王鵬，孫孝猛，常舉，王靜

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

引言

發(fā)動機試驗臺架對于汽車廠家和相關(guān)開發(fā)研究機構(gòu)是十分重要的重點防火設(shè)備，為了極大水平縮減發(fā)動機熱試臺架火災(zāi)事故所造成的生命財產(chǎn)損失，同時根據(jù)測試設(shè)備的安全需要，對熱試臺架的滅火系統(tǒng)在工程設(shè)計中提出了更高的要求。

在本文研究的項目中，針對集裝箱式發(fā)動機熱試臺架，通過分析具體的火災(zāi)隱患點和滅火要求，綜合評價滅火系統(tǒng)方案，設(shè)計出既能達到高效滅火效果又符合經(jīng)濟性的方案來展開滅火系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用。

在實際工程設(shè)計中，通過報警探測器探測火情，控制系統(tǒng)根據(jù)警報分級處理以及配合設(shè)備自身的聯(lián)動，充分發(fā)揮氮氣細水霧滅火系統(tǒng)的最大能效。

1 熱試臺的火災(zāi)隱患點和滅火要求

要有針對性的應(yīng)用熱試臺架滅火系統(tǒng)，需要先分析熱試臺架的火災(zāi)隱患點和滅火要求。

1.1 熱試臺的火災(zāi)隱患點

發(fā)動機熱試臺架是進行發(fā)動機性能以及可靠性等系列試驗的場所[1]。本文涉及的熱試臺架為集裝箱式，其主要設(shè)備有試驗臺架，測功機，試驗控制系統(tǒng)，供油系統(tǒng)，送風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)等。發(fā)動機熱試臺架作為生產(chǎn)設(shè)備，其主要的危險源有以下幾點：（1）發(fā)動機熱試運行期間的燃油供給過程是否有泄露風(fēng)險；（2）發(fā)動機長時間滿載運行期間，在排氣端如渦輪，三元催化器，排氣管等零件部位形成高溫炙熱表面有引燃風(fēng)險。發(fā)動機熱試臺架按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB 50016-2014[2]火災(zāi)危險性等級可定為丁類，需要自動滅火系統(tǒng)保證其安全運行。

1.2 熱試臺滅火要求

發(fā)動機熱試臺架的內(nèi)部空間可以劃分為操作間和測試間兩個封閉空間。如圖1所示，其面積分別為13.34m2和52.2m2，其中操作間內(nèi)布置著用于控制發(fā)動機試驗運行和對發(fā)動機狀態(tài)實時錄像的電腦；測試間內(nèi)布置著測功機，傳感器控制電柜，供油系統(tǒng)等，也是發(fā)動機進行熱測試的場所。因此，按照《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB 50116-2013熱試臺架操作間和測試間均設(shè)計為報警區(qū)域和探測區(qū)域。對于測試間探測區(qū)域，因為存在電器系統(tǒng)的電柜、主軸傳動的精密機械裝置和發(fā)動機本身，所以滅火過程要避免大量水噴射的侵入，避免漏電風(fēng)險同時是對機械設(shè)備使用壽命的保護。

圖1 發(fā)動機熱試臺架的內(nèi)部空間

2 熱試臺滅火系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 熱試臺滅火系統(tǒng)的選擇

根據(jù)熱試臺架的火災(zāi)隱患點和滅火要求，考慮使用氣體滅火系統(tǒng)和細水霧滅火系統(tǒng)。二氧化碳氣體滅火系統(tǒng)和IG541氣體滅火系統(tǒng)是比較常見的氣體滅火系統(tǒng)，但是二氧化碳滅火系統(tǒng)在滅火過程中存在人員窒息風(fēng)險而IG541氣體為浸沒式滅火，在較高的滅火劑比容時需要數(shù)量眾多的IG541氣瓶，增加造價的同時不便于存放。對于細水霧系統(tǒng)，目前使用比較廣泛的是泵組式（10Mpa工作壓力）高壓細水霧滅火系統(tǒng)。這類高壓細水霧系統(tǒng)，一般較多地應(yīng)用于綜合管廊，檔案館等較大區(qū)域滅火設(shè)施中，為了形成高壓細水霧，使用的泵組和噴頭造價昂貴。對此，本文針對發(fā)動機熱試臺架采用了一種兩相流體噴射形成的氮氣細水霧，其原理如圖2所示。該系統(tǒng)由BMA警報控制器，200bar氮氣瓶，去離子水罐，管路和噴嘴組成。BMA控制器在收到火警報警后，打開高壓氮氣瓶啟動電磁閥1，氮氣通過減壓閥2，截止閥4進入去離子水罐 7，水罐內(nèi)形成的高壓作為動力，將去離子水推入罐底的管路，同時氮氣通過截止閥3與去離子水在管路內(nèi)混合形成7.5%-20%氮氣質(zhì)量分數(shù)的兩相流體，最終通過噴嘴形成細水霧。

圖2 細水霧滅火系統(tǒng)原理圖

該滅火系統(tǒng)的優(yōu)勢是：（1）相比高壓細水霧具備迅速冷卻、隔離熱輻射、沖擊乳化、窒息等滅火原理[3]外，氮氣的加入增加了細水霧滅火的穩(wěn)定性和強度，可以更快地破壞火焰結(jié)構(gòu)[4]。（2）由于氮氣惰化了火場區(qū)域內(nèi)的空氣，使氧氣濃度快速降低，又擴展了細水霧的滅火區(qū)域范圍，從而抑制霧滴之間的碰撞聚合，減少霧滴沉降，最終實現(xiàn)迅速窒息滅火[5]。（3）該系統(tǒng)通過200bar氮氣作為動力，避免了采購高壓泵組的高成本，適合熱試臺架這類封閉小區(qū)域滅火。因此，本文采用的氮氣細水霧滅火系統(tǒng)在縮減整體造價成本的同時提高了滅火效果。

2.2 細水霧滅火系統(tǒng)的方案設(shè)計

細水霧滅火系統(tǒng)噴嘴安裝高度設(shè)計為 3m，采用 DN25管道，細水霧噴嘴設(shè)計工作壓力P為14bar，流量系數(shù)K取值為0.7，因此細水霧噴頭的流量q為：

細水霧系統(tǒng)的設(shè)計供給強度W為0.2Kg/（min·m3），設(shè)計保護區(qū)域為發(fā)動機熱試臺架測試間，其空間V為156.6 m3，因此，保護區(qū)域所需的噴嘴數(shù)量N為：

圖3 發(fā)動機熱試臺測試間噴頭布置圖

如圖3所示，在發(fā)動機臺架上方，布置細水霧管路及12個噴嘴，每個噴嘴左右間隔1m，距離水平中心線0.9m。

3 熱試臺滅火系統(tǒng)的報警控制設(shè)計

3.1 熱試臺報警探測器的選型布置

根據(jù)熱試臺架火災(zāi)隱患點，需要溫度，煙霧和火焰三種探測器，如表1所示選型。

表1 報警探測器選型表

測試間內(nèi)進行發(fā)動機試驗，為了避免尾氣導(dǎo)致煙霧探測器誤報，煙霧探測器避免布置在測試間。火焰探測器布置在測試間墻體兩側(cè)探測范圍能夠完全覆蓋發(fā)動機，三元催化器，排氣管，測功機，發(fā)動機點火控制電柜等重點監(jiān)測部位。溫度探測器布置在地板下方，主要用于檢測燃油滴漏引發(fā)的火災(zāi)。操作間類似正常辦公區(qū)域，因此在屋頂和地板下只布置煙霧探測器。根據(jù)傳感器的探測范圍，其熱試臺架布置如圖4所示。

圖4 發(fā)動機熱試臺報警探測器布置圖

3.2 熱試臺報警控制邏輯設(shè)計

圖5 熱試臺報警控制邏輯圖

熱試臺在發(fā)生火情時，設(shè)計為預(yù)火警和主火警的二級報警機制。在預(yù)火警觸發(fā)后，處在熱試臺操作工位的人員可以及時發(fā)現(xiàn)異常、檢查設(shè)備情況并試圖撲滅未形成明火的火災(zāi)，避免設(shè)備財產(chǎn)損失。而設(shè)備主火警能夠針對突發(fā)火情實現(xiàn)零延遲開啟細水霧滅火系統(tǒng)啟動電磁閥。如圖5所示，本文設(shè)計報警控制邏輯圖，其中“&”表示“與”關(guān)系；“＞=1”表示“或”關(guān)系。由圖可知，當(dāng)任意兩個溫感探測到火情、兩個火焰探測器探測到火情或一個火焰探測器一個溫感探測到火情可以觸發(fā)主火警；當(dāng)任意一個溫感、火焰探測器或煙感探測到火情，可以觸發(fā)預(yù)火警；同時設(shè)計手動報警按鈕可以直接觸發(fā)主火警。預(yù)火警會觸發(fā)喇叭發(fā)出警報，主火警在觸發(fā)聲光報警的同時會打開細水霧滅火系統(tǒng)啟動電磁閥。此外，為了避免控制系統(tǒng)失效，實施對細水霧滅火系統(tǒng)氣瓶的實時壓力檢測和警報控制系統(tǒng)的故障診斷。

3.3 熱試臺滅火系統(tǒng)與設(shè)備的聯(lián)動

按照《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB 50116-2013中關(guān)于消防聯(lián)動信號的規(guī)定，本文設(shè)計如表2所示，滅火系統(tǒng)與設(shè)備的消防聯(lián)動安全矩陣。在預(yù)火警觸發(fā)時，發(fā)動機測試試驗停止，關(guān)閉響應(yīng)燃油供給等裝置，但保留測試臺架供電和通風(fēng)系統(tǒng)，為操作人員撲滅潛在火情提供條件；主火警觸發(fā)時，在預(yù)火警聯(lián)動基礎(chǔ)上關(guān)閉設(shè)備通風(fēng)系統(tǒng)和熱試臺架供電，為細水霧滅火系統(tǒng)啟動做好準備。

表2 滅火系統(tǒng)與設(shè)備的消防聯(lián)動安全矩陣

4 總結(jié)

在汽車發(fā)動機的熱試臺架工程建設(shè)中，自動滅火系統(tǒng)的高效性和低成本一直是工程設(shè)計人員的重要課題。本文通過對熱試臺架火災(zāi)隱患點和滅火要求的分析，創(chuàng)新性的設(shè)計應(yīng)用了一種兩相流體形成的細水霧滅火系統(tǒng)，在合理的管路噴嘴布置和報警控制設(shè)計下，實現(xiàn)了與設(shè)備的聯(lián)動，保證該滅火系統(tǒng)可以有效的撲滅發(fā)動機熱試臺火災(zāi)。

目前本文中設(shè)計應(yīng)用的熱試臺架滅火系統(tǒng)使用的封閉空間兩相流細水霧滅火技術(shù)是一項新型、高效、綠色、低成本消防技術(shù)。本案例對各大汽車生產(chǎn)廠家和發(fā)動機研發(fā)機構(gòu)今后類似的消防設(shè)施工程設(shè)計提供了非常重要的借鑒。