高压细水雾灭火技术在地铁车辆上的应用研究

薛思才，李慧娟

（中国南车集团 青岛四方机车车辆股份有限公司 城轨事业部，山东青岛266111）

细水雾灭火系统的研制及应用早在20世纪40年代就已经开始，但由于技术和经济的原因，其优越性当时还不能被消防界所接受，从20世纪80年代发生的3件大事使人们开始重视细水雾灭火技术的开发及其应用。

地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，以其运量大、速度快等优势，成为了各大城市必备的交通运输工具。但由于地铁线路其自身条件的限制，一旦出现火灾，消防人员和设施因地理条件所限，往往无法在第一时间赶到现场控制火情，必然会造成很大设备和财产损失、甚至造成人员伤亡！随着社会对人身安全问题越来越关注和重视，各种安全措施被应用在列车上面，例如布置干粉灭火器、设置逃生门、紧急解锁等，可是由于这些措施均存在使用的局限性（如非自动性），在发生火灾时，往往起到的作用比较有限。

高压细水雾灭火技术作为一种有效的灭火方式，在国外很多城市轨道交通上有过成熟的应用业绩，并取得了很好的效果，但在国内的地铁行业尚未使用过。目前，国内一些地铁公司开始有意向将高压细水雾灭火技术引入到地铁防火领域中。

1 高压细水雾技术介绍

高压细水雾灭火技术是水灭火系统的一种新技术，该技术又称超细水雾灭火系统、高压水喷雾自动消防系统、细水雾灭火系统等，它是由高压水通过特殊喷嘴产生的细水雾来灭火的自动消防系统。在NFPA 750《美国消防协会细水雾消防系统标准》中，细水雾的定义是在最小设计工作压力下、距喷嘴1m处的平面上，测得水雾最粗部分的水微粒直径Dv0.99（这是用体积法表示雾滴直径的一种方法，Dv0.99表示小于1 000μm的直径体积含量为99%）不大于1 000μm，工作压力P为3.5～15MPa，而高压细水雾：Dv0.99＜200μm，P＞8 MPa。区别于传统的水喷淋灭火系统，该系统具有压力高、水雾微粒超细的特点。

1.1 细水雾应用环境

出于环保方面的考虑，卤代烷灭火剂将逐步被淘汰，而细水雾作为灭火剂对于环境的潜在环保优势将使其应用范围得到不断拓展，细水雾灭火系统用于居住建筑、可燃性液体储存设施及电气设备方面的研究，已经取得成效。

高压细水雾灭火系统能够扑灭多种类型的火灾：A类火灾、B类火灾、C类火灾，同时因其具有导电率比较低的特性，还可以扑灭带电火灾；且由于水雾超细的特性，相对于水喷雾和泡沫灭火的技术，对燃烧物没有直接的损坏，因此，可应用的范围比较广泛，如电子计算机房、通讯设备、控制室、磁带库、图书馆、档案馆、珍品库、配电间、发电机房、油浸变压器室、液压设备、除尘设备、喷漆生产线、电缆隧道、地铁车站等场所的消防保护。美国海军实验室（NRL）对低压水雾、高压两相细水雾和高压单相水雾等3种灭火系统的灭火效果进行的一系列对比试验表明：高压单相细水雾灭火系统的效果最佳，目前美国在海军舰艇及船舶上大力推广应用高压单相细水雾灭火系统。但因为细水雾系统灭火剂为水，故不宜直接用于保护与水发生剧烈反应或者生成危险产物的物质，如活泼金属、金属氧化物等；也不适宜直接应用于低温液化气（如液化天然气），因为这些液化气被水加热会产生剧烈沸腾。

1.2 灭火机理

火灾发生的3要素：燃烧物、温度、氧气3个条件缺一不可。传统的灭火技术只是针对一种要素或两种要素进行灭火，如水喷淋灭火系统的机理是通过水将燃烧物的温度降低到着火点以下，而细水雾灭火技术是针对以上3个要素、多种混合灭火方式共同作用于燃烧物进行灭火，从而根除了残火复燃情况的发生。

（1）冷却效应：单位体积的水量转变为高压细水雾在灭火过程中所吸收的热量是相同体积的液态所吸收热量的8倍，从而在第一时间降低火源的温度，防止热量的扩散（图1）。

图1 冷却效应示意图

（2）惰性效应：高压水雾通过高压喷嘴组，体积增加到原先体积的1 640倍，由于细水雾直径较小（40μm）极大的稀释了火源附近空气中的氧气含量，能很快的将空气中氧气含量降低到16%以下，从而抑制了火灾的蔓延，同时高压细水雾的扩散不仅可进入火源区而且可防止燃烧外区域氧气的流入（图2）。

图2 惰性效应示意图

（3）附加效应：由于高压细水雾在灭火的过程中产生的是雾状气体，可扑灭各种形状的燃烧物，还可以对灭火环境有一定的洗涤作用，高压细水雾对燃烧物没有损耗，电导率低，可以扑灭电气环境的燃烧物，而不会造成对电气原件的损坏。

1.3 性能对比

高压细水雾与传统的灭火技术的灭火性能对比见表1。

表1 灭火技术性能对比表

通过表1的对比分析，可以看出高压细水雾是一种安全可靠的灭火方式，由于灭火剂是少量的水，对环境没有任何影响，对人身的安全不存在任何的威胁，是一种绿色环保的灭火方式。而目前国内地铁车辆上一般都是采用在车辆两端放置甁式干粉灭火器的方式，其主要成分是：二氧化碳（CO2）、Holons、水和水基灭火剂泡沫等。

高压细水雾灭火系统具有以下特点：

（1）灭火效能高。它冷却性能好、抑制性强。高压细水雾还有一定的穿透性，可防止火灾的复燃。

芬兰Marioff公司自1991年开始研制高压单流细水雾灭火系统，其研制的HI-FOG高压水雾灭火系统的工作压力小于14MPa，可利用高压水泵或高压充气瓶作动力源，喷雾颗粒直径为50～120μm，在各类火灾场所累计进行了5 000多次灭火试验，证明其灭火性能十分优异。另外还有澳大利亚Phirex公司研制的FOGEX⑧系列高压细水雾灭火系统，丹麦的跨国液压公司Danfoss由Nessie⑧系列中高压水泵及水压控制阀和WM系列高压水雾喷头组成的各类高压细水雾系统，挪威的Sprinklerhuset公司开发的MISTEX水雾灭火系统等。而且2002-07-10生效的国际人命安全公约（SOLAS）规定：500t级以上的客轮和2 000t级以上的货轮必须安装细水雾灭火系统。

（2）用水量较少、可减少水的危害。火灾的扑灭相对传统的喷淋，它仅需10%或更少的水量。

（3）反应时间快，对烟雾的擦洗可降低火灾的危险。高压细水雾的喷头具有快速响应热量释放的机械结构；高压细水雾具有自动清洗烟雾的能力，可减少烟雾中的二氧化碳的伤害。

（4）相对气体灭火系统，安装、维护简便，且不会对环境及保护对象造成危害，避免了灭火剂与燃烧物发生链式反应而产生对人有害的气体。

（5）管道管径较小、节省管材。相对于传统的自动喷水灭火系统而言，其质量轻，可减少90% 。

1.4 关键技术研究及试验情况

高压细水雾灭火系统是水压传动与控制技术、水雾化技术及细水雾灭火技术的交叉和集成，在研制和实施过程中面临许多技术问题，其关键点包括：

（1）高压水动力源

高压细水雾灭火系统是水压传动与控制技术的一个重要应用方向，水雾灭火技术早期难以得到推广原因之一就是缺乏高压水动力源的支持。系统需要高压水泵为水雾化喷嘴提供稳定的高压水源，产生优质的细水雾和灭火效果。水的黏度低、润滑性差、腐蚀性强、汽化压力高。研制高压水泵必须解决摩擦磨损、泄漏、气蚀等一系列技术难题。华中科技大学液压气动中心研制的阀配流轴向多柱塞水泵已进入实用阶段，可以基本解决系统的高压水动力源问题。

（2）水压控制阀组

水压控制阀组包括安全阀、压力控制阀、方向控制阀及分区开关阀等。安全阀为高压水系统提供过载保护，喷嘴的工作压力由压力控制阀调定；方向控制阀应具有中位卸荷机能，保证水泵驱动电动机或内燃机空栽启动；当一套灭火系统有两个以上的保护区时，系统必须设置分区开关阀。水压控制阀组研制的主要技术难点是泄漏、气蚀、拉丝侵蚀、振动、噪声和工作稳定性等问题。目前，用于高压的水压电磁换向阀产品在我国尚属空白，阀口密封不严以及阀芯被颗粒物卡死等问题在国外进口电磁阀也经常出现。

（3）细水雾雾化喷嘴

高压水雾化喷嘴作为系统的核心部件之一，其雾化方式的选择、结构尺寸设计以及内部流场分析，直接影响水的雾化性能及灭火能力。喷嘴内压力与速度分布是非常复杂的，喷嘴现有的设计计算方法是建立在理想流体基础之上的，计算结果与实际情况相差甚远。

此外，喷嘴零件的尺寸小，结构复杂，加工难度大。试验性的单件加工时，如何在喷嘴狭小的空间内加工出满足需要的流道精度和表面粗糙度；对于工业化的批量生产，如何保持产品性能的一致性，都是必须面临的问题。

（4）雾滴的运动与蒸发特性

在灭火过程中，细水雾能否完全覆盖燃烧区、能否穿透热气流进入燃烧核心区，对灭火可靠性和灭火效率有较大的影响。确定雾滴的运动速度、飞行距离及蒸发时间，是喷嘴布置间距和安装高度的设计基础。目前雾滴运动参数的计算主要依靠试验结果和计算图表，设计时既不准确，也不方便。

（5）高压细水雾灭火试验方法

高压细水雾灭火系统作为高风险消防产品，必须进行灭火试验。近年来，研究人员在发电机房、储油罐等场所完成了大量的模拟试验和足尺寸试验，取得了一定的研究成果，但是，由于具体的灭火对象及环境的复杂性，国内外尚无统一的细水雾灭火试验规范，因此，建立一套与实际灭火效能高度关联的细水雾灭火试验方法也是有待研究的课题。

2 高压细水雾灭火系统在地铁车辆上应用研究

目前，高压细水雾灭火系统在国外地铁行业有了成熟的使用业绩，比如从1996年起，西班牙的马德里地铁在6～10号线全部车辆及部分地铁站、控制中心都应用了高压细水雾灭火系统，但在国内地铁行业还从未使用。根据国外成熟经验，制定以下方案（以现在国内运营较多的6编组B型地铁为原型设计）。

高压细水雾高压的动力源目前有两种，一种是高压水泵，另一种是高压氮气瓶。由于高压水泵功率比较大，列车在发生紧急情况的时候，外部高压电源中断，只能用列车蓄电池组供电，但是有限容量的蓄电池不能保证水泵的正常使用，因此不适宜应用于车辆上。泵组式的灭火系统适用于较大面积的厂房、车间或机动性比较强的环境。通过分析，选用高压氮气瓶作为灭火系统的动力源。

用于车辆的单个高压喷嘴的最大有效保护面积的直径为3m左右，根据现有车辆的长度（20m左右），具体布置如下：头车布置7个（司机室一个，客室6个）（图3），中间车客室布置7个，全车共布置喷组42个。每节车分别设置一个分区控制阀，控制本车的灭火系统。

（1）设备选型：根据列车的实际状况，整车配备一套瓶组式高压细水雾灭火系统，该套系统由1个高压氮气瓶（20MPa），3×50dm3水瓶（常压）。喷放时间为10 min。每个喷嘴的流量2dm3／min。每个头车配备一个控制器，作为整套系统的控制中心，每个车配备一个分区控制阀，控制本车的水流。图3为列车头车的布置方案。

（2）工作原理：列车火灾探测器一旦检测到列车出现火灾，会立即上传至TMS和细水雾灭火主控制器，司机根据列车的实际状况，判断是否应该启动细水雾灭火系统。当司机按下相应着火车厢的按键后，细水雾灭火系统启动工作。首先打开高压气瓶的单向阀，将高压气体冲入水瓶中，之后高压水流流向管网，同时打开分区控制阀水流，是一次性的，高压水流经过分区控制阀流向着火车厢的喷嘴，最终形成高压细水雾进行灭火。按照规定，水流和气体都是一次性释放完成，用完后需要及时补充。综合考虑到列车的实际状况，本套系统只具有扑灭一节车厢火情的能力（图4）。

图3 头车方案布置

图4 工作流程图

（3）安装位置：考虑到高压气体对人身的安全可能会存在一定的隐患，所以建议将该系统安装在车下，由于目前列车的编组形式基本为4M2T，考虑到车下布置空间、检修空间的有限，可以考虑安装于头车或将该系统根据实际的空间大小分组安装。

3 结束语

与地铁拥有诸多的优势相比，地铁火灾也具有鲜明的缺点：地铁内部封闭，物质不易充分燃烧，火灾时可燃物发烟量巨大，而烟雾的控制和排除都相当复杂；火灾温度上升快、峰值高；扑救困难，消防人员需要时间赶赴现场，而大型消防设备无法进入；群众消防意识淡薄，易恐慌，一旦发生火灾很难自救。

细水雾系统以其自身的灭火特性，能够快速的将火情扑灭，同时对乘客人身的安全没有任何的影响，即使在疏散的过程中也可以使用。细水雾灭火是一种安全、环保的灭火方式，完全可以应用在地铁车辆。细水雾灭火系统也有其自身的缺点，例如成本造价高，对水质要求严格，系统的专业性强。因此，在应用于地铁车辆的过程中，要综合考虑列车布置，火灾评估，成本，质量等因素，设计出一套合适的配置方案。

［1］梁 强.细水雾灭火系统及雾化喷嘴研究［D］.石家庄：河北工业大学，2005.

［2］杨 琦.高压细水雾灭火系统技术［J］.消防技术与产品信息，2003，（10）：11-14.

［3］田启东.细水雾灭火系统介绍.中国水运（学术版）.2007，（08）：59-60.