某火电厂集控室消防细水雾抑制火灾模拟分析

李彦平，吴伟康

( 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200333 )

0 引言

电力工程的集控室通过分散控制系统(distributed control system，DCS)和其他各类电力运行控制系统，实现电力设施集中调控和电力运行各系统工况的监测功能，是整个电力生产系统的控制中枢，在后续的电厂生产和运行阶段发挥着重要作用。集控室的消防安全是电力安全生产和运行的重点工作。

针对集控室电气设备多、人员密集和空间受限的特点，传统的水喷淋系统不适用于E类(电气)火灾。细水雾灭火技术由于其灭火特点，能够应用于各类火灾；细水雾在灭火中有烟气净化的效果，能够用于保护人员密集的工作场所。

细水雾灭火技术凭借着环保高效、耗水量少、烟气净化及破坏性小等优点，已成为当今最具潜力的环保高效型消防灭火技术之一，应用于各类工作场所。刘江虹等[1]通过三维测定细水雾灭火时的速度分布于雾滴大小的关联性，说明了细水雾与射流卷吸现象之间的关系。余明高等[2]通过对在受限空间内灭火实验温度场的分析，进行细水雾灭火机理的研究，得出使用细水雾灭火过程中的主要作用分为两个阶段：一是细水雾雾化对燃烧区的气相冷却作用和减弱热辐射；二是细水雾雾滴在落到燃烧物表面时表现出的冷却窒息作用。董希琳等[3]针对细水雾的作用建立了单雾滴运动的数学仿真模型，对细水雾雾场特性与火焰火羽的相互作用做出了说明。

杨立军[4]对细水雾雾滴的蒸发及吸热等进行理论分析，得出细水雾雾滴粒径越小，吸热蒸发越快，但并不表明灭火效能就越高。孙智灏等[5]研究添加剂对细水雾灭火增强作用及机理分析中得出，添加剂通过对细水雾的物理或化学强化作用，能显著提高细水雾灭火性能，缩短灭火时间，提升其灭火稳定性和降温效果。乔林等[6]利用火灾动力学仿真软件(fire dynamics simulator，FDS)模拟研究不同压力下细水雾对汽油池火的抑制过程，说明了压力与灭火性能之间的联系。这些研究表明，细水雾灭火技术是一项多机理、较为复杂的灭火技术，存在诸多的影响因素，其中，喷头压力和角度是细水雾灭火系统至关重要的参数。

本文以某火电厂建设工程集控室消防系统设计为例，利用PyroSim 火灾模拟软件建立实验模型，模拟分析在不同压力和角度下细水雾对T2模式自由火的抑制机理和过程，模拟结果能够为集控室消防设计和细水雾性能研究提供依据。

1 模拟模型设计

以某火电厂建设项目集控室消防系统设计作为工程原型，模拟模型设计受限空间无强制通风状态下的细水雾灭火。设置1 MPa、2 MPa和5 MPa 共3 个压力梯度，以及45°、60°和90°共3 个角度梯度。

1.1 模型参数

受限空间以GB/T 25207—2010《 火灾试验表面制品的实体房间火试验方法》[7]规定的标准试验房间为样板，空间尺寸为3.6 m×2.4 m×2.4 m；混凝土结构。火源为简化模型设置，尺寸为1 m× 1 m，位于房间地面几何中心，坐标为(1.8, 1.2, 1.2)，功率为500 kW/m2；消防喷淋头一组4 个，坐标分别为1 坐标(0.9,1.6, 1.8)、2 坐标(0.9, 0.8, 1.8)、3 坐标(2.7, 0.8,1.8)和4 坐标(2.7, 1.6, 1.8)，管网工作压力梯度设置为1 MPa、2 MPa 和5 MPa，相对于喷头所在平面角度梯度为45°、60°和90°。因模拟自然燃烧状态时，燃烧时间T=50 s 时，火焰火羽达到稳定燃烧状态，故关联控制的触发条件为T=60 s；墙上开一个敞开的门，开的门孔尺寸是0.8 m×0.2 m。为了降低门口气流对于室内火源的影响，将门口边界的计算区域扩大1 m，即开方面位于横向坐标X= -1 m 的平面。

模型场景布置和喷头角度布置如图1 所示。距火源以上每隔0.2 m 设置一个热电偶(thermocouple，THCP)， 分 别 用THCP1 ～THCP10 表示，用于测量空间的温度分布，计量单位为℃，热电偶从下往上的编号依次是1、2、…、10。CO 和O2的体积分数探测器设置在距火源2.2 m 处，测量单位为mol/mol。热流量和质量流量探测器放置在模型门口中心处，用于测量通过门的热流量和质量流量，计量单位分别为kW/m2和kg/s。

图1 模型场景布置和喷头角度布置图

1.2 细水雾喷头参数设置

细水雾喷头参数设置见表1 所列。采用全淹没开式细水雾灭火系统，喷头类型为实心锥型，孔径约3.0 mm。

表1 细水雾喷头参数设置表

1.3 模型试验方案

本次模拟采用的模拟试验方案编号详见表2 所列。通过做一系列的平行试验，比较和分析模拟结果中的相关参数，得出细水雾灭火性能差异结论，并给出评价。

表2 模拟试验方案编号表

本文模拟在该受限空间模型的灭火条件下，通过改变细水雾灭火的相关参数，分析其对灭火性能的影响，得出模拟试验条件下，灭火性能最佳的细水雾压力、角度和模拟对象的烟气运动、火焰温度分布、烟气中O2和CO 体积分数、灭火时间以及灭火用水量等参数。

2 同角度、不同压力下的灭火性能模拟分析

自由燃烧的基础上，添加一组4 个的细水雾喷头。设置相对于细水雾喷头所在平面的同角度下，用不同的工作压力实现细水雾灭火性能模拟。

2.1 喷头角度为45°时的模拟燃烧及分析

热电偶设置得较多，从空间内温度变化来看，在整个灭火过程中，THCP1 测量的温度基本与火源温度保持一致，THCP4 测点处于火源外焰中心偏上的位置，曲线波动太大，THCP8 ～THCP10 测量的温度在释放细水雾的瞬间降低，然后趋于平稳。喷头角度为45°，选择有代表性的THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 这4 个热电偶分析模拟结果，热电偶的温度随时间的变化曲线如图2、图3 所示。

图3 热电偶THCP5和THCP7的温度曲线

图2 和 图3 分 别 是THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 在喷头角度为45°时自由燃烧状态、1 MPa 低压细水雾、2 MPa 中压细水雾、5 MPa 高压细水雾的温度变化曲线。从图2和图3 可以看出，在60 s 之前，每个热电偶的温度变化曲线基本相同。在T= 60 s 时释放细水雾，各个热电偶的温度曲线都表现出降低趋势。总体来看，细水雾释放后，温度曲线表现出降低、升高和再降低3 个阶段。结合细水雾灭火机理来看，正好对应细水雾灭火过程的喷雾初期抑制阶段、火焰强化膨胀阶段和细水雾再次抑制阶段3 个阶段。

从灭火时间看，高压水灭火用时最少，中压水次之，低压水最长，甚至还存在复燃情况。以THCP2 为例，用高压水在T= 135 s 时，火源熄灭；中压水在T= 171 s 时，火源熄灭；释放低压细水雾火焰温度始终大于75 ℃，即灭火失败。

气相组分变化曲线如图4 所示。

图4 空间CO和O2体积分数变化曲线

从图4 可以看出，在整个灭火过程中，造成CO 浓度增加的原因是：当释放细水雾后，由于水雾的蒸发吸热和屏蔽热辐射的作用，使得周围的O2浓度降低，造成不完全燃烧，且冷却和隔绝越明显，产生的CO 越多。O2浓度约为0.21 mol/mol 的正常含量，在T= 75 s 时达到了稳态。由于细水雾的窒息作用，火源周围的O2浓度越来越低，所以1 MPa、2 MPa 和5 MPa 这3 种工况下表现出相同的变化趋势，最大降低至0.10 mol/mol 左右。

2.2 喷头角度为60°时的模拟燃烧及分析

在维持火源功率、细水雾释放压力不变的情况下，只将喷头角度改为60°，模拟燃烧分析。

在T= 60 s 时释放细水雾，温度—时间曲线都有很大的波动；在T= 80 s 左右时，均高于自由燃烧，相比较45°工况时，不稳定性更高，变化趋势仍然呈现出“降低—升高—再降低”的趋势。从最终的结果来看，火情得到了控制。

从灭火时间看，高压水灭火用时最少，中压水灭火用时次之，低压水灭火用时最长。以THCP2 为例，用高压水在T= 126 s 时，火源熄灭；中压水在T= 148 s 时，火源熄灭；低压细水雾同样灭火失败。

2.3 喷头角度为90°时的模拟燃烧及分析

喷头角度为90°时，模拟燃烧分析如下：在T= 30 s 左右时，火焰温度出现了波动，在预定的T= 50 s 时，火源达到了稳定燃烧状态。同样，在T= 60 s 后的温度—时间曲线都产生了较大幅度的降低，但是也有波动，其波动幅度远小于60°工况时的波动幅度。

从灭火时间看，高压水用时最少，中压水次之，低压水最长。同样以THCP2 为例，用高压水在T= 121 s 时，火源熄灭；中压水在T= 141 s 时，火源熄灭；低压细水雾在T= 191 s 时，火源熄灭。

2.4 同角度、不同压力下的模拟结果

本节分析每个角度系列不同工况下THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 这4 个不同高度热电偶的温度曲线图，CO、O2在受限空间里离火源2.2 m 处的体积分数随时间的变化曲线，各工况下灭火时间、用水量、CO 体积分数和O2体积分数的模拟结果详见表3 所列，灭火失败和成功的比例为2∶7。

表3 同角度、不同压力下的模拟结果

模拟试验得出：通过门的热流量在火源燃烧前期均呈逐渐增大状态，自由燃烧时，热流量数值约为-215 kW/m2。而在其他工况下，细水雾的流动和门外环境达成了对流状态，进门和出门的热量几乎相当。在高压工况下，窒息等作用更明显，波动幅度更大。

通过门的质量流量在火源燃烧初期，流出门的物质占大多数；而随着燃烧的进行，进出门的物质达到平衡，在释放细水雾后的10 s 内，流进门的物质急剧增大；后面随着燃烧的继续进行，进出门的物质流量达到了稳态。

3 同压力、不同角度下的灭火性能模拟分析

为了较完整地开展细水雾灭火性能模拟试验，在前面测试试验的基础上，再设置一组系列试验，即：以不同的角度作为变量，在相同释放压力的条件下，进行模拟试验。

3.1 细水雾释放压力为1 MPa时的模拟燃烧及分析

如图5、图6 所示：在T= 60 s 释放细水雾后，温度曲线出现降低，但是效果不是很明显；而释放角度为60°的细水雾释放后，温度曲线出现很大的波动。可以得出：1 MPa 低压情况下，45°和60°细水雾灭火均失败。90°细水雾释放后的T= 191 s 时刻，灭火成功。

图5 热电偶THCP2和THCP3的温度曲线图

图6 热电偶THCP5和THCP7的温度曲线图

细水雾释放角度为60°时，出现火源形态波动幅度过大，原因可能是火源面积过大。在该工况下，细水雾中心线交点正好在火源中心点，再加上水压较低，所以在释放过程中，细水雾可能会起到促进作用，致使温度上下波动幅度过大。可见，高压细水雾比中压、低压细水雾的灭火效率更高。

为分析细水雾释放压力为 1MPa 下的气相、固相组分变化情况，对该有限空间内CO 和O2体积分数进行测量，测量结果如图7 所示。

图7 1 MPa细水雾释放压力下空间CO、O2体积分数曲线

模拟曲线图显示，自由燃烧情况下的CO体积分数为7.3×10-5mol/mol，在1 MPa的情况下，细水雾释放角度为45°时，灭火过程中的CO 体积分数约为1.2×10-4mol/mol；释放角度为60°时，CO 体积分数为1.4×10-4mol/mol；释放角度为90°时，CO 体积分数为1.6×10-4mol/mol。同压力的条件下，细水雾释放角度为90°的情况下要比45°和60°产生的CO 较多，即：细水雾释放角度90°比45°和60°情况下的隔绝氧气作用更明显，产生的不完全燃烧占比更高。

燃烧初期，空间内的O2浓度约为0.21 mol/mol，且降低得较缓慢。而在T= 60 s 之后，O2浓度降低明显，稳定数值约为0.168 mol/mol。45°灭火过程中的O2体积分数约为0.12 mol/mol，有轻微的抖动；60°灭火过程的O2体积分数为0.10 mol/mol，抖动的幅度比较大；90°的O2体积分数约为0.107 mol/mol，特征曲线较为平稳。

运用同样的模拟试验方法，细水雾释放压力为2 MPa 和5 MPa 时，对该有限空间内模拟燃烧和结果进行分析。结果如下：

1)细水雾释放压力为2 MPa 时，释放细水雾后，3 种工况的细水雾均起到了灭火作用，90°在T= 142 s 时扑灭；60°在T= 148 s 时扑灭；45°在T= 175 s 时扑灭。

2)细水雾释放压力为5 MPa 时，释放细水雾后，3 种工况的细水雾均起到了灭火作用，90°在T= 118 s 时扑灭；60°在T= 128 s 时扑灭；45°在T= 135 s 时扑灭。

3.2 同压力、不同角度下的灭火模拟结果

本节主要模拟细水雾在相同释放压力、不同释放角度下的灭火性能，得到每个角度系列不同工况下的THCP2、THCP3、THCP5 和THCP7 这4 个不同高度的热电偶温度曲线，CO、O2在受限空间里离火源2.2m 处的体积分数随时间的变化。其中，各工况下灭火时间、用水量、CO 体积分数和O2体积分数等模拟结果详见表4 所列。

表4 同压力、不同角度下的模拟结果汇总表

模拟试验得出：通过门的热流量在火源燃烧前期均成逐渐增大状态，自由燃烧时，热流量数值约为-215 kW/m2。释放细水雾后明显降低，45°工况下的热流量为-48 kW/m2；60°工况下的热流量为-40 kW/m2；90°工况下的热流量约为-20 kW/m2。在同压力的条件下，90°工况下的冷却作用最好。

通过门的质量流量在火源燃烧初期，流出门的物质占大多数；随着燃烧的进行，进出门物质达到平衡，在释放细水雾后的10 s 内，流进门的物质急剧增大，质量流量波动幅度为0.5 kg/s；后面随着燃烧的进行，进出门物质流量达到稳态。

4 结语

模拟试验结果表明，在以GB/T 25207—2010 规定的标准试验房间为样板的试验条件下，细水雾释放压力越高，灭火效果最佳；喷雾与火源外焰、内焰中心线重合时，灭火效果最佳。

本文取得的研究结论如下：

1) 2 MPa 中压和5 MPa 高压细水雾均灭火成功，且整个灭火过程可以分为3 个阶段，而1 MPa 低压细水雾灭火失败，原因是细水雾喷雾强度不够，水量偏少；

2)同压力下，喷雾角度为90°条件下的灭火效果比45°和60°情况下的灭火时间短，火焰温度波动小，灭火效果最好。其可能原因是喷雾角度为45°时，喷射细水雾的中心线对准的是火焰外焰，火焰上部和底部隔绝效果不理想；喷雾角度为60°时，喷射细水雾的中心线对准火焰底部的内焰部分，因此，火焰中焰和外焰区域也不能很好隔绝氧气，所以会出现温度曲线波动幅度较大的现象；

3) 同角度下，5 MPa 高压细水雾比2 MPa 中压和1 MPa 低压的细水雾灭火时长短，灭火效果更好。主要原因是高压细水雾比低压和中压细水雾的水雾特性更佳，雾化效果更好，冷却和窒息效应更明显；

4)由于细水雾灭火时的窒息效应，细水雾释放后，空间内的O2体积分数比自由燃烧降低得更快。同时，空间内的CO 体积分数比自由燃烧时会更高，其主要原因是不完全燃烧造成。细水雾窒息效应越明显，周围O2浓度越少，不完全燃烧组分越多，而且压力越高，此现象越明显；

5)从压力的角度看，低压细水雾灭火时间久，不利于紧急扑灭火灾；高压细水雾耗水量大，对保护对象的冲击大，运行成本高；而中压细水雾具有灭火效率高、消耗的水量少等优点，适合消防自动灭火的推广。从喷射角度方面看，喷射角度为45°的灭火时间稍长；喷射角度60°的火焰温度波动很大，可能引发其他可燃物着火；喷射角度为90°的细水雾具有覆盖面积大、灭火过程中火焰温度平稳的优点，适合作为集控室的自动灭火喷头参数。

在实际运用场景中，可以根据集控室内各类电气设备布局，统筹设计细水雾灭火系统布局。在模拟试验中，建议细水雾释放压力为中压水雾，喷雾角度与电气设备垂直布置。