近年来, 随着大批高铁线路的开通运营, 我国铁路的运输管理模式正在发生变革。传统客货混跑低速线路的调度指挥体系已难以满足高速运输系统的指挥需求, 为此需在全铁路范围内建设新型调度指挥机构及系统。在初期建设阶段, 以前铁道部调度所、北京调度所、上海调度所、广州调度所、武汉调度所5个工程项目为主。

运营调度系统为高铁运输组织指挥的中枢系统, 在高铁系统中具有最为重要的地位和作用, 因此调度所指挥中心的安全运营显得尤为重要。在消防设计方面, 由于指挥中心设有超高大空间的调度大厅, 并设有大量电子设备, 现行规范对该类场所的消防灭火系统设计指导有限, 具体设计依赖于设计者的进一步分析把握。该类建筑通常设有超大规模DLP背投式大屏幕, 其中北京、武汉调度中心大屏均是目前为止亚洲最大的DLP拼接显示大屏, 作为局部密闭空间, 设备具有整体造价高, 设备本身 (投影灯) 发热量大等特点^[1,2]。

火探管式自动探火灭火装置在数据机房^[3]、电厂^[4,5]等工程应用较多, 但是应用于调度中心大屏幕等密闭空间的研究鲜有报道。冉鹏等^[6]介绍了火探管式自动探火灭火系统的原理和系统特点, 并给出了在数据机房的应用实例。石慧岗等^[7]介绍了七氟丙烷火探管式自动探火灭火系统在典型密闭空间大屏幕的工程案例, 但是并未对灭火剂的选择、灭火机理和烟气组分进行研究。

本文介绍了应用于铁路指挥调度所的火探管式自动探火灭火装置火灾实体试验, 对七氟丙烷和二氧化碳作为灭火剂时的灭火效果、火灾发展规律、烟气组分分布进行了详细的研究, 并验证了火探管及时动作的有效性, 提高了该类工程设计的科学性和适用性, 也可为后续指挥中心类建筑提供标准性、示范性和推广性的消防灭火系统设计经验。

试验在武汉铁路局客运专线调度楼工程建设指挥部进行。

试验材料采用工程实际使用的中达电通股份有限公司的80英寸 (1英寸=2.54cm) 机箱, 如图1所示。

试验火源采用油浸的电缆。在火探管周围位置布置火源1, 为验证火探管式自启动灭火系统对空间其他位置火点的灭火效果, 设置火源2, 布置位置如图2所示。

测试指标主要为温度和烟气组成。试验采用点式热电偶测量玻璃周围空气温度, 热电偶采用K型铠装镍铬-镍硅热电偶, 其测温范围为0~1 300℃。每5s采集数据并自动保存结果。采用烟气分析仪进行烟气组分的测定, 可测量的烟气指标有氧气、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、氮氧化物和二氧化氯。

热电偶布置如下:试验大屏幕空间内, 在大屏幕的前部投影平面顶部 (测点3) 、底部 (测点2) 和后侧的盖板位置底部 (测点1) 布置测点, 并在前部投影平面远离火源位置布置1个测点 (测点4) , 用于测量试验大屏幕空间内的温度分布情况;在2个火源处分别布置2个测点, 用于测定火源处及火源上方温度 (火源1分别为测点5、测点6, 火源2分别为测点7、测点8) , 测点距油盘500mm, 共计8个热电偶。热电偶布置如图3所示。烟气分析仪取样探针位于测点5位置。

试验分2次进行, 分别采用七氟丙烷和二氧化碳作为灭火介质, 当采用七氟丙烷作为灭火介质时, 为试验一, 见表1。当采用二氧化碳作为灭火介质时, 为试验二, 见表2。

使用七氟丙烷作为灭火介质时, 试验大屏幕前侧投影平面温度曲线、后侧盖板温度曲线、火源1温度曲线和火源2温度曲线分别如图4所示。

从图4中可以看出试验大屏幕顶部前侧投影平面测点4温度最高为65.8℃, 平均为43.6℃;试验大屏幕后侧盖板测点1温度最高为56.4℃, 平均为40.3℃;火源1测点5温度最高为89.2℃, 平均为43.6℃, 测点6温度最高为73.2℃, 平均为43℃;火源2测点8温度最高为100.1℃, 平均为50.6℃。

从图4a中可以看出, 对于试验大屏幕前侧投影平面, 测点4温度值随燃烧时间的延长呈现先增加而后缓慢减小的趋势, 在40s时, 出现最大值, 在试验开始后的250s时, 温度降至环境温度。

从图4b中可以看出, 后侧盖板测点的温度最高值56.4℃, 虽然后侧盖板距离火源点距离更近, 但与前侧投影平面相比 (测点4为65.8℃) , 温度最高值相对较小。

从图4c中可以看出, 火源1测点5和测点6温度最高分别为89.2℃和73.2℃, 当火探管爆破后, 火源1上方温度随着时间增长而减小, 在试验开始后的75s时, 温度降至环境温度。

从图4d中可以看出, 火源2测点8温度最高为100.1℃, 当火探管爆破后, 与火源1上方温度变化规律不同, 温度没有立即减小, 而是随着时间增长而逐渐减小, 在试验开始后的175s时, 温度降至环境温度。试验结果表明, 七氟丙烷喷放后, 除可对火探管周围火源1较快灭火的同时, 也可对空间其他位置的着火点起到较好的灭火效果, 但熄灭时间有一定的延迟。

使用二氧化碳作为灭火介质时, 试验大屏幕前侧投影平面温度曲线、后侧盖板温度曲线、火源1温度曲线和火源2温度曲线见图5所示。

从图5中可以看出试验大屏幕顶部前侧投影平面测点2温度最高为86.4℃, 平均为55.9℃, 测点4温度最高为84.6℃, 平均为62.6℃;试验大屏幕后侧盖板测点1温度最高为59.7℃, 平均为42.3℃;火源1测点5温度最高为102.2℃, 平均为53.4℃, 测点6温度最高为116.7℃, 平均为53.2℃;火源2测点8温度最高为117.2℃, 平均为63.4℃。

从图5a中可以看出, 对于试验大屏幕前侧投影平面, 不同位置测温点温度值均随燃烧时间的延长呈现先缓慢增加而后缓慢减小的趋势, 不同位置测温点的最高温度值并无明显差异。而不同位置测温点达到最高温度值的时间不同, 与测点2相比, 测点4温度上升速度明显较小, 可见当着火点位于大屏幕底部时, 大屏幕底部的温度升高较快。

从图5b中可以看出, 后侧盖板测点的温度最高值59.7℃, 虽然后侧盖板距离火源点距离更近, 但与前侧投影平面相比 (测点2和测点4分别为86.4℃和84.6℃) , 温度最高值相对较小。结合试验一 (七氟丙烷作为灭火介质) 结果, 可知, 即便着火点发生在后侧, 前侧投影部分的温度也相对较高。

从图5c中可以看出, 火源1测点5和测点6温度最高分别为102.2℃和116.7℃, 当火探管爆破后, 火源1上方温度并没有立即减小, 而是随着时间增长而逐渐减小, 在试验开始后的175s时, 温度降至环境温度。

从图5d中可以看出, 火源2测点8温度最高为117.2℃, 当火探管爆破后, 与火源1上方温度变化规律相同, 温度没有立即减小, 而是随着时间增长而逐渐减小, 在试验开始后的230s时, 温度降至环境温度。试验结果表明, 二氧化碳喷放后, 除可对火探管周围火源1较快灭火的同时, 也可对空间其他位置的着火点起到较好的灭火效果, 但熄灭时间有一定的延迟。

当分别采用七氟丙烷和二氧化碳作为灭火介质时, 试验大屏幕测点温度最高值见表3, 对于不同位置的测点, 七氟丙烷灭火时温度均低于二氧化碳灭火。从图4、图5中也可以看出, 与七氟丙烷相比, 二氧化碳灭火后, 试验大屏幕测点温度下降速度相对较慢, 二氧化碳灭火速度相对较慢。综上可以看出, 与二氧化碳相比, 七氟丙烷灭火更为高效, 且大屏幕空间温度下降速度更快。

火灾中有害燃烧产物对人的毒害是火灾致人伤亡的主要原因之一^[8,9]。由于试验环境、氧气供给量、燃料成分等原因, 整个试验过程中并无一氧化碳气体产生, 氮氧化物的产量也极低, 燃烧释放的大部分气体产物为二氧化碳和二氧化硫。通过烟气分析仪对试验过程中氧气、二氧化碳的浓度进行监测, 结合试验现象分析灭火介质对于燃烧过程的抑制效果, 同时测试二氧化硫的含量, 评价在灭火过程中有毒气体的变化情况。

使用七氟丙烷作为灭火介质时, 烟气分析仪对试验过程中试验大屏幕内部的烟气分析结果如图6所示。对应试验现象分析各种气体成分的变化如下:

点火之前, 投影单元内部的氧气浓度为20.9%。点燃火源后, 由于试验装置相对封闭, 氧气浓度随着燃烧的消耗开始迅速下降。当火探管破裂, 灭火介质开始喷放时, 氧气浓度降至20.6%。在灭火进行过程中, 氧气浓度迅速降低, 当试验进行至40s时, 氧气浓度已降至最低值, 为19.1%, 此时火源1已经熄灭。此后, 氧气浓度开始回升, 至火源点2熄灭时, 其浓度已回升至20.8%。试验进行至215s时, 氧气浓度回升至试验前水平。

二氧化碳为本试验中燃烧的主要气体产物, 其浓度在点燃火源后即开始迅速上升。当火探管破裂, 灭火介质开始喷放时, 二氧化碳浓度上升至0.31%, 此后继续增大。当火源1熄灭时, 二氧化碳浓度约为1.14%, 约8s后其浓度达到最高值, 为1.38%, 随后开始降低。当火源2熄灭时, 二氧化碳浓度降至0.13%。当试验进行至215s时, 二氧化碳浓度降至试验前水平, 与氧气浓度变化规律一致。

二氧化硫为本试验中选用的火源燃料燃烧的一种气体副产物, 有刺激性气味, 为大气的主要污染物之一, 对人体具有一定的危害性^[10]。大气中二氧化硫浓度在0.5ppm以上对人体已有潜在影响;在1~3ppm时多数人开始感到刺激;在400~500ppm时人会出现溃疡和肺水肿直至窒息死亡。在本试验中, 二氧化硫在点火后即开始产生, 灭火开始后, 其浓度继续上升, 于44s时达到最大值, 约为27ppm, 此时火源1已经熄灭, 由于灭火介质的抑制作用, 燃烧过程得到控制, 二氧化硫的浓度开始缓慢降低, 当试验进行至440s时, 二氧化硫浓度基本降至燃烧前水平, 与燃烧产生的二氧化碳相比, 二氧化硫浓度的下降速度较慢。

使用二氧化碳作为灭火介质时, 烟气分析仪对试验过程中试验大屏幕内部的烟气分析结果见图7。

点火之前, 投影单元内部的氧气浓度为21%。点燃火源后, 由于试验装置相对封闭, 氧气浓度随着燃烧的消耗开始下降。当火探管破裂, 灭火介质开始喷放时, 氧气浓度下降速度加快。当火源2熄灭时, 氧气浓度降至20.1%, 当火源1熄灭时, 氧气浓度下降至19.7%。火源点全部熄灭后, 试验装置内部的氧气浓度继续下降, 至168s时达到最低值, 为14.6%, 低于使用七氟丙烷作为灭火介质时氧气浓度的最低值。此后, 氧气浓度开始回升, 试验进行至396s时, 氧气浓度回升至20.5%, 但仍未达到试验前的浓度水平。

在本试验中, 二氧化硫在点火后即开始产生, 灭火开始后, 其浓度继续上升。当两个火源点熄灭后, 二氧化硫浓度继续上升, 于103s时达到最大值, 约为57ppm, 大于使用七氟丙烷作为灭火介质时产生二氧化硫的最高浓度。此后, 由于灭火介质对于燃烧的抑制作用, 二氧化硫的浓度开始缓慢降低, 但是当试验进行至396s时, 试验装置中仍存留浓度约为8ppm的二氧化硫。

综上所述, 与二氧化碳灭火介质相比, 使用七氟丙烷作为灭火介质时, 氧气及二氧化碳浓度在相对较短的时间内达到最低值和最高值, 有毒气体二氧化硫的生成量较少, 证明燃烧过程得到较好的抑制, 且灭火结束后氧气的浓度迅速回升至试验前的水平。而使用二氧化碳作为灭火介质时, 对于燃烧过程的抑制作用相对较差, 灭火结束后氧气浓度进一步降低, 而二氧化碳浓度仍在上升, 且生成的二氧化硫浓度较高, 最大值达到57ppm。在试验结束后 (396s) 仍未恢复至火灾前的水平, 对环境产生的影响较大。试验证明, 与二氧化碳相比, 七氟丙烷灭火时有毒有害烟气浓度相对较少。与温度变化情况对比可知, 采用七氟丙烷和二氧化碳作为灭火介质时, 试验结束后, 烟气浓度恢复至环境浓度的速度相对较慢, 温度能较快恢复至环境温度。

(1) 当灭火介质采用七氟丙烷或者二氧化碳时, 火探管均能及时爆破并喷放灭火介质, 七氟丙烷或者二氧化碳均可有效扑灭火灾。

(2) 与二氧化碳相比, 对于不同位置的温度测点, 七氟丙烷灭火时温度均相对较低, 灭火结束后, 试验大屏幕测点温度下降速度相对较快。试验结果表明, 与二氧化碳相比, 七氟丙烷灭火效果更为高效, 且大屏幕空间温度下降速度更快。

(3) 与二氧化碳灭火介质相比, 使用七氟丙烷作为灭火介质时, 燃烧过程得到较好抑制, 且灭火结束后氧气的浓度迅速回升至试验前的水平。而使用二氧化碳作为灭火介质时, 对于燃烧过程的抑制作用相对较差, 且生成的二氧化硫浓度较高。试验结果表明, 与二氧化碳相比, 七氟丙烷灭火时有毒有害烟气浓度相对较少。

(4) 与温度变化情况对比可知, 采用七氟丙烷和二氧化碳作为灭火介质时, 试验结束后烟气浓度恢复至环境浓度的速度相对较慢, 而温度能较快恢复至环境温度。