(guò)火面積不會(huì)超過(guò)1只噴頭的保護(hù)面積。

表3 計(jì)算條件Table 3 Computation condition

圖6 噴頭感溫元件處的溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Temperature curve of sprinkler thermal element with time

3 結(jié)果分析及結(jié)論

(1)由圖5可知,單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合在點(diǎn)火后400s～1000s的時(shí)間段內(nèi)熱釋放速率達(dá)到峰值后能夠一直穩(wěn)定燃燒,持續(xù)時(shí)間約600s左右。因此,如果單層標(biāo)準(zhǔn)燃燒物組合按照6×6布置,則點(diǎn)火后1000s內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率應(yīng)一直處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段。因此,本文假定火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為α=0.02056是合適且保守的。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬和羽流模型計(jì)算2種方法計(jì)算得到噴頭的動(dòng)作時(shí)間分別為595.2s和477s,分別約為10min和8min,結(jié)果相差較大,這是由于兩種計(jì)算方法的邊界條件不同造成的,但無(wú)論采用哪種計(jì)算方法,所得的結(jié)果均在火災(zāi)增長(zhǎng)階段范圍內(nèi)。因此,可認(rèn)定在18m凈空高度下,噴頭會(huì)在8min～10min動(dòng)作。

(3)高凈空?qǐng)鏊O(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)應(yīng)考慮到可能潛在的火災(zāi)荷載,尤其當(dāng)這些臨時(shí)火災(zāi)荷載與固定火災(zāi)荷載相近時(shí),設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)就顯得十分有必要。此類場(chǎng)所設(shè)置的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),其功能應(yīng)以保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)為主,并為人員疏散和消防隊(duì)員撲救贏得時(shí)間。

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Actuation time of auto sprinklers at high ceiling clearance facilities

SONG Bo,YANG Bing-jie,LIU Xin,LI Yi

(Tianjin Fire Research Institute of MPS,Tianjin,300381,China)

Calorimetric test of single layer TFRI Standard Plastic Commodities used to represent combustibles in real scenarios was conducted to investigate the actuation performance of auto sprinkler in non-storage high-ceiling-clearance occupancies.Full scale fire test,numerical simulation and fire plume computation were performed to examine the sprinkler actuation performance under the 18-meter clearance height.Computation results show that the sprinkler is estimated to start up at the 8th to 10th minute,which is in the stable fire growth stage.Installing auto sprinkler system in this kind of facilities is mainly for protecting the building structures and saving time for evacuation and fire fightings.

High ceiling clearance facilities;Sprinkler;Actuation performance

TU2

A

1004-5309(2011)-0161-06

2011-02-18;修改日期:2011-04-21

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題(2006BAK06B03);公安部天津消防研究所所級(jí)項(xiàng)目“自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)作用效能的研究”

宋波(1967-),男,天津人,公安部天津消防研究所黨委書(shū)記,研究員,工程碩士,主要從事固定滅火系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究。