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黄晓家关于从核心技术看自动喷水灭火系统150年的看法

文章来源:给水排水 发布时间:2020-10-01 08:42:11 阅读次数:371 次 [关闭]

黄晓家

全国工程勘察设计大师,教授级高级工程师,主要研究方向为城市节水、海绵城市、工业废水再生与回用、建筑与工业给排水、消防工程、饮用水安全、污水处理、智慧水务。

0 引言

喷头最初是在1878年设计的,其设计目的是将大约一半的水喷射到天花板上,另一半水喷洒到地面上。直到1950年国际火灾保险商FM研发出洒水喷头后,其设计理念才发生改变,洒水喷头溅水盘的设计将所有的水向下引至地面。经过数年的成功应用,洒水喷头于1953年被美国消防协会(National Fire Protection Association)接受为“标准”喷头同时淘汰了旧式喷头。标准洒水喷头的公称直径为12.7 mm,流量系数K为80,我国于1970年代开发了标准喷头,在2001年版自动喷水灭火系统设计规范颁布以前,我国在各种场所通常是应用标准喷头,其后有了早期抑制快速响应(Early suppression fast response sprinkler,ESFR)喷头和扩大覆盖面积洒水喷头,2017年版规范引进了特殊应用控火型(Control mode specific application sprinkler,CMSA)喷头,至此我国的自动喷水灭火在常规喷头上已经完全同国际接轨。

自第二次世界大战以来,工业场所在制造和储存方式上发生了翻天覆地的变化,如引入了新的合成材料(如塑料)并使用了进行高架储存的叉车。在这种储存环境中,火灾的特点是火灾增长速度快、热释放速率高、火羽流速度高。这极大增加了对自动喷水灭火系统的挑战。为应对这一挑战,国际火灾保险商FM于1970年至1995年间进行了一系列货架火灾的试验研究旨在为新的自动喷水灭火设计提供理论和技术基础,包括闭式喷头热敏性能的定量分析、实际洒水密度(Actual delivered density,ADD)、必需洒水密度(Required delivered density,RDD),并基于这些研究开发出了大水滴喷淋系统(1971年至1980年)、ESFR喷淋系统(1984年至1986年)。进入21世纪以来,一些高净空的非仓库场所如中庭、会展中心、剧院等逐渐增多,自动喷水灭火系统能否在如此高的净空下及时动作并控制火灾已遭到人们怀疑。国际火灾保险商FM于2003年进行了一系列的试验以确定净空高度18.3 m的非仓库类场所自动喷水灭火保护的要求。近年来,自动化处理技术的快速发展使得现代仓库的火灾危险性显著增加(如较高的卷纸堆垛),对自动喷水灭火系统提出了严峻的挑战。国际火灾保险商FM于2012年提出新的保护概念并于2015年完成智慧型喷水灭火系统,其能够对火灾进行探测和定位,并完成喷头启动和灭火,美国的智慧喷头已经于2019年在美国面市,未来美国的自动喷水灭火系统会向着智慧和人工智能的方向发展。我国已经有了类似与美国的智慧自动喷水喷头的专利,但目前产品尚未面市,期待尽快面市发展。21世纪初我国的大空间智能灭火系统在火灾探测和定位方面达到了智能的程度,一则喷水是点状,二则没有形成面覆盖,而美国的智慧喷头是在现有的自动喷水喷头上加装人工智能启动装置形成的,两者有一定的区别。

从自动喷水灭火系统的发展来看,自动喷水灭火系统一直受到火灾的挑战,也正是这种挑战使得自动喷水灭火系统不断进步和创新。本文对自动喷水灭火技术进行简单的概述,从响应时间指数(Response time index,RTI)、ADD、灭火临界条件、RDD以及喷头技术应用等几个方面阐述。

1 响应时间指数(RTI)

RTI开发和公布之前,热敏元件的响应完全由经验技术确定。测量此响应最常用的技术是在“热空气法”中暴露于非标准化的时间—温度曲线。采用这种方法,公认的实验室很难获得一致的结果,其他相关方面也很难重现认证条件。此外,该方法所得结果在预测各种热敏元件的动作时间方面都是无用的。

众所周知,RTI是热敏元件热时间常数与相关气体速度的平方根的乘积。喷头RTI可通过标准“插入试验”判定,即洒水喷头插入到恒定的温度和速度流的风洞中,以测量洒水喷头的响应时间。1976年,Heskestad和Smith用单个参数RTI来表征喷头的热敏性能并开发了热响应模型[d(ΔTe)/dt=(u1/2g/RTI)(ΔTg-ΔTe)],1988年至1989年Heskestad和Smith指出在较低气体速度和温度的情况下,导热损失对喷头启动时间的影响巨大。同时提出例外一个热敏参数即导热系数(C)。在新模型中,喷头温度的上升速率取决于2个参数RTI和C,新模型见式(1):

式中 ΔTe——热敏元件的温度与初始温度的差;

ug——烟气的速度;

ΔTg——烟气的温度与环境温度的差;

Tf——管道配件的温度。

此后国际火灾保险商FM、UL等开始接受RTI概念并展开一系列的研究来验证RTI对各种各样喷头热响应时间的适用性。如开发“插入试验”以评估半隐蔽型、平齐型和隐蔽型喷头的热敏性能是否与完全暴露在热风洞中的喷头的热敏性一致;确定轻危险级场所下下垂型和边墙型扩大覆盖面积洒水喷头的热敏性能;探究住宅火灾场景中洒水喷头的响应。所有这些研究成果已经被国际标准化组织(International Organization for Standardization)接受并写入ISO标准中。

RTI不仅是实现快速响应技术的关键,而且RTI可以被研究人员用于理论、试验和建模工作。国际火灾保险商FM已经成功使用FireFOAM模型预测了喷头的动作时间以及货架立体火的灭火情况。此外FM还用RTI的方法和RTI测试设备开发出了“防跳跃”喷头。

2 实际洒水密度(ADD)

ADD是指水滴穿过火焰,喷洒到燃烧的货物顶部的单位时间单位面积的水量,是喷头性能最重要的衡量指标。ADD与火焰的特性、热释放速率、点火位置、净空高度、喷头流量、布水特性以及液滴尺寸分布等因素有关。喷头的ADD性能可以用ADD试验装置进行测定。该装置由4个模拟的存储商品和一个庚烷火源组成。在每个模拟的商品中都有4个集水盘。每个盘底下都有一个自动的水计量系统。该设备被放置在可上下移动的吊顶下以提供不同的净空高度。把无火情况下的洒水密度简称为LAD值(Local applied density),因此喷头穿过火羽流的性能可以用穿透率(Pe=ADD/LAD)来表示。

1994年,Chan等测量了3种直立型标准喷头的ADD值并建立了试验数据的相关性:在重力状态下,对于给定喷头的几何形状和天花板高度,穿透率可表示为式(2):

式中 D——洒水喷头的孔口直径;

Qw——喷头的流量。

从等式中也可以看出增大喷头的孔口直径可以提高穿透率。2003年,Chan等使用ADD设备对标准喷头和传统型喷头的ADD进行了试验研究,使用液滴尺寸比和喷头动量与火羽流动量比2个参数关联ADD数据,证明了ADD也可用于解释标准喷头和传统型喷头的性能。

数值模拟方面,Nam通过组合2个单独的数值模型模拟了水滴与火羽流的相互作用:一个无火情况下的自动喷水和一个没有自动喷水的火羽流。使用测得的液滴尺寸,推力分布等作为输入数据来预测ESFR-A和ESFR-B型喷头的ADD值,结果表明数值预测的ADD值与测量值在流量小的情况下非常吻合。Bill的模型成功地捕获了试验结果的趋势,但仅限于天花板净高为3 m的情况。最近国际火灾保险商FM开发的FireFOAM模型已经成功获得了喷头的ADD值以及水的蒸发速率。


3 灭火临界条件

目前各种防火规范和标准中的自动喷水灭火要求通常表示为喷水强度/作用面积或一段时间内的总的用水量。实际上,只有少数喷头启动向燃烧区域内洒水并且只有其中的一部分被送达到燃料表面用于冷却灭火。在用水熄灭固体燃料的研究中,研究学者们希望能够找到该燃料(如木垛、木托盘、箱装不发泡塑料等)的灭火临界条件,通常这些数据表示为临界喷水强度,即单位时间单位面积的水的质量[g/(m²·s)]。低于该值时,燃料将被消耗完,高于该值时,将迅速灭火。

Kung等于20世纪70年代研究了水熄灭木垛和托盘火的情况并在以下两个比率之间建立了相关性:灭火期间消耗的燃料的量与开始灭火时剩余的可燃物的质量的比R和喷水流量和燃烧速率的比m·w/m·。研究还发现在相同的m·w/m·下,托盘火的比率R约为木垛火比率R的一半。Heskestad也对木垛和托盘火熄灭做了研究并提出其临界喷水强度为2.7~5.5 g/(m²·s)。

国际火灾保险商FM对2×2布置,2~5层不同高度的FM标准Ⅱ类物品和箱装不发泡塑料进行了98次RDD试验并建立模型对结果进行分析。该模型利用燃料表面(燃料顶部面积和所有侧面面积)从火焰中接受的热量和水分蒸发吸收的热量的全局热平衡来确定喷头启动后一段时间内燃料的总的热解速率,使用灭火参数k对数据进行关联,表示为式(3)、式(4):

式中 ΔQa——喷头启动后一段时间内的累积总放热量;

ΔQao——喷头动作时火灾的功率在一段时间内的放热量;

a——总燃烧的表面积与热解燃料的体积的比;

m·″w——单位时间单位燃烧面积的水量;

Qw——水的蒸发热;

β——传递到燃料表面的总放热率分数;

m·″f——单位燃烧面积平均燃烧速率;

ΔHc——燃料的焓;

Qp——热解热;

c——燃料的比热容;

Tp——燃料层的平均温度;

T∞——环境温度;

K——燃料密度,燃料的比热,点火温度,燃烧热,燃烧速率,热解热和喷头流量的函数。


定义ΔQa/ΔQao=1时水的强度为临界喷水强度,从参考文献中可以确定FM标准Ⅱ类物品的的临界喷水强度为6 g/(m²·s),箱装不发泡塑料的临界喷水强度为在17~20 g/( m²·s)。

必需洒水密度(RDD)是指正在燃烧的燃料阵列顶部实现早期抑制所需要送达的水的密度。RDD的值不仅与燃料的灭火性质有关,还取决于喷头动作时的对流热释放热率。使用货架火灾试验来确定RDD,该货架放置在大型的量热仪下面,以量热仪测得的预定对流热释放速率来驱动喷头,此对流热释放速率刚好对应于9.1 m高天花板下方0.33 m处的ESFR喷头(RTI为28)的响应时间。对于不同高度的货架火灾,其喷头动作时火灾的功率在1.5~2.64 MW。国际火灾保险商FM对2×2×4布置的4层箱装不发泡塑料进行了3次RDD测试,发现当RDD为19.2 mm/min,能够抑制火灾,RDD为17.16 mm/min,火焰重新燃烧,RDD为20.4 mm/min时,灭火速度更快。研究还表明测量的RDD值在此火灾功率范围内不会有明显的变化并且已经为3层、4层、5层箱装不发泡塑料选择了1个RDD值,分别是16.2 mm/min、20.4 mm/min和26.5 mm/min。2011年,Kung等将以上3个有限的数据点关联起来,建立RDD相对于存储高度H的指数关系如式(5)所示。

使用此公式,箱装不发泡塑料6层和7层货架的RDD值分别估计为33.5 mm/min和43.5 mm/min。


4 喷头技术的应用

1)大水滴喷头。大水滴喷头是在1970年至1980年期间开发的,用于控制高挑战性的仓库火灾。大水滴喷头的研制主要是为了克服普通喷头水滴穿透火羽流能力差的缺点。这种喷头的特点是口径大、工作压力大,水滴的粒径大,有较强穿透火羽流的能力,能有效控制仓库火灾。文献中列举了4组大型火灾试验的结果,通过调整喷头安装间距和工作压力以提供相同的喷水强度(24.4 mm/min)。结果表明在相同的喷水强度下,当喷头的工作压力和安装间距从0.33 MPa和12 m²减小至0.05 MPa和3.1 m²,作用面积从120 m²增加至465 m²。显然,喷水强度/作用面积规则不再适用。由此也可以看出,对于高架仓库火灾,喷头灭火的性能是由工作压力和其口径决定的,而不再是喷水强度/作用面积。

2)ESFR喷头。ESFR代表的是早期抑制快速反应,将“早期抑制”放在“快速反应”前面是为了强调灭火的结果,而快速反应只是实现这一结果的方式。早期抑制是指这样的性能:在第一环位置上的喷头全部动作时,火灾应该被扑灭而不应动作更多的喷头。即当点火位置位于一只喷头正下方时,动作的喷头为1个;点火位置位于4只喷头中间时,动作的喷头为4个。即使在最不利的情况下,点火位置附近一只喷头失效,则启动不超过第二环的喷头仍能控制火灾。

ESFR研究计划于1983年11月启动,并于1985年8月成功完成。ESFR系统最初是为高挑战性的仓库火灾提供早期抑制性能而开发的,该火灾表现为9.1 m高的建筑物中存储7.6 m高的箱装不发泡塑料。早期抑制取决于3个可以独立测量的变量:

响应时间指数(RTI);

实际洒水密度(ADD);

必需洒水密度(RDD)。

ESFR系统的目的就是无论着火位置如何,ADD都大于RDD。

众所周知,燃料顶面距天花板的高度和点火位置是全尺寸火灾试验的重要变量,也是影响ADD的重要因素。通常采用2种火灾场景来评估全尺寸火灾试验中喷头的性能。

1.在较高的净空高度下(3.4 m),点火位置位于一只喷头正下方,以评估喷头对火羽流的穿透性能;

2.在较低的净空高度下(1.8 m),点火位置位于4只喷头或2只喷头中间,以评估喷头的覆盖性能。

1985年至1986年2年时间内,美国开发出了第一代ESFR喷头(“CPF”型),并进行了11组全尺寸的火灾试验。试验的结果不仅证实了ESFR喷头的性能良好,而且还表明即使在最坏模式条件下(两个洒水喷头之间点火,其中一只喷头堵住了),火灾仍可通过11个喷头得以控制。

第一代ESFR喷头成功开发后,人们又陆续开发了更大流量系数的喷头,如242,323,363,480等以便为更严峻的火灾挑战提供保护。Chan等已经表明喷头的穿透率随着液滴体积中值直径的增加而增加。此外Kung表明由几何相似的喷头产生的液滴尺寸分布的体积中值直径随工作压力的-1/3次幂和孔口直径的2/3次幂而变化。因此,在给定的工作压力下,K363喷头的液滴体积中值直径比K202喷头大26%,喷头流量比K202喷头高80%,凭借更高的穿透力和流量,K363 ESFR喷头成功抑制了13.5 m高天花板下高达12 m的箱装不发泡塑料货架火灾。

人们已经意识到,ESFR喷头对火灾的强烈抑制性能得益于其对火焰的强烈冲力和较好的覆盖性能。但实际应用中,安装方式有时会阻碍喷头的喷洒模式。孔祥徵在净高高度12 m的天花板下,对9.1 m高的箱装不发泡塑料货架进行了2组全尺寸的火灾试验。2组测试分别检查了吊顶搁栅和搁栅撑的阻碍效应,结果发现第一只喷头动作后对火灾几乎没有影响,且喷头跳跃开放现象严重,分别动作了29和27只喷头,未能成功控火。目前关于障碍物下自动喷水灭火系统的安装规则已经被纳入NFPA13中。

3)特殊应用控火型(CMSA)喷头。特殊应用控火型喷头是国外最新开发的一种喷头,主要用于控制高架仓库火灾。CMSA喷头的特点介于大水滴喷头和ESFR喷头。与ESFR喷头相比,CMSA喷头的特点是能够降低工作压力,同时CMSA喷头还能用于湿式、干式以及预作用系统。最重要的一点是喷头在洒水时能够不受障碍物的影响。目前已开发的CMSA喷头有流量系数K160,K242,K280和K363等4种类型。

5 结语

自动喷水灭火系统从1878年第一只喷头至今经历了约150年的发展,前75年在工程经验中探索发展,并于1953年确立了K80的标准覆盖面积洒水喷头,其后自动喷水灭火技术逐渐走出经验模式,向着理论方向发展。美国于1970年代后逐步研究提出工程应用技术的RTI值、喷头灭火的临界喷水强度、喷头能送到火焰表面的洒水密度ADD以及可燃物灭火理论需求水量等,这使自动喷水灭火系统完全走向了工程技术,并逐步抛弃了经验模式。同时也建立了计算机模拟技术,能针对不同工程情况提出更加合理的工程技术参数,一则使灭火技术更加安全可靠,同时也可以提供系统的经济合理性,最新的智慧自动喷水灭火系统将充分利用现有的工程技术,提高系统的安全可靠性和经济合理性。



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