高压细水雾技术及其在地铁中的应用研究

摘要：本文从分析地铁的主要防火防灾问题着手，简要阐述了高压细水雾在地铁领域的应用研究，提出地铁高压细水雾系统的防火防灾解决方案。

关键词：地铁；高压细水雾；防火防灾解决方案；

中图分类号：U231文献标识码： A

前言

火灾是地铁场所最难控制的一种灾害，且一旦控制失效，直接损失和次生灾害损失很大。近二十年来，人们一直致力于更有效的地铁防火防灾技术的研究，国内外研究和实际应用表明，高压细水雾技术可以达到其它灭火系统不能实现的更多的防灾目的。

一、地铁火灾的特点

由于地铁结构的特殊性，与地面建筑或其它地下建筑相比，其火灾有如下特点：

1.浓烟积聚不散

地下车站、隧道与外界相连的通道较少，发生的火灾多半是缺氧燃烧，产生的大量烟雾以及CO等有害气体、烟气蔓延速度和范围超过火势的蔓延，易导致人员窒息死亡。

2.火灾蔓延快

由于隧道空间狭长，受隧道净空限制，火焰向水平方向延伸，这将加速火灾的蔓延，如果在发生火灾时未能及时控制通风设备，炽热的气流可顺风传播很远，一旦遇到易燃物便很快燃烧。

3.温度上升快

城市轨道交通地下车站密封条件好，火灾发生后，热量不宜散出。火势猛烈阶段，温度可达1000C°以上，有时会造成气流方向的变化，对逃生人员危害很大。

4.救援和疏散困难

城市轨道交通地下车站出入口、通道狭窄，疏散距离长，烟的扩散速度比人员逃生的速度快，人员密集时，极易造成混乱；由于地下空间限制，浓烟、高温、缺氧，使大型灭火设备无法进入现场，灭火困难较大。

二、高压细水雾灭火技术

1.细水雾定义

美国NFPA750规定：细水雾是指在喷头最小工作压力下，雾滴流量加权累计体积分布Dv0.99小于1000μm的水喷雾。而国内一般认为Dv0.9小于300μm的水雾才能认为是细水雾。

水滴粒径、数量和表面积的关系如下表所示。水的表面积越大，吸热能力越强，冷却作用越强。

表1 水滴粒径、数量和表面积的关系

系统类型 平均雾滴粒径（μm） 雾滴数量 表面积

水喷淋 ＞1000 1 1

中、低压细水雾 300 40 10

高压细水雾 50 8000 400

注：雾滴粒径每减少10倍，表面积就增加10倍，雾滴数量增加1000倍。

2.细水雾的分级与系统分类

根据国际惯例，一般将细水雾分为3个等级：Ⅰ级细水雾― Dv0.1≤100μm，Dv0.9≤200μm；Ⅱ级细水雾― Dv0.1≤200μm，Dv0.9≤400μm；Ⅲ级细水雾― Dv0.1＞400μm，Dv0.9≤1000μm。国内基本上将Ⅰ级、Ⅱ级视为细水雾范畴，其它的算作常规喷雾。

就应用而言，高压单流体细水雾成为主要的应用方向，因为其吸热比是中压系统的20~40倍左右。

细水雾系统可以根据工作压力、介质类型、应用方式等进行分类：

按工作压力分类：低压系统（＜12.1bar） 、中压系统（12.1bar ~ 34.5 bar）、高压系统（＞34.5bar ）；

按介质类型分类：单流体系统（仅以水作为灭火介质，可以加入环保泡沫等添加剂）、双流体系统（以水和气体混合作为灭火介质，通常为氮气）

按设计应用方式分类：预制系统、工程应用系统

按工程应用方式分类：局部应用式系统、分区保护式系统、全淹没灭火系统

3.高压细水雾的作用机理

（1）汽化吸热降温作用

由于水滴尺寸很小，它的表面积很大，因而水滴的表面换热系数增大，在环境温度升高时，可以迅速汽化。由热力学可知，水的汽化潜热很大，可达约2257kJ/kg，远比水的温升吸热量（387 kJ/kg）大。因此，细水雾可吸收大量热量，降低现场环境及设备的温度。

（2）隔绝氧气窒息作用

水滴在汽化过程中吸收大量的热量，同时体积迅速膨胀，可扩大1700多倍。对于封闭空间而言，在水滴汽化前，氧气在空气中的比例为21%，氮气为79%，相应的氧气和氮气的分压力分别为2.06*104帕和7.75*104帕。随着水的迅速汽化，水蒸气分压力迅速增大。据计算，对于30m³的空间，5升水完全形成的水蒸气分压力可达到2.78*104帕，相应的氧气的压力降低到1.48*104帕，即氧气的含量将降低到15.05%。从而造成隔绝氧气的窒息作用来达到灭火的目的。

（3）乳化作用

当扑救油类火灾时，水雾冲击油品表面，形成乳化层，一方面降低了油品的蒸发速度，另一方面由于水雾滴的冲击搅拌作用能使可燃液体表层产生不燃烧的乳化层 ，起到阻然的作用。

（4）浸润作用

当用于扑救溶于水的可燃液体火灾时，可产生稀释冲淡效果，降低了燃烧速率，起到控制火灾的作用。

（5）洗涤作用

燃烧的灰粒、烟尘颗粒与细水滴粘合而得到洗刷，大量去除火灾区域由于固体燃烧物产生的烟气，并降低CO2和CO的含量。

（6）隔离辐射热作用

细水雾具有屏蔽作用，减少火源对周围物体的热辐射，同时阻止火灾的扩散，对火灾起遮挡作用。

三、地铁高压细水雾系统设计

地铁高压细水雾系统的设计主要基于“两级阀控”的思路进行设计，同时根据被保护对象的工艺特点，选择分区、全淹没和局部应用方式，合理设置开式和闭式细水雾喷头，从而有效地提高了系统的安全性、可靠性。

1.保护区域

保护区域为所有设备用房及公共区域，主要有车站站厅、站台的公共区域；弱电机房，高、低压开关柜室、变压器室、环控电控室等电子电气设备用房。

2.系统型式

高、低压开关柜室、变压器室、弱电机房等电气设备用房采用两级阀控预作用细水雾灭火系统。两级阀控预作用细水雾灭火系统需两路独立的火灾探测信号及闭式喷头动作的逻辑“与”方可自动启动；而且，两级阀控制模式下，只有两级阀均打开及闭式喷头的玻璃泡破裂才能喷水，因此因火灾探测误报及人为因素所导致的系统误喷的可能性几乎为零，大大提高了系统安全可靠性。同时，闭式喷头的设置实现了对着火区域的定位喷放，快速灭火，并且避免了系统喷放对未着火区域设备的影响。

站厅和站台等公共区域采用闭式细水雾灭火系统。

3.地铁高压细水雾系统工艺流程

（1）对于开式细水雾系统，当防护区域发生火灾时，感烟探测器报警，火灾报警及联动控制系统控制总控阀启动；当火灾进一步发展，感温探测器动作，系统将联动防火阀、风机等动作，同时联动分控阀和消防水泵启动，此时即喷出细水雾进行灭火；

（2）对于闭式细水雾灭火系统，当总控阀打开后，一旦火灾时闭式喷头的玻璃泡动作，则压力反馈信号将启动消防泵进行喷雾灭火；

（3）对于预作用系统，当一级报警产生后，控制系统打开总控阀，当得到二级报警时，分控阀打开，此时如果闭式喷头因火灾温度达到一定数值而启动，即开始细水雾喷放灭火；

（4）当人员发现火灾时，可以通过手动报警按钮进行报警，此时系统确认为二级报警，人员也可以通过现场的紧急启动装置启动灭火系统。系统动作过程中的各种设备动作信号将反馈给控制系统。

四、高压细水雾系统针对性解决的地铁防火防灾问题

针对地铁需要解决的主要防火防灾问题，高压细水雾可以发挥重要的作用，主要表现在以下几方面：

1.高压细水雾系统可以在共享供水系统的情况下，覆盖地铁更广泛的保护区域，形成开式、闭式不同系统类型的组合使用，同时解决火灾扑灭、烟气控制、降温等不同区域的不同设计目标，同时具有可拓展性，为地铁防火防灾提供了极具使用价值的解决方法和措施；

2.高压细水雾系统具有持续灭火和处理灾害的能力，除了一般配备的10min储水外，可以直接使用市政水作为补水，这将为地铁真正意义上控制火灾或其它灾害提供有效保障。这也是其它灭火系统所不能比拟的；

3.高压细水雾系统在地铁的使用具有很高的安全性，除了系统启动灭火后不会对防护区域设备造成不可接受的影响外，最重要的是其安装、使用、维护都很简单，对操作人员的安全性有保障，避免了高压气瓶的检测罐装等风险环节，解决了以往气体灭火系统使用安全性的问题；

4.高压细水雾系统是一种高效、绿色的灭火系统，灭火介质易于取得，不会对环境造成影响，最重要的是解决了喷放过程可能对人员造成的伤害，甚至由于其高效吸热和去除烟气的能力，会给火灾状况下的人员逃生带来很大的益处；

5.高压细水雾系统可以在防火防灾目标和对工艺设施设备影响度上达到很好的平衡。地铁设置高压细水雾系统的主要目的是灭火、控火和进行防火防灾，通过两级阀控系统的设计可以最大程度避免误动作，而在火灾条件下启动灭火系统，其高效吸热和去除烟气的能力恰恰会更有利于保护防护区内的设施、设备。克服了气体灭火系统无法控制热量传播、无法保证深位火灾不复燃等隐患。

五、结语

地铁是典型的地下公共建筑空间，其防火防灾的任务十分繁重，通过合理的设计，高压细水雾系统在地铁应用对设备、人员都具有充分的安全性，鉴于其持续处理灾害的能力，高效灭火、降温和去除烟气的优势特点，高压细水雾系统的使用很大程度上提高了地铁的安全性。根据国际Halon替展的趋势和国家《城市轨道交通技术规范》对自动灭火系统的规定，高压细水雾系统将成为地铁防火防灾最重要的技术。

参考文献：

1. 美国国家消防标准协会《细水雾灭火系统设计标准》NFPA750-2003

2. 北京市地方性标准《细水雾灭火系统设计、施工、验收规范》DBJ01-74-2003

3. 刘锋．高压细水雾灭火系统在苏州地铁中应用的可行性研究［J］．铁道标准设计，2008(S1):114-115．