薛思才，李慧娟

（中國南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 城軌事業(yè)部，山東青島266111）

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的研制及應(yīng)用早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)開始，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，其優(yōu)越性當(dāng)時(shí)還不能被消防界所接受，從20世紀(jì)80年代發(fā)生的3件大事使人們開始重視細(xì)水霧滅火技術(shù)的開發(fā)及其應(yīng)用。

地鐵作為城市軌道交通的重要組成部分，以其運(yùn)量大、速度快等優(yōu)勢，成為了各大城市必備的交通運(yùn)輸工具。但由于地鐵線路其自身?xiàng)l件的限制，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，消防人員和設(shè)施因地理?xiàng)l件所限，往往無法在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場控制火情，必然會(huì)造成很大設(shè)備和財(cái)產(chǎn)損失、甚至造成人員傷亡！隨著社會(huì)對人身安全問題越來越關(guān)注和重視，各種安全措施被應(yīng)用在列車上面，例如布置干粉滅火器、設(shè)置逃生門、緊急解鎖等，可是由于這些措施均存在使用的局限性（如非自動(dòng)性），在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，往往起到的作用比較有限。

高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)作為一種有效的滅火方式，在國外很多城市軌道交通上有過成熟的應(yīng)用業(yè)績，并取得了很好的效果，但在國內(nèi)的地鐵行業(yè)尚未使用過。目前，國內(nèi)一些地鐵公司開始有意向?qū)⒏邏杭?xì)水霧滅火技術(shù)引入到地鐵防火領(lǐng)域中。

1 高壓細(xì)水霧技術(shù)介紹

高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)是水滅火系統(tǒng)的一種新技術(shù)，該技術(shù)又稱超細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、高壓水噴霧自動(dòng)消防系統(tǒng)、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)等，它是由高壓水通過特殊噴嘴產(chǎn)生的細(xì)水霧來滅火的自動(dòng)消防系統(tǒng)。在NFPA 750《美國消防協(xié)會(huì)細(xì)水霧消防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》中，細(xì)水霧的定義是在最小設(shè)計(jì)工作壓力下、距噴嘴1m處的平面上，測得水霧最粗部分的水微粒直徑Dv0.99（這是用體積法表示霧滴直徑的一種方法，Dv0.99表示小于1 000μm的直徑體積含量為99%）不大于1 000μm，工作壓力P為3.5～15MPa，而高壓細(xì)水霧：Dv0.99＜200μm，P＞8 MPa。區(qū)別于傳統(tǒng)的水噴淋滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有壓力高、水霧微粒超細(xì)的特點(diǎn)。

1.1 細(xì)水霧應(yīng)用環(huán)境

出于環(huán)保方面的考慮，鹵代烷滅火劑將逐步被淘汰，而細(xì)水霧作為滅火劑對于環(huán)境的潛在環(huán)保優(yōu)勢將使其應(yīng)用范圍得到不斷拓展，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)用于居住建筑、可燃性液體儲存設(shè)施及電氣設(shè)備方面的研究，已經(jīng)取得成效。

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能夠撲滅多種類型的火災(zāi)：A類火災(zāi)、B類火災(zāi)、C類火災(zāi)，同時(shí)因其具有導(dǎo)電率比較低的特性，還可以撲滅帶電火災(zāi)；且由于水霧超細(xì)的特性，相對于水噴霧和泡沫滅火的技術(shù)，對燃燒物沒有直接的損壞，因此，可應(yīng)用的范圍比較廣泛，如電子計(jì)算機(jī)房、通訊設(shè)備、控制室、磁帶庫、圖書館、檔案館、珍品庫、配電間、發(fā)電機(jī)房、油浸變壓器室、液壓設(shè)備、除塵設(shè)備、噴漆生產(chǎn)線、電纜隧道、地鐵車站等場所的消防保護(hù)。美國海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）對低壓水霧、高壓兩相細(xì)水霧和高壓單相水霧等3種滅火系統(tǒng)的滅火效果進(jìn)行的一系列對比試驗(yàn)表明：高壓單相細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的效果最佳，目前美國在海軍艦艇及船舶上大力推廣應(yīng)用高壓單相細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。但因?yàn)榧?xì)水霧系統(tǒng)滅火劑為水，故不宜直接用于保護(hù)與水發(fā)生劇烈反應(yīng)或者生成危險(xiǎn)產(chǎn)物的物質(zhì)，如活潑金屬、金屬氧化物等；也不適宜直接應(yīng)用于低溫液化氣（如液化天然氣），因?yàn)檫@些液化氣被水加熱會(huì)產(chǎn)生劇烈沸騰。

1.2 滅火機(jī)理

火災(zāi)發(fā)生的3要素：燃燒物、溫度、氧氣3個(gè)條件缺一不可。傳統(tǒng)的滅火技術(shù)只是針對一種要素或兩種要素進(jìn)行滅火，如水噴淋滅火系統(tǒng)的機(jī)理是通過水將燃燒物的溫度降低到著火點(diǎn)以下，而細(xì)水霧滅火技術(shù)是針對以上3個(gè)要素、多種混合滅火方式共同作用于燃燒物進(jìn)行滅火，從而根除了殘火復(fù)燃情況的發(fā)生。

（1）冷卻效應(yīng)：單位體積的水量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏杭?xì)水霧在滅火過程中所吸收的熱量是相同體積的液態(tài)所吸收熱量的8倍，從而在第一時(shí)間降低火源的溫度，防止熱量的擴(kuò)散（圖1）。

圖1 冷卻效應(yīng)示意圖

（2）惰性效應(yīng)：高壓水霧通過高壓噴嘴組，體積增加到原先體積的1 640倍，由于細(xì)水霧直徑較?。?0μm）極大的稀釋了火源附近空氣中的氧氣含量，能很快的將空氣中氧氣含量降低到16%以下，從而抑制了火災(zāi)的蔓延，同時(shí)高壓細(xì)水霧的擴(kuò)散不僅可進(jìn)入火源區(qū)而且可防止燃燒外區(qū)域氧氣的流入（圖2）。

圖2 惰性效應(yīng)示意圖

（3）附加效應(yīng)：由于高壓細(xì)水霧在滅火的過程中產(chǎn)生的是霧狀氣體，可撲滅各種形狀的燃燒物，還可以對滅火環(huán)境有一定的洗滌作用，高壓細(xì)水霧對燃燒物沒有損耗，電導(dǎo)率低，可以撲滅電氣環(huán)境的燃燒物，而不會(huì)造成對電氣原件的損壞。

1.3 性能對比

高壓細(xì)水霧與傳統(tǒng)的滅火技術(shù)的滅火性能對比見表1。

表1 滅火技術(shù)性能對比表

通過表1的對比分析，可以看出高壓細(xì)水霧是一種安全可靠的滅火方式，由于滅火劑是少量的水，對環(huán)境沒有任何影響，對人身的安全不存在任何的威脅，是一種綠色環(huán)保的滅火方式。而目前國內(nèi)地鐵車輛上一般都是采用在車輛兩端放置甁式干粉滅火器的方式，其主要成分是：二氧化碳（CO2）、Holons、水和水基滅火劑泡沫等。

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）滅火效能高。它冷卻性能好、抑制性強(qiáng)。高壓細(xì)水霧還有一定的穿透性，可防止火災(zāi)的復(fù)燃。

芬蘭Marioff公司自1991年開始研制高壓單流細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，其研制的HI-FOG高壓水霧滅火系統(tǒng)的工作壓力小于14MPa，可利用高壓水泵或高壓充氣瓶作動(dòng)力源，噴霧顆粒直徑為50～120μm，在各類火災(zāi)場所累計(jì)進(jìn)行了5 000多次滅火試驗(yàn)，證明其滅火性能十分優(yōu)異。另外還有澳大利亞Phirex公司研制的FOGEX⑧系列高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，丹麥的跨國液壓公司Danfoss由Nessie⑧系列中高壓水泵及水壓控制閥和WM系列高壓水霧噴頭組成的各類高壓細(xì)水霧系統(tǒng)，挪威的Sprinklerhuset公司開發(fā)的MISTEX水霧滅火系統(tǒng)等。而且2002-07-10生效的國際人命安全公約（SOLAS）規(guī)定：500t級以上的客輪和2 000t級以上的貨輪必須安裝細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。

（2）用水量較少、可減少水的危害?；馂?zāi)的撲滅相對傳統(tǒng)的噴淋，它僅需10%或更少的水量。

（3）反應(yīng)時(shí)間快，對煙霧的擦洗可降低火災(zāi)的危險(xiǎn)。高壓細(xì)水霧的噴頭具有快速響應(yīng)熱量釋放的機(jī)械結(jié)構(gòu)；高壓細(xì)水霧具有自動(dòng)清洗煙霧的能力，可減少煙霧中的二氧化碳的傷害。

（4）相對氣體滅火系統(tǒng)，安裝、維護(hù)簡便，且不會(huì)對環(huán)境及保護(hù)對象造成危害，避免了滅火劑與燃燒物發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而產(chǎn)生對人有害的氣體。

（5）管道管徑較小、節(jié)省管材。相對于傳統(tǒng)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)而言，其質(zhì)量輕，可減少90% 。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)研究及試驗(yàn)情況

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是水壓傳動(dòng)與控制技術(shù)、水霧化技術(shù)及細(xì)水霧滅火技術(shù)的交叉和集成，在研制和實(shí)施過程中面臨許多技術(shù)問題，其關(guān)鍵點(diǎn)包括：

（1）高壓水動(dòng)力源

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是水壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方向，水霧滅火技術(shù)早期難以得到推廣原因之一就是缺乏高壓水動(dòng)力源的支持。系統(tǒng)需要高壓水泵為水霧化噴嘴提供穩(wěn)定的高壓水源，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的細(xì)水霧和滅火效果。水的黏度低、潤滑性差、腐蝕性強(qiáng)、汽化壓力高。研制高壓水泵必須解決摩擦磨損、泄漏、氣蝕等一系列技術(shù)難題。華中科技大學(xué)液壓氣動(dòng)中心研制的閥配流軸向多柱塞水泵已進(jìn)入實(shí)用階段，可以基本解決系統(tǒng)的高壓水動(dòng)力源問題。

（2）水壓控制閥組

水壓控制閥組包括安全閥、壓力控制閥、方向控制閥及分區(qū)開關(guān)閥等。安全閥為高壓水系統(tǒng)提供過載保護(hù)，噴嘴的工作壓力由壓力控制閥調(diào)定；方向控制閥應(yīng)具有中位卸荷機(jī)能，保證水泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)空栽啟動(dòng)；當(dāng)一套滅火系統(tǒng)有兩個(gè)以上的保護(hù)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)必須設(shè)置分區(qū)開關(guān)閥。水壓控制閥組研制的主要技術(shù)難點(diǎn)是泄漏、氣蝕、拉絲侵蝕、振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性等問題。目前，用于高壓的水壓電磁換向閥產(chǎn)品在我國尚屬空白，閥口密封不嚴(yán)以及閥芯被顆粒物卡死等問題在國外進(jìn)口電磁閥也經(jīng)常出現(xiàn)。

（3）細(xì)水霧霧化噴嘴

高壓水霧化噴嘴作為系統(tǒng)的核心部件之一，其霧化方式的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)以及內(nèi)部流場分析，直接影響水的霧化性能及滅火能力。噴嘴內(nèi)壓力與速度分布是非常復(fù)雜的，噴嘴現(xiàn)有的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是建立在理想流體基礎(chǔ)之上的，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。

此外，噴嘴零件的尺寸小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。試驗(yàn)性的單件加工時(shí)，如何在噴嘴狹小的空間內(nèi)加工出滿足需要的流道精度和表面粗糙度；對于工業(yè)化的批量生產(chǎn)，如何保持產(chǎn)品性能的一致性，都是必須面臨的問題。

（4）霧滴的運(yùn)動(dòng)與蒸發(fā)特性

在滅火過程中，細(xì)水霧能否完全覆蓋燃燒區(qū)、能否穿透熱氣流進(jìn)入燃燒核心區(qū)，對滅火可靠性和滅火效率有較大的影響。確定霧滴的運(yùn)動(dòng)速度、飛行距離及蒸發(fā)時(shí)間，是噴嘴布置間距和安裝高度的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。目前霧滴運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算主要依靠試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算圖表，設(shè)計(jì)時(shí)既不準(zhǔn)確，也不方便。

（5）高壓細(xì)水霧滅火試驗(yàn)方法

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)作為高風(fēng)險(xiǎn)消防產(chǎn)品，必須進(jìn)行滅火試驗(yàn)。近年來，研究人員在發(fā)電機(jī)房、儲油罐等場所完成了大量的模擬試驗(yàn)和足尺寸試驗(yàn)，取得了一定的研究成果，但是，由于具體的滅火對象及環(huán)境的復(fù)雜性，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的細(xì)水霧滅火試驗(yàn)規(guī)范，因此，建立一套與實(shí)際滅火效能高度關(guān)聯(lián)的細(xì)水霧滅火試驗(yàn)方法也是有待研究的課題。

2 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在地鐵車輛上應(yīng)用研究

目前，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在國外地鐵行業(yè)有了成熟的使用業(yè)績，比如從1996年起，西班牙的馬德里地鐵在6～10號線全部車輛及部分地鐵站、控制中心都應(yīng)用了高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，但在國內(nèi)地鐵行業(yè)還從未使用。根據(jù)國外成熟經(jīng)驗(yàn)，制定以下方案（以現(xiàn)在國內(nèi)運(yùn)營較多的6編組B型地鐵為原型設(shè)計(jì)）。

高壓細(xì)水霧高壓的動(dòng)力源目前有兩種，一種是高壓水泵，另一種是高壓氮?dú)馄俊Ｓ捎诟邏核霉β时容^大，列車在發(fā)生緊急情況的時(shí)候，外部高壓電源中斷，只能用列車蓄電池組供電，但是有限容量的蓄電池不能保證水泵的正常使用，因此不適宜應(yīng)用于車輛上。泵組式的滅火系統(tǒng)適用于較大面積的廠房、車間或機(jī)動(dòng)性比較強(qiáng)的環(huán)境。通過分析，選用高壓氮?dú)馄孔鳛闇缁鹣到y(tǒng)的動(dòng)力源。

用于車輛的單個(gè)高壓噴嘴的最大有效保護(hù)面積的直徑為3m左右，根據(jù)現(xiàn)有車輛的長度（20m左右），具體布置如下：頭車布置7個(gè)（司機(jī)室一個(gè)，客室6個(gè)）（圖3），中間車客室布置7個(gè)，全車共布置噴組42個(gè)。每節(jié)車分別設(shè)置一個(gè)分區(qū)控制閥，控制本車的滅火系統(tǒng)。

（1）設(shè)備選型：根據(jù)列車的實(shí)際狀況，整車配備一套瓶組式高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，該套系統(tǒng)由1個(gè)高壓氮?dú)馄浚?0MPa），3×50dm3水瓶（常壓）。噴放時(shí)間為10 min。每個(gè)噴嘴的流量2dm3／min。每個(gè)頭車配備一個(gè)控制器，作為整套系統(tǒng)的控制中心，每個(gè)車配備一個(gè)分區(qū)控制閥，控制本車的水流。圖3為列車頭車的布置方案。

（2）工作原理：列車火災(zāi)探測器一旦檢測到列車出現(xiàn)火災(zāi)，會(huì)立即上傳至TMS和細(xì)水霧滅火主控制器，司機(jī)根據(jù)列車的實(shí)際狀況，判斷是否應(yīng)該啟動(dòng)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。當(dāng)司機(jī)按下相應(yīng)著火車廂的按鍵后，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)工作。首先打開高壓氣瓶的單向閥，將高壓氣體沖入水瓶中，之后高壓水流流向管網(wǎng)，同時(shí)打開分區(qū)控制閥水流，是一次性的，高壓水流經(jīng)過分區(qū)控制閥流向著火車廂的噴嘴，最終形成高壓細(xì)水霧進(jìn)行滅火。按照規(guī)定，水流和氣體都是一次性釋放完成，用完后需要及時(shí)補(bǔ)充。綜合考慮到列車的實(shí)際狀況，本套系統(tǒng)只具有撲滅一節(jié)車廂火情的能力（圖4）。

圖3 頭車方案布置

圖4 工作流程圖

（3）安裝位置：考慮到高壓氣體對人身的安全可能會(huì)存在一定的隱患，所以建議將該系統(tǒng)安裝在車下，由于目前列車的編組形式基本為4M2T，考慮到車下布置空間、檢修空間的有限，可以考慮安裝于頭車或?qū)⒃撓到y(tǒng)根據(jù)實(shí)際的空間大小分組安裝。

3 結(jié)束語

與地鐵擁有諸多的優(yōu)勢相比，地鐵火災(zāi)也具有鮮明的缺點(diǎn)：地鐵內(nèi)部封閉，物質(zhì)不易充分燃燒，火災(zāi)時(shí)可燃物發(fā)煙量巨大，而煙霧的控制和排除都相當(dāng)復(fù)雜；火災(zāi)溫度上升快、峰值高；撲救困難，消防人員需要時(shí)間趕赴現(xiàn)場，而大型消防設(shè)備無法進(jìn)入；群眾消防意識淡薄，易恐慌，一旦發(fā)生火災(zāi)很難自救。

細(xì)水霧系統(tǒng)以其自身的滅火特性，能夠快速的將火情撲滅，同時(shí)對乘客人身的安全沒有任何的影響，即使在疏散的過程中也可以使用。細(xì)水霧滅火是一種安全、環(huán)保的滅火方式，完全可以應(yīng)用在地鐵車輛。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)也有其自身的缺點(diǎn)，例如成本造價(jià)高，對水質(zhì)要求嚴(yán)格，系統(tǒng)的專業(yè)性強(qiáng)。因此，在應(yīng)用于地鐵車輛的過程中，要綜合考慮列車布置，火災(zāi)評估，成本，質(zhì)量等因素，設(shè)計(jì)出一套合適的配置方案。

［1］梁 強(qiáng).細(xì)水霧滅火系統(tǒng)及霧化噴嘴研究［D］.石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2005.

［2］楊 琦.高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003，（10）：11-14.

［3］田啟東.細(xì)水霧滅火系統(tǒng)介紹.中國水運(yùn)（學(xué)術(shù)版）.2007，（08）：59-60.