劉全義,胡 林,鄧 力,朱 博,孫向東,梁光華
(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 民航安全工程學(xué)院,四川 廣漢 618307; 2.清華大學(xué) 合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)
可燃物燃燒會(huì)產(chǎn)生大量煙氣,造成人員中毒等安全問(wèn)題。但是空氣中存在許多與煙氣成分相似的顆粒,比如塵埃、粉塵等,它們會(huì)在檢測(cè)過(guò)程中被誤認(rèn)為煙氣而產(chǎn)生誤報(bào)警的現(xiàn)象,如何準(zhǔn)確判斷外界環(huán)境是否發(fā)生火災(zāi)并給出可燃物的燃燒類型、降低誤報(bào)率成為研究熱點(diǎn)。
火災(zāi)探測(cè)器在民航領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,探測(cè)器性能的好壞直接決定火災(zāi)預(yù)警能力。國(guó)內(nèi)外的研究人員為了降低火災(zāi)誤報(bào)率,都在嘗試不同的方法提高探測(cè)器性能。張丹等[1]介紹了典型的火災(zāi)探測(cè)器種類并進(jìn)行了性能比較,指出機(jī)艙火災(zāi)的最佳探測(cè)器。Ukleja等[2]在3 m×0.5 m×0.5 m的實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行38個(gè)實(shí)驗(yàn),并于實(shí)驗(yàn)艙外部排氣管中測(cè)量煙氣濃度,發(fā)現(xiàn)火焰初期向開(kāi)口移動(dòng),當(dāng)外部發(fā)生燃燒時(shí),排氣管中的煙氣濃度降低,而罩殼內(nèi)的煙氣濃度升高。Xu等[3]提出一種基于深度顯著網(wǎng)絡(luò)的視頻煙感檢測(cè)方法,定性和定量證明了該檢測(cè)方法的有效性。何永勃等[4-5]為避免灰塵以及水蒸氣等顆粒對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響,使用復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)器檢測(cè)煙氣濃度等火災(zāi)參數(shù),并利用誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,有效降低了誤報(bào)率。華敏等[6]通過(guò)模擬室內(nèi)火災(zāi),研究火源功率及通風(fēng)狀況對(duì)室內(nèi)火災(zāi)溫度變化及分布、煙氣流動(dòng)特性及氣體成分等火災(zāi)參數(shù)的影響,結(jié)果表明:在全封閉情況下,熱煙氣以垂直流動(dòng)為主,且隨著熱煙氣的流動(dòng),室內(nèi)溫度逐漸升高,O2濃度逐漸降低;在單室通風(fēng)口打開(kāi)的情況下,熱煙氣以水平流動(dòng)為主,室內(nèi)O2和CO濃度變化不大,而以通風(fēng)口上沿為界,溫度分布呈現(xiàn)明顯的上下兩層。文獻(xiàn)[7-8]中模擬室內(nèi)火災(zāi),通過(guò)分析平均實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)和煙氣動(dòng)力學(xué)原理且結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù),研究煙氣的整體行為,最終給出該模擬場(chǎng)景的最佳報(bào)警時(shí)間和所需的報(bào)警器數(shù)量。石朗君等[9]利用FDS軟件對(duì)4種人員分布工況進(jìn)行地鐵火災(zāi)模擬,結(jié)果表明:在無(wú)人工況下,煙氣大范圍蔓延并迅速沉降至地面;而在高密度人員分布工況下,從樓梯口補(bǔ)入的空氣量減少,煙氣生成速率降低;在人員分布最密集工況下,煙氣層厚度減小1.8 m。Rohde等[10]研究煙霧報(bào)警器是否可降低人員死亡率與傷害率,且分析了三者之間的關(guān)系。劉子建[11]以高斯擴(kuò)散方程為基礎(chǔ)建立煙霧-衰減控制模型,并研究單點(diǎn)或多點(diǎn)火源在該模型下的規(guī)律,完成煙霧報(bào)警器數(shù)量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。Wang等[12]研究不同尺寸火車模型內(nèi)氣流速度和煙氣濃度的空間分布及在移動(dòng)火源和固定火源時(shí)的差異,發(fā)現(xiàn)固定火源與移動(dòng)火源的煙氣運(yùn)動(dòng)特性有很大不同。陳戰(zhàn)斌等[13]使用煙霧發(fā)生器在貨艙中進(jìn)行煙霧量的探究實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后透光率的大小得出煙霧量的大小,提高了火災(zāi)預(yù)警的可靠性。Meyer等[14]以典型航空器材料作為實(shí)驗(yàn)燃料分析其在重力影響下煙霧探測(cè)器的性能變化,發(fā)現(xiàn)煙霧顆粒的形態(tài)和平均直徑各不相同。雖然研究者已經(jīng)做了眾多的實(shí)驗(yàn)工作,但是仍然存在外界環(huán)境中的顆粒會(huì)影響報(bào)警性能、無(wú)對(duì)比實(shí)驗(yàn)等一系列問(wèn)題。因此,如何降低誤報(bào)率,建立完善的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)前技術(shù)難點(diǎn)。
筆者設(shè)計(jì)并搭建受限空間典型液體可燃物燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái),選用正庚烷、環(huán)己烷以及航空煤油進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),測(cè)量燃燒產(chǎn)物的煙氣濃度等火災(zāi)特征參數(shù)并分析其變化規(guī)律,以期為新型火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)提供一定理論支持。
受限空間典型液體可燃物燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1)由LD-5M型粉塵分析儀、Optma7型煙氣分析儀、受限封閉實(shí)驗(yàn)艙以及火源等組成。實(shí)驗(yàn)艙尺寸為2.7 m×4.16 m×1.67 m,處于常壓環(huán)境。液體可燃物置于直徑為20 cm、高為10 cm的油盆中,實(shí)驗(yàn)處于密閉狀態(tài)。受限空間內(nèi)距油盆中心縱向75 cm、地面高度120 cm處設(shè)置煙氣探頭并連接粉塵分析儀,采樣并檢測(cè)煙氣顆粒質(zhì)量濃度,采樣時(shí)間設(shè)置為5 s,間隔1 s;距油盆中心70 cm、地面高度140 cm處設(shè)置煙氣探頭并連接煙氣分析儀,測(cè)量燃燒產(chǎn)物中的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)。最后完成采樣數(shù)據(jù)的分析處理,判斷是否存在燃燒現(xiàn)象以及燃燒物的種類。
選用3種質(zhì)量相等(100 g)的典型液體燃料,分別為正庚烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%,0.683 g/cm3)、環(huán)己烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%,0.778 g/cm3)以及航空煤油(JET A-1型)。由于3種典型液體可燃物化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,燃燒后產(chǎn)煙量有極大區(qū)別,因此具有代表性。實(shí)驗(yàn)期間,液體燃料放置于常壓、無(wú)風(fēng)場(chǎng)且密閉的受限空間實(shí)驗(yàn)艙中,點(diǎn)火以后立刻開(kāi)始測(cè)量,記錄燃燒產(chǎn)物的煙氣顆粒質(zhì)量濃度、煙氣成分體積分?jǐn)?shù)等特性參數(shù)。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,且為了保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的初始條件相同,每種液體燃料燃燒間隔10 min。由于航空煤油不易點(diǎn)燃,故在進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí),倒入少量正庚烷作為引燃劑。
可燃物不充分燃燒將產(chǎn)生大量煙氣,煙氣漂浮于空氣中致使空氣中有害顆粒增多,有害顆粒有細(xì)顆粒物(PM2.5,空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm)、可吸入顆粒物(PM10,空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤10 μm)等。有害顆粒較多且煙氣存在時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)人體有很大的傷害。為了避免造成人員中毒等現(xiàn)象,有必要研究顆粒物的基本參數(shù)以便于對(duì)空氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行判斷與檢測(cè)。煙氣顆粒的尺寸分布是煙氣的基本特征參數(shù)之一,火災(zāi)煙氣的絕大部分顆粒分布在0.01~10 μm[15]。對(duì)環(huán)境中的煙氣顆粒濃度進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)煙氣顆粒粒徑的分布特征可判斷是否存在其他顆粒。但是,空氣中塵埃、粉塵等細(xì)小顆粒易與煙氣顆粒融合,進(jìn)而造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的火警誤報(bào)現(xiàn)象。因此,對(duì)于是否存在其他煙氣顆粒的判斷需要更多參數(shù)的輔助。煙氣濃度也是煙氣的特征參數(shù)之一,該參數(shù)可直接反映煙氣量的大小、能見(jiàn)度的高低和煙氣的危害程度,煙氣濃度的具體參數(shù)一般包括粒子數(shù)濃度、煙氣顆粒質(zhì)量濃度、減光率和光學(xué)密度等[16]。另外,可燃物燃燒會(huì)產(chǎn)生大量CO等有毒氣體,研究煙氣成分亦可表征該區(qū)域是否有其他顆粒。筆者選擇煙氣顆粒質(zhì)量濃度和煙氣成分體積分?jǐn)?shù)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究,對(duì)同區(qū)域、不同物質(zhì)、不同狀態(tài)下空氣中的煙氣進(jìn)行采樣,檢測(cè)并比較煙氣的特征參數(shù)。
外界環(huán)境中存在各式各樣的微小顆粒,可燃物燃燒釋放的煙氣存在于環(huán)境中,與空氣中的細(xì)小顆粒融合在一起,由于粉塵等顆粒的粒徑與煙氣顆粒的粒徑有極大的相似之處,因此對(duì)煙氣濃度的檢測(cè)與粉塵濃度的檢測(cè)類似。粉塵濃度的檢測(cè)方法一般分為取樣法與非取樣法[17]兩種類型。筆者采用的粉塵分析儀基于傳統(tǒng)取樣法,使用煙氣探頭進(jìn)行采樣并獲取數(shù)據(jù),隨后經(jīng)過(guò)通信串口的轉(zhuǎn)換得到每種顆粒物的質(zhì)量濃度。由于大部分燃燒產(chǎn)物的煙氣顆粒粒徑<10 μm[17-18],所以可對(duì)3種典型液體燃燒產(chǎn)物的PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。煙氣成分體積分?jǐn)?shù)由煙氣分析儀測(cè)定,該儀器基于皮托管法,采用乳膠管連接煙氣探頭進(jìn)行采樣并獲取數(shù)據(jù),采樣間隔時(shí)間為1 s,隨后,煙氣成分體積分?jǐn)?shù)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)USB串口自動(dòng)記錄和求平均值,以此方法測(cè)試3種典型液體燃燒產(chǎn)物的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)。
煙氣顆粒質(zhì)量濃度可較好地反映實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)煙氣量的大小?!敦浥摲阑鹣到y(tǒng)設(shè)備》要求光學(xué)煙霧探測(cè)器遮光率極限為12.5%/m~81%/m[13],并且《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:主要大氣污染指標(biāo)中包含PM10以及PM2.5。粉塵分析儀檢測(cè)3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物中PM1(空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤1 μm)、PM2.5、PM5(空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤5 μm)、PM10的煙氣顆粒質(zhì)量濃度,結(jié)果見(jiàn)圖2,并選擇實(shí)驗(yàn)環(huán)境空氣中相應(yīng)顆粒的質(zhì)量濃度作為基準(zhǔn)。
圖2 3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物中煙氣顆粒質(zhì)量濃度變化曲線Fig.2 Mass concentration curves of gas particles for three typical liquid flues
從圖2可知:3種典型液體可燃物燃燒可導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)環(huán)境中煙氣顆粒質(zhì)量濃度發(fā)生變化。由于可燃物燃燒煙氣顆粒質(zhì)量濃度處于波動(dòng)狀態(tài),且火災(zāi)煙氣顆粒粒徑在10 μm以內(nèi)[15],而實(shí)驗(yàn)環(huán)境空氣中PM10質(zhì)量濃度較低,故可采用PM10最高質(zhì)量濃度判斷是否有可燃物燃燒。在相同檢測(cè)時(shí)間內(nèi),航空煤油的PM10質(zhì)量濃度最高,其次是環(huán)己烷,正庚烷最低,航空煤油、環(huán)己烷、正庚烷最高質(zhì)量濃度分別為2 565、1 304和300 μg/m3,都大于空氣的最高質(zhì)量濃度16 μg/m3。因此,可通過(guò)PM10最高質(zhì)量濃度是否遠(yuǎn)大于空氣的來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否存在燃燒現(xiàn)象。由于正庚烷屬于完全燃燒類燃料,不易產(chǎn)生大量的煙氣顆粒,因此,正庚烷燃燒產(chǎn)物中PM10最高質(zhì)量濃度略大于空氣的。但是,環(huán)己烷與航空煤油皆為不完全燃燒,產(chǎn)生大量煙氣顆粒,導(dǎo)致兩種燃燒產(chǎn)物中PM10最高質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于空氣的,但是僅分析PM10的最高質(zhì)量濃度不能有效區(qū)分環(huán)己烷與航空煤油的種類。因此,還需進(jìn)一步分析燃燒產(chǎn)物的其他參數(shù),如可用于表示顆粒物分布特征的不同粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度比。
PM1、PM2.5和PM10之間相應(yīng)的最高質(zhì)量濃度比分別簡(jiǎn)寫成PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10。由圖2可得:3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物中PM1、PM2.5、PM10的最高質(zhì)量濃度并計(jì)算相應(yīng)的最高質(zhì)量濃度比,結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 3種典型液體可燃物的顆粒物分布特征參數(shù)Fig.3 Distributed characteristic parameters of three typical liquid flues
由圖3可知:3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物的顆粒分布特征參數(shù)PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10均高于空氣的,其中航空煤油的PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10均低于環(huán)己烷的,這說(shuō)明環(huán)己烷燃燒產(chǎn)物中細(xì)顆粒物較多,而航空煤油燃燒產(chǎn)物中大顆粒更多,這是由航空煤油與環(huán)己烷的理化性質(zhì)差異性造成的。因此,可燃物燃燒產(chǎn)物中PM1、PM2.5、PM10的最高質(zhì)量濃度比可用來(lái)判斷是否存在燃燒現(xiàn)象并區(qū)分航空煤油與環(huán)己烷。為進(jìn)一步減小空氣中的顆粒物對(duì)燃燒產(chǎn)物的干擾,引入可燃物燃燒煙氣顆粒占比(η)這一參數(shù),其計(jì)算式見(jiàn)式(1)。
(1)
式中:ρ1為PM10煙氣顆粒最高質(zhì)量濃度,ρ2為實(shí)驗(yàn)環(huán)境空氣中PM10最高質(zhì)量濃度。經(jīng)計(jì)算得到航空煤油、環(huán)己烷和正庚烷燃燒煙氣顆粒占比分別為99.37%、98.77%和94.66%。即可燃物燃燒引起受限空間內(nèi)顆粒濃度變化由大到小的順序?yàn)楹娇彰河?、環(huán)己烷、正庚烷。判斷是否存在燃燒時(shí),只選擇煙氣顆粒質(zhì)量濃度這一項(xiàng)火災(zāi)特征參數(shù)易出現(xiàn)閾值選取不當(dāng)?shù)葐?wèn)題,因此,進(jìn)一步通過(guò)分析煙氣成分體積分?jǐn)?shù)來(lái)鑒別是否存在火災(zāi)和可燃物種類。
可燃物燃燒消耗O2釋放CO、CO2等有毒有害氣體,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBZ 1—2010《工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定工作環(huán)境中CO體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于2.4×10-5[19],當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),易造成人員中毒等安全問(wèn)題。通常情況下,空氣中各氣體含量無(wú)較大變化,因此,可通過(guò)反應(yīng)式(2)表示的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)變化判斷是否發(fā)生火災(zāi)。
(2)
筆者利用煙氣分析儀記錄并分析可燃物燃燒后受限空間內(nèi)各煙氣成分(O2、CO2、CO)的體積分?jǐn)?shù)(φ),結(jié)果見(jiàn)圖4,由于測(cè)量數(shù)據(jù)處于波動(dòng)狀態(tài),圖中曲線經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)平滑處理。
圖4 可燃物燃燒煙氣成分體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Volume fractions of flue gas components
由圖4可知:航空煤油燃燒產(chǎn)生的CO濃度最高且CO最大體積分?jǐn)?shù)為8.6×10-5(393 s時(shí)),其O2消耗量為1.1%,CO2產(chǎn)生量為0.71%。環(huán)己烷燃燒產(chǎn)生的CO最大體積分?jǐn)?shù)達(dá)4.7×10-5(675 s時(shí)),但其CO2產(chǎn)生量卻高達(dá)0.8%,O2消耗量為1.3%。正庚烷燃燒產(chǎn)生的CO最大體積分?jǐn)?shù)達(dá)2.0×10-5(470 s時(shí)),此時(shí)CO2產(chǎn)生量為0.77%,但其O2消耗量最大(達(dá)到1.5%)。3種典型液體可燃物燃燒后受限空間內(nèi)各煙氣成分(O2、CO2、CO)的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律不一致,這是由航空煤油與環(huán)己烷、正庚烷不同的理化性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。綜上所述,隨著燃燒實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)環(huán)境中O2濃度降低,CO和CO2增加,因此,相同實(shí)驗(yàn)條件下,氣體濃度是否發(fā)生較大變化可判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否存在燃燒現(xiàn)象,該參數(shù)可作為火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)。
由于氣體濃度變化可為火災(zāi)探測(cè)提供參考,因此,Chen等[20]基于CO等特征參量開(kāi)發(fā)了火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng),并發(fā)現(xiàn)CO濃度可影響火災(zāi)報(bào)警時(shí)間的長(zhǎng)短。當(dāng)氣體火災(zāi)探測(cè)器檢測(cè)到大量CO時(shí)將影響探測(cè)器的電壓,電壓的跳變代表是否存在火災(zāi)報(bào)警信號(hào),且可給出火災(zāi)報(bào)警時(shí)間。假設(shè)以2.4×10-5的CO體積分?jǐn)?shù)為參考值即閾值響應(yīng)值,當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)該值時(shí)出現(xiàn)跳變信號(hào),表明存在燃燒現(xiàn)象。由圖4(c)CO體積分?jǐn)?shù)曲線可得出氣體火災(zāi)探測(cè)器閾值響應(yīng)時(shí)間變化曲線,結(jié)果見(jiàn)圖5,其中“1”表示出現(xiàn)跳變信號(hào),“0”表示無(wú)跳變信號(hào)。
圖5 閾值響應(yīng)時(shí)間曲線Fig.5 Threshold response time curves
由圖5可知:航空煤油屬于混合物,燃燒產(chǎn)生大量CO氣體,導(dǎo)致氣體火災(zāi)探測(cè)器的閾值響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)(約為450 s);環(huán)己烷燃燒將導(dǎo)致氣體火災(zāi)探測(cè)器產(chǎn)生電壓跳變信號(hào),閾值響應(yīng)時(shí)間約為200 s;由于正庚烷燃燒產(chǎn)生CO最大體積分?jǐn)?shù)為2×10-5,在閾值響應(yīng)值取CO體積分?jǐn)?shù)為2.4×10-5條件下,氣體火災(zāi)探測(cè)器不產(chǎn)生跳變信號(hào),不存在閾值響應(yīng)時(shí)間,即采用氣體火災(zāi)傳感器研究基于CO濃度的火災(zāi)探測(cè)技術(shù),易出現(xiàn)選取閾值不當(dāng)而造成誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象。因此,必須將煙氣成分體積分?jǐn)?shù)變化情況與可燃物燃燒煙氣顆粒質(zhì)量濃度的研究結(jié)果結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合判斷,以期提高受限空間火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性。
對(duì)3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)以及煙氣顆粒質(zhì)量濃度的檢測(cè)分析可得出:①3種典型液體可燃物燃燒實(shí)驗(yàn)環(huán)境中PM10最高質(zhì)量濃度大于空氣中的,且O2濃度降低,而CO與CO2濃度增加,以此可判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否存在燃燒現(xiàn)象。②空氣中PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10的數(shù)值相對(duì)較低,正庚烷燃燒的該分布特征參數(shù)較高且正庚烷燃燒產(chǎn)生煙氣顆粒占比為94.66%,可有效判斷出該可燃物;航空煤油的燃燒顆粒分布特征參數(shù)PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10都低于環(huán)己烷的,且航空煤油燃燒產(chǎn)生煙氣顆粒占比為99.37%,而環(huán)己烷燃燒產(chǎn)生煙氣顆粒占比為98.77%,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可綜合判斷出航空煤油與環(huán)己烷兩種燃料。因此,根據(jù)可燃物燃燒煙氣成分體積分?jǐn)?shù)以及煙氣顆粒質(zhì)量濃度,判斷是否發(fā)生火災(zāi)以及可燃物的種類,為研發(fā)新型火災(zāi)預(yù)警技術(shù)提供一定的理論支撐。