新一代地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术及其应用

文·图/史聪灵 李建 甘立平

地铁防灾系统是火灾发生时地铁安全的重要保障。中国安全生产科学研究院研发的地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术可以在地铁开通前，通过一次试验，检测地铁各防灾系统的联动情况、工作效果和可靠性。近年来，该技术和装置在第一代基础上又进行了升级，通过自动化、模块化、集成化设计，实现精确控制，目前已经在国内地铁广泛应用，效果良好。

近十年，我国地铁建设进入蓬勃发展阶段，各大城市地铁客流屡创新高，在城市交通中所占比重也越来越高。地铁在给城市带来便捷、节能、环保出行方式的同时，也存在着诸多安全问题，比如火灾、地铁出轨、人员踩踏等。随着我国地铁建设标准的逐渐完善，在地铁设计阶段就已经考虑应对以上灾害。如针对火灾，设计有火灾自动探测报警系统、环境与设备监控系统、综合监控系统、通风排烟系统、警铃、声光报警、防火卷帘、应急广播、乘客信息系统、站台门、疏散指示系统等防灾系统，这些系统的联合工作是火灾发生时地铁安全的重要保障。

然而，以上系统在设计和施工时，通常由不同单位执行，难以确保各系统能否协同有效工作。传统方法为：在开通前会开展联调联试，但由于联调联试大部分采取冷烟调试，无法模拟真实火灾，无法测试出真正的排烟效果。

为此，中国安全生产科学研究院研发了第一代地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术和装备。该技术采用固定面积的油池火来模拟火灾，采用燃烧烟饼的方式来模拟火灾烟气。该技术可以在地铁开通前，通过一次试验，检测地铁各防灾系统的联动情况、工作效果和可靠性。

近年来，中国安全生产科学研究院在第一代地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术的基础上，通过自动化、模块化、集成化设计，实现精确控制，研发形成新一代地铁防灾系统热烟测试技术和装置。核心装置包括：火源和发烟系统、流速测量系统、温度测量系统等。

图1 火源和发烟系统

图2 远程控制系统界面

火源和发烟系统

火源系统：采用自动化和模块化设计，由控制箱、燃烧器、空气箱、风机、燃料箱、远程控制系统等组成（见图1）。原理是通过可控流量的甲醇供应系统向燃烧器提供燃料，由可变转速的风机向燃烧器提供新鲜空气，甲醇在燃烧器输出口雾化燃烧，使得系统安全可控，通过精确控制燃料供应速度，控制燃烧曲线，可以实现MW 级的任意火源功率曲线的精确化输出。控制系统具备远程操作功能（见图2），响应速度50 ms，最远可在100 m 外远程操控火源系统启动、设置火源参数、关闭等，同时具备急停功能，确保现场检测安全。

发烟系统：首先通过点燃器点燃烟饼，再通过伺服控制系统控制旋转器动作，将点燃的烟饼注入燃烧仓。本装备可无极调速、精确控制烟饼注入量，实现不同材料发烟特性的模拟。

流速测量系统

针对楼扶梯、站台门洞、隧道断面等流速测量效率低下问题，研发了可拆卸式组合式阿牛巴流量计和大断面隧道流量计。

可拆卸式组合式阿牛巴流量计：基于阿牛巴流量计（是根据皮托管测速原理发展起来的一种新型差压流量检测式元件，它输出为差压信号，与测量差压的仪器仪表配套使用，可准确测量圆形管道、矩形管道中的多种液体、气体和蒸汽的流量）原理开发，由固定检测杆、连接检测杆、均流管等组成，可通过调整检测杆的组合，实现不同面积断面流速的一次性测量，测速范围0 ～30 m/s，可适用于楼扶梯开口、站台门等各类截面流速的测量（见图3）。

大断面隧道流量计：由支架、旋转轴、测量靶、驱动单元以及多个风速探头组成，测量靶安装在旋转轴上，并向隧道的径向延伸，多个风速探头均匀分布在测量靶上，由驱动单元驱动测量靶自动转动，可对隧道的整个截面形成风速的测量（见图4）。

图3 可拆卸式组合式阿牛巴流量计

图4 大断面隧道流量计

温度测量系统

温度测量系统包括分布式组网数字化温度测量系统和高温火焰辐射测温装置。

分布式组网数字化温度测量系统：主要用于现场烟气温度测量，由温度测量串、传输采集模块和数据采集软件等组成。可实现几千个测量点、数千米距离范围的同时组网测量，测温精度可达±0.1℃。

高温火焰辐射测温装置：主要用于现场火源温度测量，具有非接触、融合多通道信息、数字化、宽覆盖视场、宽动态范围、高温温度动态测量等特点，在2 000℃以上的测温范围内还能保持测温误差＜1%。

技术优势

相对于现有地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术，新一代技术和装备优势显著，主要体现在以下4 个方面：

精确化

新一代火源系统通过高精度传感器，精确控制燃料供应量，同时根据燃料供应量，通过可变转速的风机提供相应总量的新鲜空气，确保充分燃烧。通过精确化控制燃料供应量，可以实现MW 级的任意火源功率曲线的精确化输出。

传统地铁防灾系统测试中，采用人工测量单点流速的方式，存在测点位置不均匀、人工测量误差大等不足，可拆卸式组合式阿牛巴流量计采取均匀布置吸气点，一次性测量整个断面流速的方式，隧道大断面流速测量装置通过旋转测量靶的方式，对整个断面流速进行测量，可以有效减少人工误差、提升测量精度。

高效化

可拆卸式组合式阿牛巴流量计设置上百个测点，可实现对站台门洞和楼扶梯口断面流速、流量的整体测量，相对于传统人工单点测量，测量效率最高提升80 倍。

隧道大断面流速测量系统，通过测量靶自动旋转，快速对整个隧道断面流速进行测量，测量效率提升显著。

分布式组网数字化温度测量系统可实现几千个测量点、数千米距离范围的同时组网测量，有效解决了城市轨道交通防灾安全现场热烟测试的测量空间大、测点多、传输距离远等传统热电偶无法实现的难题。

自动化

通过远程控制系统设置烟饼注入速度、系统启停等，采取伺服控制系统控制发烟系统旋转器动作，将点燃的烟饼注入燃烧仓，全程为自动化控制，无需人工操作。

火源系统通过远程控制系统，可实现系统自检、点火、火源功率曲线设定、灭火、紧急关闭系统等操作。

安全

火源系统采用液体燃料雾化后燃烧，而非直接燃烧，通过精确控制雾化量，控制燃烧速度，可随时停止燃料供应，关闭燃烧系统。另外，远程控制系统设置急停按钮，紧急情况下可切断燃料供应，确保测试安全。通过精确控制新鲜空气供应量，提高燃烧效率，减少一氧化碳等不充分燃烧的产物。主体结构材料选用具有良好耐蚀性、耐热性、高温强度和机械特性的不锈钢材料，确保设备稳定。

图5 新一代地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术在宁波地铁的应用

应用案例

中国安全生产科学研究院正积极推广新一代地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术和设备，目前已经在宁波、广州等地铁先后进行现场应用。

根据测试规范要求，火源系统现场产生预设升功曲线的火灾，发烟系统根据设定的发烟速度自动发烟，温度测量系统自动测量和记录烟气温度和火焰温度，流速测量系统一次性对整个断面流速进行测量。

现场应用表明，自动化火源系统及发烟装置能够自动点火、自动发烟，能够产生用户需要的高温热环境，模拟所需的火灾功率曲线，能够根据用户需求调整产烟速度，模拟不同类型火灾。组合式阿牛巴断面风速测量装置能够一次性对整个截面进行测量，可增减检测杆数量，调整测量截面高度，调整测量杆长度，改变测量截面宽度，相比一代技术，可以实现楼扶梯、站台门等断面流速的快速测量，满足测试需求。温度测量系统可同时对整个车站温度场进行实时测量和记录（见图5）。

总体而言，新一代地铁防灾系统全尺寸热烟测试技术，通过模拟真实火灾，并采集各项指标参数，能准确对防灾系统防灾能力进行定量分析和评估，能精确、高效、自动检测地铁防灾系统的工作效果，且能确保测试安全。本技术在宁波地铁中应用情况良好，具备向全国推广的价值。[本文作者史聪灵、李建，单位系中国安全生产科学研究院交通安全研究所；甘立平，单位系四川法瑞检测设备有限公司。本文得到国家自然科学基金项目（51622403），中国安全生产科学研究院基本科研业务费专项（2019JBKY12、2019JBKY02），中国安全生产科学研究院“万人计划”入选人才特殊支持经费项目（WRJH201801）等项目资助，作者在此表示感谢。]