发动机热试台灭火系统的设计应用

王鹏，孙孝猛，常举，王静

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

引言

发动机试验台架对于汽车厂家和相关开发研究机构是十分重要的重点防火设备，为了极大水平缩减发动机热试台架火灾事故所造成的生命财产损失，同时根据测试设备的安全需要，对热试台架的灭火系统在工程设计中提出了更高的要求。

在本文研究的项目中，针对集装箱式发动机热试台架，通过分析具体的火灾隐患点和灭火要求，综合评价灭火系统方案，设计出既能达到高效灭火效果又符合经济性的方案来展开灭火系统的设计应用。

在实际工程设计中，通过报警探测器探测火情，控制系统根据警报分级处理以及配合设备自身的联动，充分发挥氮气细水雾灭火系统的最大能效。

1 热试台的火灾隐患点和灭火要求

要有针对性的应用热试台架灭火系统，需要先分析热试台架的火灾隐患点和灭火要求。

1.1 热试台的火灾隐患点

发动机热试台架是进行发动机性能以及可靠性等系列试验的场所[1]。本文涉及的热试台架为集装箱式，其主要设备有试验台架，测功机，试验控制系统，供油系统，送风排风系统等。发动机热试台架作为生产设备，其主要的危险源有以下几点：（1）发动机热试运行期间的燃油供给过程是否有泄露风险；（2）发动机长时间满载运行期间，在排气端如涡轮，三元催化器，排气管等零件部位形成高温炙热表面有引燃风险。发动机热试台架按照《建筑设计防火规范》GB 50016-2014[2]火灾危险性等级可定为丁类，需要自动灭火系统保证其安全运行。

1.2 热试台灭火要求

发动机热试台架的内部空间可以划分为操作间和测试间两个封闭空间。如图1所示，其面积分别为13.34m2和52.2m2，其中操作间内布置着用于控制发动机试验运行和对发动机状态实时录像的电脑；测试间内布置着测功机，传感器控制电柜，供油系统等，也是发动机进行热测试的场所。因此，按照《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013热试台架操作间和测试间均设计为报警区域和探测区域。对于测试间探测区域，因为存在电器系统的电柜、主轴传动的精密机械装置和发动机本身，所以灭火过程要避免大量水喷射的侵入，避免漏电风险同时是对机械设备使用寿命的保护。

图1 发动机热试台架的内部空间

2 热试台灭火系统方案设计

2.1 热试台灭火系统的选择

根据热试台架的火灾隐患点和灭火要求，考虑使用气体灭火系统和细水雾灭火系统。二氧化碳气体灭火系统和IG541气体灭火系统是比较常见的气体灭火系统，但是二氧化碳灭火系统在灭火过程中存在人员窒息风险而IG541气体为浸没式灭火，在较高的灭火剂比容时需要数量众多的IG541气瓶，增加造价的同时不便于存放。对于细水雾系统，目前使用比较广泛的是泵组式（10Mpa工作压力）高压细水雾灭火系统。这类高压细水雾系统，一般较多地应用于综合管廊，档案馆等较大区域灭火设施中，为了形成高压细水雾，使用的泵组和喷头造价昂贵。对此，本文针对发动机热试台架采用了一种两相流体喷射形成的氮气细水雾，其原理如图2所示。该系统由BMA警报控制器，200bar氮气瓶，去离子水罐，管路和喷嘴组成。BMA控制器在收到火警报警后，打开高压氮气瓶启动电磁阀1，氮气通过减压阀2，截止阀4进入去离子水罐 7，水罐内形成的高压作为动力，将去离子水推入罐底的管路，同时氮气通过截止阀3与去离子水在管路内混合形成7.5%-20%氮气质量分数的两相流体，最终通过喷嘴形成细水雾。

图2 细水雾灭火系统原理图

该灭火系统的优势是：（1）相比高压细水雾具备迅速冷却、隔离热辐射、冲击乳化、窒息等灭火原理[3]外，氮气的加入增加了细水雾灭火的稳定性和强度，可以更快地破坏火焰结构[4]。（2）由于氮气惰化了火场区域内的空气，使氧气浓度快速降低，又扩展了细水雾的灭火区域范围，从而抑制雾滴之间的碰撞聚合，减少雾滴沉降，最终实现迅速窒息灭火[5]。（3）该系统通过200bar氮气作为动力，避免了采购高压泵组的高成本，适合热试台架这类封闭小区域灭火。因此，本文采用的氮气细水雾灭火系统在缩减整体造价成本的同时提高了灭火效果。

2.2 细水雾灭火系统的方案设计

细水雾灭火系统喷嘴安装高度设计为 3m，采用 DN25管道，细水雾喷嘴设计工作压力P为14bar，流量系数K取值为0.7，因此细水雾喷头的流量q为：

细水雾系统的设计供给强度W为0.2Kg/（min·m3），设计保护区域为发动机热试台架测试间，其空间V为156.6 m3，因此，保护区域所需的喷嘴数量N为：

图3 发动机热试台测试间喷头布置图

如图3所示，在发动机台架上方，布置细水雾管路及12个喷嘴，每个喷嘴左右间隔1m，距离水平中心线0.9m。

3 热试台灭火系统的报警控制设计

3.1 热试台报警探测器的选型布置

根据热试台架火灾隐患点，需要温度，烟雾和火焰三种探测器，如表1所示选型。

表1 报警探测器选型表

测试间内进行发动机试验，为了避免尾气导致烟雾探测器误报，烟雾探测器避免布置在测试间。火焰探测器布置在测试间墙体两侧探测范围能够完全覆盖发动机，三元催化器，排气管，测功机，发动机点火控制电柜等重点监测部位。温度探测器布置在地板下方，主要用于检测燃油滴漏引发的火灾。操作间类似正常办公区域，因此在屋顶和地板下只布置烟雾探测器。根据传感器的探测范围，其热试台架布置如图4所示。

图4 发动机热试台报警探测器布置图

3.2 热试台报警控制逻辑设计

图5 热试台报警控制逻辑图

热试台在发生火情时，设计为预火警和主火警的二级报警机制。在预火警触发后，处在热试台操作工位的人员可以及时发现异常、检查设备情况并试图扑灭未形成明火的火灾，避免设备财产损失。而设备主火警能够针对突发火情实现零延迟开启细水雾灭火系统启动电磁阀。如图5所示，本文设计报警控制逻辑图，其中“&”表示“与”关系；“＞=1”表示“或”关系。由图可知，当任意两个温感探测到火情、两个火焰探测器探测到火情或一个火焰探测器一个温感探测到火情可以触发主火警；当任意一个温感、火焰探测器或烟感探测到火情，可以触发预火警；同时设计手动报警按钮可以直接触发主火警。预火警会触发喇叭发出警报，主火警在触发声光报警的同时会打开细水雾灭火系统启动电磁阀。此外，为了避免控制系统失效，实施对细水雾灭火系统气瓶的实时压力检测和警报控制系统的故障诊断。

3.3 热试台灭火系统与设备的联动

按照《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013中关于消防联动信号的规定，本文设计如表2所示，灭火系统与设备的消防联动安全矩阵。在预火警触发时，发动机测试试验停止，关闭响应燃油供给等装置，但保留测试台架供电和通风系统，为操作人员扑灭潜在火情提供条件；主火警触发时，在预火警联动基础上关闭设备通风系统和热试台架供电，为细水雾灭火系统启动做好准备。

表2 灭火系统与设备的消防联动安全矩阵

4 总结

在汽车发动机的热试台架工程建设中，自动灭火系统的高效性和低成本一直是工程设计人员的重要课题。本文通过对热试台架火灾隐患点和灭火要求的分析，创新性的设计应用了一种两相流体形成的细水雾灭火系统，在合理的管路喷嘴布置和报警控制设计下，实现了与设备的联动，保证该灭火系统可以有效的扑灭发动机热试台火灾。

目前本文中设计应用的热试台架灭火系统使用的封闭空间两相流细水雾灭火技术是一项新型、高效、绿色、低成本消防技术。本案例对各大汽车生产厂家和发动机研发机构今后类似的消防设施工程设计提供了非常重要的借鉴。