烟草高架仓库多设备耦合火灾预警试验研究

王笑非，王静舞，刘志宏，叶 瑾，郑晓东

1. 清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601；2. 中国烟草总公司云南省公司，云南 昆明 650011

0 引言

随着经济建设高速发展，烟草企业生产规模不断扩大，烟草仓库储存量大、单位价值高，烟草企业安全生产对消防设施建设与管理提出新要求，研究烟草仓库火灾烟气蔓延规律，提升火灾自动报警系统的有效性具有重要意义。前人对烟草燃烧特性进行了深入研究，王孝峰等［1-2］开展了烟丝热解模拟试验，得到烟丝质量损失速率随温度变化趋势；戴玉洁等［3-4］采用热分析联用技术研究烟草热解行为，得到热重曲线（TG）与微商热重曲线（DTG）。烟叶燃烧初期为热解产烟，在高密度集中堆放仓库里难以发现，一旦进入火灾快速发展阶段，容易酿成大灾。朱国庆等［5］利用FDS 软件模拟卷烟制丝车间火灾，验证了卷烟制丝车间火灾模型为慢速t2火，起火后40 min内不影响钢结构屋顶安全；侯立萌［6］通过开展全尺寸试验研究了细水雾对烟叶仓库火灾的抑制作用，结果表明火源位于底部或侧面时灭火效果较好，火源位于纸箱夹缝间时灭火效果较差。许多研究表明，有效的火灾自动报警系统可以将火灾控制在初期阶段［7-9］。辛雪梅［10］根据烟草储存的火灾危险性和高架库的火灾特点，提出烟叶醇化高架仓库的火灾自动报警系统设计方案；曾祥文［11］为解决卷烟仓库火灾自动报警系统报警不及时、故障多、误报多、设备腐蚀严重等问题，提出火灾自动报警和消防联动系统设计新方案并通过可靠性检验；邹军［12］分析了烟草企业火灾自动报警系统误报率高的原因，总结了误报警的处理流程，最大限度降低误报率。火灾自动报警系统受环境因素影响易被腐蚀，干扰因素多，造成有效性低、报警不及时，是烟草仓库火灾防控重点问题之一［13-16］。但前人对烟草仓库自动报警系统有效性研究较少，而且多为定性分析，缺乏试验验证和定量分析。本文利用1∕4缩尺寸模型，分析在特殊遮挡结构微元和不同火源位置条件下火灾早期温度和烟气分布规律，研究其对火灾早期报警的影响，提出适应于烟草企业特性和火灾特性的火灾自动报警系统优化布置方案。

1 研究方法

1.1 模型设置

烟草货架由32 组宽0.6 m、高5 m、长2.68 m 的钢架组成，分为9 层。一列货架由8 个钢架组成，总长21.5 m，货架按照单列（左）—双列（中）—单列（右）分布，中间留有0.75 m 宽的过道，货架与墙体（可移动墙体）之间预留安全距离0.4 m。模拟货物采用货箱纸板制备，并在货物表面喷洒水系灭火剂，防止高温烟气引燃周围货物。

烟叶燃烧装置采用电炉加热烟包，电炉最大功率为2 000 W，最高温度700 ℃，为保证电炉热量只用于加热烟叶，采用隔热棉包裹电炉外表面。试验前使用DHG-9240A 鼓风干燥机将烟叶干燥4 h后作为试验原料。试验采用精度为0.1 g梅特勒MS 系列电子天平对烟叶燃烧时质量损失变化进行实时测量，最大称重为16 kg。温度测量系统由JK4000多路温度巡检仪、串口和K 型铠装热电偶等组成，热电偶测量范围为0～800 ℃，测量精度为±（读数值×0.5%+1）℃。试验设置12 个热电偶树，共70 个测点（包括环境温度测点）。

火灾探测器布置如下：（1）分布式光纤线型感温火灾探测器ZD-4C直线、正弦波形敷设在货架侧，根据烟草仓库火灾自动报警系统调研现状，设定动作温度为40 ℃，动作温升为8 ℃·min-1，定位精度0.5～1 m。（2）线型光束感烟火灾探测器JTY-HM-GST102和火灾报警控制器JB-QB-GST200采用3个发射端、3 个反射板，布置于走道中心顶棚下0.5 m 处、走道贴近第4 层货架高度处（与货架水平距离0.08 m），灵敏度为30%。（3）吸气式感烟火灾探测器CCD-180-DP0 结合规范要求和烟草仓库空间特征，采用货架水平分层、过梁处布置方式，探测器主机装于货架尾端，开孔间隔2 m，采样孔孔径3 mm，根据《吸气式烟雾探测火灾报警系统设计、施工及验收规范》（DBJ 01-622-2005），空气采样管网设计满足采样孔的平衡度大于70%，气流分配率大于70%。（4）烟雾、火焰、热成像探测三合一图像型火灾探测器安装于端墙走道中心位置距离顶棚1 m 处。试验使用视频监控系统对试验区域进行监测。

1.2 工况设计

为研究烟气在货架侧、走道侧的蔓延规律和温度时空分布，试验选取中间货架—底层货物—列中间、中间货架—底层货物—列末端、中间货架—顶层货物—列中间、中间货架—顶层货物—列末端、侧边货架—底层货物—列中间、侧边货架—底层货物—列末端、侧边货架—顶层货物—列中间、侧边货架—顶层货物—列末端等8 处为火源位置。针对不同火源位置开展重复性试验，两组试验不同温度测点误差在1 ℃以内，则认为该试验结果可靠。否则，重复做一组试验，取三组重复试验中不同温度测点误差不超过1 ℃的两组作为可靠试验结果。

在不同火源位置条件下，分别以探测器类型、阈值和布置位置进行工况设计，具体试验工况见表1。

2 结果分析

2.1 温度时空分布及烟气蔓延行为

2.1.1 温度时空分布

由图1、图2 可知，烟叶阴燃时，点火后60 s 火源位置货架上层温度出现明显温升，最高升至41 ℃，火源位置货架层外侧、内侧及相邻货架层几乎无温升。烟叶燃烧出现明火时，因受火焰影响火源位置货架上层温度迅速升高，30 s内温升达到30 ℃，由于空气不足，明火难以维持逐渐熄灭，转为阴燃后温度快速下降至70 ℃左右浮动。火源位置及相邻上层货架的内侧、中间、外侧有温度浮升，但温升范围较小，不超过3 ℃。

图1 烟叶阴燃时温度分布

图2 烟叶燃烧出现明火时温度分布

2.1.2 烟气蔓延行为

图3 至图6 为火源位于货架底层时的烟气蔓延行为，烟气在密度差和温差影响下竖向蔓延快速撞击上层货架层，因烟囱效应作用，烟气在货箱与货箱、货箱与货架之间狭小缝隙中横向蔓延较弱。部分烟气从无货物遮挡的货架空隙中竖直上升至高层货架层（图3至图6中黄色箭头标识），部分烟气外溢至走道侧越过货架挡板上升至高层货架层（图3 至图6 中红色箭头标识）。由于空气不对称卷吸作用，烟气始终紧贴货架外表面竖向蔓延，走道侧未形成明显烟气羽流。烟气竖向蔓延撞击顶棚后向四周径向扩散（图5 中橘色箭头标识），因顶棚射流在货架与顶棚间大量卷吸空气，烟气流量增大，烟气层下表面高度下降。当火源位于侧边货架时，受端墙和顶棚夹角遮挡作用，烟气在墙角汇聚，近墙侧一端形成反浮力壁面射流。当火源位于货架末端时，因货架与端墙间大片空气流动区域，烟气与空气接触范围更大，卷吸作用更强，烟气在中高部位出现明显横向水平扩散（图5中绿色箭头标识）。

图3 火源位于中间货架—底层货物—列中间时烟气蔓延行为

图4 火源位于侧边货架—底层货物—列中间时烟气蔓延行为

图5 火源位于中间货架—底层货物—列末端时烟气蔓延行为

图6 火源位于侧边货架—底层货物—列末端时烟气蔓延行为

图7至图10为火源位于货架顶层时的烟气蔓延行为，在无货物、货架等遮挡作用下，烟气羽流呈V字形竖向蔓延（图7 至图10 中黄色标识），并快速撞击顶棚形成顶棚射流（图7 至图10 中橘色标识），受空气卷吸作用，烟气层下方出现弥散（图7至图10中绿色标识）。当火源位于货架末端时，因顶棚和侧墙、端墙形成的夹角遮挡作用，以及高温烟流火风压的影响，火源近墙侧形成储烟区域（图7至图10中紫色标识）。

图7 火源位于中间货架—顶层货物—列中间时烟气蔓延行为

图8 火源位于侧边货架—顶层货物—列中间时烟气蔓延行为

图9 火源位于中间货架—顶层货物—列末端时烟气蔓延行为

2.2 火灾报警响应情况

线型感温火灾探测器货架侧直线敷设时，最快响应时间为244 s，正弦波形布设时，响应时间范围为152～240 s。

线型光束感烟火灾探测器位于走道中间顶棚下0.5 m 处响应时间范围为304～453 s，位于走道贴近第4层货架0.08 m处响应时间范围为208～342 s。

当采样管水平分层布置时，吸气式感烟火灾探测器在复杂环境—气流常规条件下响应时间范围为28～80 s，在普通环境—气流灵敏条件下响应时间范围为31～248 s。当采样管在过梁处布置时，吸气式感烟火灾探测器在复杂环境—气流常规条件下响应时间范围为47～124 s，在普通环境—气流灵敏条件下响应时间范围为284～488 s。值得注意的是，不同火源位置和采样管布置位置可能使吸气式感烟火灾探测器报警响应时间范围较大。由烟气蔓延行为可知，当火源位于底层时，由于货架、货物的遮挡，烟气受不对称空气卷吸作用，当火源位于顶层时，烟气在顶层货物与顶棚之间大片空间里无遮挡扩散蔓延，受空气卷吸作用较强，更易出现烟气弥散，更难探测。另外，当火源位于底层时，烟气至采样管的蔓延途径相比火源位于顶层时更短一些（相差不超过0.38 m），更容易早期触发报警。

图像型火灾探测器当灵敏度为1 级时响应时间范围为38～329 s，当灵敏度为2级时响应时间范围为39～348 s。值得注意的是，不同火源位置和烟叶燃烧形式可能使图像型火灾探测器报警响应时间范围较大。由烟气蔓延行为可知，当火源位于底层时，由于仓库内货箱、货架等形成特殊遮挡条件，图像型火灾探测器难以探测报警；当火源位于顶层时，烟叶燃烧出现明火，图像型火灾探测器立即发出报警，烟叶燃烧为阴燃时，烟气易出现弥散现象，燃烧产生的温升更小、温升范围更小，更难探测。

多参数探测火灾自动报警情况见表2，考虑不同火源位置和烟叶燃烧形式，基于火灾自动报警系统安装位置、阈值设置等，提出线型感温火灾探测器、线型光束感烟火灾探测器、吸气式感烟火灾探测器和图像型火灾探测器的两两组合方案。在单个报警和耦合报警模式下，根据6 种方案火灾早期报警响应时间平均值、最大值、最小值、中位数和标准差可得，方案2和方案6报警响应时间平均值和中位数相较于其他方案为最小且接近，方案2 标准差最小，表明其响应时间较短，响应有效性受火源位置和燃烧形式影响相对较弱，响应性能较为稳定。但方案6在耦合报警模式下标准差偏大，表明其响应有效性受火源位置和燃烧形式影响较大，其只在火源位置无遮挡条件下可取得有效报警响应，仅适用于无明显遮挡场景。在单个报警模式下，方案4 报警响应时间平均值和中位数较小且较为接近，但其标准差较大，在耦合报警模式下，方案4 报警响应时间特征数偏大，表明其响应时间波动性大，响应性能受火源位置和燃烧形式影响较大，更适于阴燃产烟较多、烟气易集聚场景。方案1 和方案5 报警响应时间平均值、中位数和标准差较大，表明其响应时间相对更长，对火源位置、燃烧形式等影响因素敏感性较强，且方案5 只在火源位置无遮挡条件下可取得有效报警响应，仅适用于无明显遮挡场景。方案3 响应时间相较于其他方案受火源位置和燃烧形式影响最大，在火灾早期，烟叶阴燃时温度较低、温升较缓慢，未达到线型感温火灾探测器动作阈值，未发出报警响应；烟叶明火燃烧时温度较高、温升较快，线型感温火灾探测器可快速有效响应。火源位于货架底层时，由于仓库内货箱、货架等形成特殊遮挡条件，图像型火灾探测器无法实现响应。因此，方案3 在特殊场景下存在探测盲区，只适用于易产生明火燃烧、无明显遮挡场景，环境适应性较差，响应性能不稳定。

表2 多参数探测火灾自动报警系统方案

3 结论

通过1∕4 缩尺寸烟草高架仓库火灾自动报警系统有效性试验，分析了烟草高架仓库货架及货物等形成的特殊遮挡结构微元对火灾早期烟气蔓延规律的影响，提出6 种火灾自动报警系统组合方案，并对其有效性进行分析。结论如下：（1）火源位于底层时，由于走道侧的不对称卷吸，烟气在竖向蔓延过程中紧贴货架及货物侧面，产生类似“墙边火”的卷吸模式，且受狭缝形成的烟囱效应影响，横向蔓延进入货架及货物水平夹缝的烟气同时快速向上蔓延，最终在货架过道内未出现成形的烟气羽流，竖向蔓延的烟气撞击顶棚后径向蔓延，撞击端墙后烟气贴壁下沉，形成反浮力壁面射流。火源位于顶层时，在无货物、货架等遮挡情况下，烟气羽流呈V 字形竖向蔓延，烟气撞击顶棚后形成顶棚射流，顶棚、端墙、侧墙形成特殊遮挡结构微元，加上高温烟流形成火风压，造成烟气停滞和节流作用，特殊遮挡结构微元的空腔成为储烟区域，烟气与空气温差和密度差较大，浮升力较强，火灾早期未出现烟气下沉（反浮力壁面射流）。（2）线型感温火灾探测器+吸气式感烟火灾探测器组合方案和吸气式感烟火灾探测器+图像型火灾探测器组合方案的响应时间较短，线型感温火灾探测器+吸气式感烟火灾探测器组合方案响应有效性受火源位置和燃烧形式的影响相对较弱，响应性能较为稳定，但吸气式感烟火灾探测器+图像型火灾探测器组合方案只适于无明显遮挡场景。线型光束感烟火灾探测器+吸气式感烟火灾探测器组合方案响应时间波动性大，响应性能受火源位置影响较大，更适于阴燃产烟较多、烟气易集聚场景。线型感温火灾探测器+线型光束感烟火灾探测器组合方案和线型光束感烟火灾探测器+图像型火灾探测器组合方案响应时间相对更长，对火源位置、燃烧形式等影响因素的敏感性较强，且线型光束感烟火灾探测器+图像型火灾探测器组合方案只适于无明显遮挡场景。线型感温火灾探测器+图像型火灾探测器组合方案在特殊场景下存在探测盲区，只适于易产生明火燃烧、无明显遮挡场景，环境适应性较差，响应性能不稳定。