林 輝，萬小軍

（1.廣州電力設(shè)計院有限公司，廣州 510610；2.上海同泰火安科技有限公司，上海 201799）

在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電力變電站屬于核心環(huán)節(jié)，電力網(wǎng)的運行情況直接受變電站重要性的影響[1]。在城市的電力系統(tǒng)中變電站的數(shù)量較多，其主要作用是為系統(tǒng)運行提供變電支撐。弱電和強電電氣設(shè)備是構(gòu)成變電站的主要組件，油浸主變變壓器具有儲油量高、電能高的特點，變電站中存在的帶電設(shè)備是重點火災(zāi)設(shè)備。沙子、滅火器是變電站內(nèi)常用的消防設(shè)施，被動型消防設(shè)施是變電站外常用的消防手段，包括消防栓等。大部分電氣設(shè)備在變電站系統(tǒng)中均沒有滅火系統(tǒng)，導(dǎo)致火災(zāi)事故在變電站系統(tǒng)運行過程中頻發(fā)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)優(yōu)于現(xiàn)有的滅火系統(tǒng)[2]，因此研究并分析自動滅火系統(tǒng)具有重要意義。

文獻(xiàn)[3]分析了管網(wǎng)在滅火系統(tǒng)中的水力特性，根據(jù)分析結(jié)果確定支管噴頭的流量，在此基礎(chǔ)上得到末端水壓和支管出流量之間的關(guān)系，完成滅火系統(tǒng)的設(shè)計，該方法設(shè)計的系統(tǒng)存在效率低的問題；文獻(xiàn)[4]分析了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的基本要求，在基本要求的基礎(chǔ)上調(diào)整滅火系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，選取最優(yōu)型號的噴頭，完成系統(tǒng)設(shè)計，該方法存在水霧生產(chǎn)時間長和火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動滅火系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

將火焰?zhèn)鞲衅鱗5]設(shè)置在細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中，利用火焰?zhèn)鞲衅鳙@取火災(zāi)現(xiàn)場的信息，通過融合信息檢測火勢情況。

（1）設(shè)置火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的火災(zāi)識別框架I，包括不確定度、無火災(zāi)和有火災(zāi)；

（2）采用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測現(xiàn)場的環(huán)境，在模糊隸屬度函數(shù)[6-7]的基礎(chǔ)上根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)計算不同時刻多個火焰?zhèn)鞲衅鞯碾`屬度函數(shù)值；

（3）在每次測量過程中通過下述公式計算不同火焰?zhèn)鞲衅鞯目尚哦取?/p>

用a 表示細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中的火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)量，上述火焰?zhèn)鞲衅鞑杉絯 個火災(zāi)檢測結(jié)果，用Ck表示所有火焰?zhèn)鞲衅鲗Y(jié)果k 檢測的平均值，可通過下式計算得到：

式中：Cik描述的是單個火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測結(jié)果。

建立信任函數(shù)fmn，該函數(shù)描述的是針對火災(zāi)檢測結(jié)果k，火焰?zhèn)鞲衅鱩 和火焰?zhèn)鞲衅鱪 的信任度比值，其表達(dá)式如下：

根據(jù)上式計算結(jié)果，建立判別矩陣Fk：

計算結(jié)果即為火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧鏅z測結(jié)果的支持程度。

1.2 系統(tǒng)工作流程

基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

火焰?zhèn)鞲衅鳟?dāng)現(xiàn)場煙霧和濃度較高時，會向PLC 發(fā)送信號[8-9]，控制器再將報警信號發(fā)送給消防中心，在同一時間內(nèi)啟動細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的水泵和電機，并傳輸顯示噴放指示和聲光報警。利用電磁閥控制系統(tǒng)噴細(xì)水霧。操作人員同時也可以控制關(guān)停和啟動按鈕，并檢測過濾器在系統(tǒng)中的降壓，以及水流在管路中的壓力，根據(jù)檢測結(jié)果控制電機的狀態(tài)。在滅火過程中火焰?zhèn)鞲衅鞯闹饕饔檬窍蛴嬎銠C反饋火場溫度信號。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件、火災(zāi)危險性以及細(xì)水霧特性設(shè)計細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)Tab.1 System basic parameters

1.4 水力計算

通過式（5）確定系統(tǒng)噴頭的流量w：

式中：L 描述的是工作狀態(tài)下噴頭的壓力；A 描述的是流量特性系數(shù)。

細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)通過式（6）計算流量WJ：

式中：wi代表的是細(xì)水霧噴頭在系統(tǒng)中的實際流量；n 代表的是細(xì)水霧噴頭在系統(tǒng)中的實際數(shù)量。

利用式（7）計算細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量WS：

式中：l 為在區(qū)間［1.05，1.10］內(nèi)取值的安全系數(shù)。

通過式（8）設(shè)計儲水箱在細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中的儲水量Ec：

式中：t 描述的是噴水頭在滅火系統(tǒng)中噴水的持續(xù)時間。

管道沿程水頭在系統(tǒng)中的損失o 為

式中：dt描述的是管段內(nèi)徑；g 描述的是摩擦系數(shù)；ρ 為水的密度；W 為管段流量。

1.5 細(xì)水霧自動控制

根據(jù)成熟的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)[10-11]以及消防協(xié)會的細(xì)水霧消防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動滅火系統(tǒng)設(shè)計方法組合機械應(yīng)急控制、手動控制和自動控制3 種控制方式提高細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的可靠性和敏感性。

細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中的細(xì)水霧控制模塊采用220 V 交流電的CPU224 供電方式，并在模塊中引入EM231 擴展模塊，該模塊的主要作用是增強信號在細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中的傳遞。細(xì)水霧控制模塊在細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 細(xì)水霧控制模塊Fig.2 Water mist control module

感煙探測器通過擴展模塊EM235 布置在封閉環(huán)境的內(nèi)部，如果現(xiàn)場的火災(zāi)特征表現(xiàn)為由濃煙轉(zhuǎn)為明火時，第一個探測器在火源周圍采集到的信號傳遞到細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的CPU 中，系統(tǒng)識別信號，并連接電機在系統(tǒng)中的電源線。當(dāng)細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的其他感煙探測器也探測到火災(zāi)信號后，在第一時間內(nèi)啟動電機，如果電機在細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)運行過程中達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)打開電磁閥，通過管道高壓水流得以釋放，并在細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)中顯示水泵出口的壓力狀態(tài)。

如果細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)無法通過火焰?zhèn)鞲衅鞑杉男盘枂訒r[12-13]，需要手動控制細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的控制器，具體控制流程如圖3 所示。

圖3 細(xì)水霧控制流程Fig.3 Water mist control flow chart

當(dāng)現(xiàn)場火災(zāi)特點為不存在明顯煙霧，但前期火焰明顯的火災(zāi)類型時，傳感器有可能探測不到火災(zāi)信號，手動控制器的作用就是在這種情況下啟動細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)[14-15]。將手動開啟信號傳遞到細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的CPU 中，CPU 根據(jù)接收到的信號控制火災(zāi)指示燈，并顯示細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 實驗與分析

為了驗證基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動滅火系統(tǒng)設(shè)計方法的整體有效性，需要做相關(guān)測試。系統(tǒng)接收現(xiàn)場火焰信息的時間直接影響著控制器控制水閥打開的時間，分別采用基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動滅火系統(tǒng)設(shè)計方法、文獻(xiàn)[3]方法（自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計流量計算方法的研究）和文獻(xiàn)[4]方法（倉儲建筑自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要點分析）采集現(xiàn)場的火焰信息。

文獻(xiàn)[3]方法在滅火系統(tǒng)水力特性分析的基礎(chǔ)上，明確了支管噴頭的流量，進(jìn)一步控制了末端水壓和支管出流量；文獻(xiàn)[4]方法在分析細(xì)水霧滅火系統(tǒng)基本要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)整的滅火參數(shù)，選取了最優(yōu)型號的噴頭，完成系統(tǒng)設(shè)計。對比不同方法的信息接收時間和控制器啟動時間，測試結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

分析圖4 可知，在多次實驗中所提方法設(shè)計系統(tǒng)采集信息所用的時間均控制在10 s 以內(nèi)，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計系統(tǒng)的信息采集時間所用的時間均高于10 s，由此可知，所提方法信息采集時間較短；分析圖5 可知，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的控制器啟動時間均高于信息接收時間，因為系統(tǒng)要根據(jù)接收的信息控制控制器的啟動，信息采集時間越短控制器所用時間越短，兩者之間呈正比。表明所提方法設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的效率，是因為所提方法將火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)計在系統(tǒng)中，并融合了傳感器采集的信息，可以在較短的時間內(nèi)獲取現(xiàn)場火焰環(huán)境信息，從而提高了系統(tǒng)的效率。而對比傳統(tǒng)方法在獲取火情信息方面較為薄弱，所以啟動控制器的時間較短。

圖4 信息接收時間Fig.4 Information reception time

圖5 控制器啟動時間Fig.5 Controller startup time

水霧生成時間對系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響，水霧生成時間越短，系統(tǒng)越可以在短時間內(nèi)完成滅火，相反，水霧生產(chǎn)時間越長，系統(tǒng)滅火所用的時間越長。所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的水霧生成時間如圖6 所示。

圖6 水霧生成時間Fig.6 Mist generation time

由圖6 可知，在多次測試中，所提方法生成水霧的時間在50 ms 上下波動，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法生成水霧的時間在70 ms 和80 ms 附近波動，通過多次測試發(fā)現(xiàn)，所提方法設(shè)計的系統(tǒng)生成水霧所用的時間遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計的系統(tǒng)生成水霧所用的時間，因為所提方法可在較短時間內(nèi)采集現(xiàn)場的信息，利用模糊隸屬度函數(shù)計算了不同火焰?zhèn)鞲衅鞯目尚哦?，能夠快速判斷火焰檢測結(jié)果的支持程度，并且當(dāng)溫度信號和煙霧信號低于報警值時，系統(tǒng)的PLC 便會立即進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，進(jìn)而縮短了生成水霧所用的時間。而對比的方法雖然可以較好地控制水霧流量、調(diào)整滅火參數(shù)，但由于對火情判斷的時間較長，從而延長了水霧生成的時間。

將火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x作為指標(biāo)，驗證所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)安全性，火災(zāi)發(fā)生時，如果火焰沒有被及時撲滅，那么火焰?zhèn)鞑サ木嚯x將不斷增長，以此為依據(jù)測試上述方法的性能，為了保證實驗的準(zhǔn)確性，選取兩個不同環(huán)境測試，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同方法的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xFig.7 Flame spread distance for different methods

由圖7 可知，在不同環(huán)境中所提方法的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均在0.2 m 以內(nèi)，且在實驗環(huán)境1 中的火焰高度在2.5 s 時為0，表明系統(tǒng)經(jīng)過2.5 s 時已經(jīng)撲滅了火焰，在實驗環(huán)境2 中，經(jīng)過2.0 s 撲滅了火焰。而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨著時間的增長而增長，表明以上兩種方法的系統(tǒng)安全性較差。因為本文所提方法根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件等信息計算水力大小，調(diào)整火系統(tǒng)的基本參數(shù)，聯(lián)合水霧控制模塊，實現(xiàn)了水霧自動控制，可以有效撲滅火焰。而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法由于對現(xiàn)場火情的研判方面較弱，欠缺及時判斷火焰的燃燒發(fā)展情況，所以在抑制火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x方面的性能有待提高。

3 結(jié)語

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有對環(huán)境無害、用水量少、誤動作損失小等優(yōu)點，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)隨著人們對防火滅火和環(huán)境保護(hù)觀念的轉(zhuǎn)變成為消防界的研究熱點。目前滅火系統(tǒng)存在系統(tǒng)效率低、水霧生成時間長、火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)等問題。為了解決存在的問題，本文設(shè)計了基于火焰?zhèn)鞲衅鞯募?xì)水霧自動滅火系統(tǒng)。融合多個火焰?zhèn)鞲衅鞑杉男畔ⅲ梢钥焖佾@取火情信息，縮短了系統(tǒng)啟動時間。在此基礎(chǔ)上，使用模糊隸屬度函數(shù)快速判斷火焰檢測結(jié)果的支持程度，根據(jù)判斷結(jié)果計算水力大小，自動調(diào)整滅火參數(shù)，解決了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)的問題。實驗結(jié)果證明，本文設(shè)計的系統(tǒng)縮短了信息接收與啟動的時間，縮短了水霧生成時間，降低了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，實現(xiàn)了快速高效地滅火。由于時間和精力有限，此次研究仍存在不足之處，在船舶等特殊環(huán)境下的有效滅火范圍方面有待完善。在未來的研究中，擬從計算分支管路壓力損失方面入手，將系統(tǒng)布設(shè)到特殊環(huán)境，進(jìn)一步優(yōu)化滅火范圍。