多功能消防水-烟灭火系统实验台开发及实验项目设计

徐 晖, 孙楠楠, 梁 强, 孙 磊

(中国人民武装警察部队学院 消防指挥系, 河北 廊坊 065000)

水灭火系统和排烟系统分别负担着初期火灾控制及烟气排除任务。水灭火系统根据水液滴粒径和工作压力的不同,可分为自动喷水灭火系统、水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统。排烟系统根据排烟方式的不同,分为自然排烟系统和机械排烟系统。火灾时,两系统往往同时工作,共同作用于同一场所[1-6]。在消防专业的本科教学中,水灭火系统和排烟系统是消防专业课程的重要内容,理论性和实践性均较强。实验教学作为教学环节的重要组成部分,能够培养学员理论联系实际以及提出问题、分析问题和解决问题的能力[7-8]。实验教学环节中实验台直接影响实验项目开发和实验教学效果。目前常见的灭火设施实验台是独立的小型灭火或排烟实验台,功能简单、类型单一,很难真实反应火场实际情况。为了提高消防火灾实验平台的系统性,本文设计开发了多功能消防水-烟灭火系统实验台,该实验台兼具灵活性和多功能性,能够同时实现各类水灭火系统和各类排烟系统,并在实验台的基础上开发了相关课程的教学实验项目。

1 实验台总体设计

1.1 主体结构设计

实验台模拟单独小室进行全尺寸设计。实验台主体框架尺寸为3.6 m×2.8 m×2.8 m,从正面按照逆时针方向编号,分别为正面为1号,右侧面为2号,正面的对面为3号,正面左侧面为4号,上面为5号,下面为6号。实验台设计图见图1，实景图见图2。

图1 实验台设计图

图2 实验台实景图

2号面墙设置一扇门,尺寸为2 m×0.8 m,位于2号面墙壁居中。在4号面墙壁设一扇窗户,尺寸为0.8 m×1 m,窗户距小室上沿0.3 m,左右居中,窗户开口能够手动调节大小。小室底部设排水孔两处,排水孔直径100 mm。5号顶棚面夹角处设置机械排烟口,排烟口直径400 mm。实验台主体框架采用中空的方形钢材,地面、顶棚以及各墙面全部采用铁板覆盖在框架之上,内部涂防火漆进行了防火处理。为了便于实验观测,实验平台的正面使用2块面积为1.8 m×2.8 m的防爆玻璃作为墙体。为了保证实验台内的亮度,靠近玻璃的2个墙角各设置一部具有防护性能的LED灯光。

1.2 水灭火系统设计

实验台灭火系统设计为多功能水灭火系统,可以实现水喷淋系统和细水雾灭火系统的转换,结合《建筑防火设计规范》(GB50016—2014)、《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084—2017)、《细水雾灭火系统技术规范》(GB50898—2013)等相关要求进行设计[9-11]。

1.2.1 水喷淋系统设计

水喷淋灭火系统主要由供水管路、灭火管路和喷头组成。供水管路采用水带,由消防实验室内的墙壁消火栓提供,水带一端接入墙壁消火栓,另一端接入实验台的卡口为喷淋供水。经测定实验室内墙壁消火栓未启泵时最大压力为0.28 Mpa,启泵加压时压力可达到0.8 Mpa,可以满足水喷淋灭火实验需求。水喷淋系统的管路参照防火设计规范的设计标准,主管管径为40 mm,支管管径为32 mm,主管道入口处为国标65消火栓卡口；管道上设有阀门和压力变送器各1个，以便实时掌握管道压力及喷淋压力。喷头设置在支管中央即房间水平方向的中央,3个喷头可控。连接喷头的管子为DN20,可经过安装变径实现标准型普通喷头、大水滴喷头或边墙型喷头的转换。

1.2.2 细水雾系统设计

细水雾系统的实现采用本课题组前期开发的“多功能高压单流体细水雾灭火实验装置”配合使用,通过转换高压供水软管和细水雾喷头形成适合本实验台的细水雾灭火系统[12]。细水雾灭火系统由移动式细水雾泵组、耐高压软管、固定管路和细水雾喷头等组成,细水雾实验装置如图3所示。细水雾泵组设计压力为0～12 MPa,流量范围为0～21 L/min,可满足实验工况和细水雾喷头产品报告中对工作压力的要求。

图3 细水雾实验装置图

1.3 排烟系统设计

排烟系统为多功能排烟系统,可以实现自然排烟系统和机械排烟系统的转换,结合《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251-2017)的相关要求进行设计[13]。

1.3.1 自然排烟系统设计

为了满足排烟工况实验要求,按照《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251—2017)规定:建筑面积小于等于500 m2的房间,设置有效面积不小于该房间建筑面积2%的排烟窗。实验台设置手动自然排烟窗，实现自然排烟,排烟窗最小有效面积应为3.6 m×2.8 m×2%=0.201 6 m2,故设置有效面积为0.8 m2(宽×高为0.8 m×1 m)的自然排烟窗,排烟窗距离房间上沿30 cm,窗口为左右拉动,可根据需求调整排烟窗面积。另外,设计房门作为自然排烟系统的补风口,其尺寸为0.8 m×2 m,位于2号面中间位置,如图1所示。

1.3.2 机械排烟系统设计

按照《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251—2017)规定: 建筑面积小于等于500 m2的房间,其排烟量不应小于60 m3/(h·m2)。实验台根据排烟工况要求,在房顶5号面与4号面夹角处设置固定消防排烟风机进行排烟。根据规范要求,实验台最小机械排烟量应为Q=3.6 m×2.8 m×60 m3/(h·m2)=604.8 m3/h,故实验台选取消防高温排烟风机实现机械排烟,排烟风机额定风量为6 000 m3/h。排烟风机的风量可通过变频器实现风量的调节,变频器采用德力西三相变频器,调频范围为0～50 Hz。

2 实验台测量参数及控制

2.1 火场温度测量

火场温度变化在一定程度上反应火灾发展的过程,是掌握火场特性的重要指标。实验台中布置多个热电偶树,每个热电偶树可在竖向每隔一定距离布置若干热电偶，见图4，测量不同高度处的火场温度。

图4 热电偶树布置示意图

热电偶选用K型铠装热电偶,探针长度为30 cm,测温范围0～1 100 ℃。为了防止水灭火系统的喷溅水滴溅到热电偶影响温度采集,探头上部设置防淋罩保护。热电偶数据配合多路温度采集仪进行采集,数据采集仪为64路德维斯R50B采集记录仪(见图5),采集仪数据可通过配套软件DataManagement导出并进行数据处理。

图5 温度采集记录仪

2.2 烟气浓度测量

实验台配备MRU公司生产的增强型电化学烟气分析仪(见图6),可测气体有O2、CO、NO、NO2、SO2和H2S。烟气分析仪内设有冷凝器和专用蠕动泵自动排放冷却水,设有新鲜空气阀,用于自动零点校正。烟气分析仪能储存8 500组数据,通过RS232通信接口可将数据传输至电脑中,可通过专用数据采集处理软件MRU Online View进行数据处理。

图6 增强型电化学烟气分析仪

2.3 能见度测量

火场的能见度严重影响人员疏散和救援行动开展,因此火场中能见度数据获取十分重要。实验台通过监测照度数据实现对火场能见度的测量。采用便携式LED点光源和泰仕TES-1336A型数位式照度计配合使用测量照度值。点光源能提供约4 000 Lx的稳定照度,照度计每2 s进行1次照度数据采集。

2.4 压力和流量控制

实验台中水喷淋灭火系统的压力和流量来自于室内消火栓,供水喷淋系统使用时压力需要减压,实验台通过减压阀和压力变送器进行压力和流量的调解和监测。压力变送器为美控进口扩散硅压力变送器,输出信号为电流,量程为0～0.6 MPa;数显为美控MIK1100智能数显,可以智能匹配多种信号输入,满足实验需求。实验台中的细水雾灭火系统压力来自于柱塞式高压水泵,通过相连的压力表和压力调节阀进行调解和控制,压力可控范围为0～12 MPa。

2.5 排烟机风量控制

实验台中高温排烟风机的风量通过变频器进行调节,变频器调频范围为0～50 Hz,排烟风机额定电压为380 V,额定风量为6 000 m3/h。为了在实验过程中对风量的控制更为准确,对风机进行风量标定。风机风量的标定采用点测量法,在风机的截面选取多个点,取平均值。根据所测得和计算出的风机频率与风机风量进行关系式拟合,得到风机频率f与风量Q的线性关系为Q=105.95f+128.33,如图7所示。通过上述方法,得到了变频器频率与风机风量的线性关系,可以根据实验中风机风量的设计值求出对应的频率,从而实现在实验过程中对排烟风机风量的控制。

图7 频率与风机风量的关系

3 实验项目设计与实践

该实验台主要为我校消防工程、消防指挥、抢险救援以及安全工程等专业的本科生及研究生课程的实验教学需求服务,为专业课程的实验教学提供实验平台和设备支持。针对上述专业的培养目标，为“建筑灭火设施”“火场排烟技术”“防排烟技术及工程”等课程开设5大类实验科目,见表1。

表1 实验项目设计表

3.1 火灾烟气特性和流动规律实验

本实验通过配套设置的摄像机、热电偶、数据采集仪器、烟气分析仪、照度计等测量仪器，测定烟气羽流的生成状态、烟气层颜色、烟气层高度、烟气层温度，以及烟气中的O2、CO、CO2浓度等参数。通过实验操作和数据分析,使学生理解火灾烟气的生成特性和颜色变化，并且掌握烟气层高度变化和烟气在单室内的流动及填充规律。另外,实验还可通过可燃物类型的转换,使学员理解烟气成分、毒性与物质组成之间的关系。本实验可作为“火场排烟技术”课程中火灾烟气特性章节的配套实验课程,主要增强学员对火灾烟气的直观认识,了解及掌握火灾烟气的相关特性,并为后续进一步开展排烟方式等课程内容提供支持。

3.2 排烟系统的排烟效果实验

本实验分为自然排烟系统效果实验和机械排烟系统效果实验两部分。通过配套设置的热电偶、数据采集仪、激光片光源、高速相机等仪器，测定烟气层温度、环境温度、烟气层高度、照度等参数。通过实验操作和数据分析,使学员理解自然排烟系统和机械排烟系统的排烟机理,掌握影响自然排烟系统和机械排烟系统排烟效果的主要影响因素,同时通过对两种排烟系统排烟效率的比较，使学员掌握机械排烟系统和自然排烟系统各自优缺点和设置部位。本实验可作为火场排烟技术课程中自然排烟系统和机械排烟系统章节的配套实验课程,主要作用是加深学员对两大排烟系统的认识,掌握各自的排烟效果和影响因素。

3.3 水喷淋灭火系统效果实验

利用实验台可开展水喷淋系统灭A 类火(固体火)的灭火效果实验。实验过程中可改变水喷淋系统的压力、流量、燃物种类及火源强度等工况条件,通过配套设置的热电偶、数据采集仪器、烟气分析仪、照度计等仪器，测定灭火时间(控火时间)、火场环境温度、能见度、烟气CO、O2浓度等参数。通过实验操作及数据分析,使学员理解水喷淋系统的灭火机理,掌握水喷淋系统的灭火或控火效果以及水喷淋系统灭火效果的影响参数。本实验可作为建筑灭火设施课程中自动喷淋灭火系统章节的配套实验课程,能够加深学员对水喷淋系统理论课程内容的理解和掌握。

3.4 细水雾灭火系统效果实验

利用实验台可开展细水雾系统灭A类(固体火)、B类(油火)、E类(电气设备火)等多类型火灾的灭火效果实验。通过配套设置的热电偶、热辐射计、数据采集仪、烟气分析仪、照度计等仪器，可测定灭火时间(控火时间)、火场温度、能见度、热辐射通量，以及烟气中CO、O2浓度等参数。通过实验操作和数据分析,使学员理解细水雾扑救火灾的灭火机理, 掌握细水雾扑救A、B、E类火灾的特点，以及细水雾系统灭火效果的影响因素。本实验可作为建筑灭火设施课程中细水雾灭火系统章节的配套实验课程,有助于加深学员对细水雾灭火系统的认识,实现理论知识与实践知识的结合。

3.5 水喷淋系统与排烟系统相互影响实验

本实验为水喷淋系统和排烟系统共同作用时的耦合影响实验。实验过程中改变水喷淋系统和排烟系统工况条件,通过配套设置的热电偶、温度采集仪、烟气分析仪、照度计、高速相机等仪器，测定灭火时间(控火时间)、烟气层温度、烟气层高度、能见度，以及烟气中CO、O2浓度等参数。通过实验操作和数据分析,使学员理解水灭火系统和排烟系统的相互影响关系,以及水喷淋系统和排烟系统共同作用对火场温度及烟气状态的影响规律。本实验可作为防排烟技术与工程研究生课程中火灾烟气控制基础理论章节的配套实验,有助于加深学员对火场烟气层温度和稳定状态对排烟效果影响的认识。

4 结论

本文设计的多功能消防灭火及排烟系统实验台可以为消防专业及安全相关专业的实验教学提供平台支持,实验台灵活性、适应性强,可实现多种水灭火系统和排烟系统的转换,能够开展水灭火系统、排烟系统，以及水灭火系统和排烟系统共同作用的相关实验，实现了由课堂教学向实验实训教学模式的转变,增强了课程教学效果,丰富了教学内容。另外,实验台还可开展各类开放性实验,为本科生科技创新以及高校教师的研究课题提供实验基础平台。