地铁车辆高压细水雾灭火技术研究

肖守讷，李 丹，杨 龙

（1. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031；2.江苏辰泰轨道交通科技有限公司，江苏常州 213164）

1 引言

近些年，随着国内高速铁路、地铁的建设和“一带一路”参与国家需求的激增，我国轨道交通行业迎来了爆发式增长。地铁由于可充分利用地下空间，为人类的生活带来了极大的便利，已经成为城市的重要交通工具；但是地铁在运行过程中，由于存在空间相对狭小密闭、人员密集且无序、疏散条件有限等缺陷，极易引发各种火灾隐患[1]。据不完全统计，2000年—2019年国内外地铁共发生火灾五十余起[2]，通过深入分析得出，火灾事故发生的主要原因如图1所示[1]。人员密集难以疏散、排烟困难、常规消防力量难以施救等，常会造成重大的损失[3]。

图1 2000年 — 2019年国内外地铁火灾原因统计

与地面建筑相比，地铁发生火灾时的特点主要体现在以下几个方面[4]：

（1）氧含量急剧下降；

（2）发烟量大；

（3）排烟排热差；

（4）火情探测和扑救困难；

（5）人员疏散困难。

地铁在城市的建设和发展中越来越受到重视，其系统的安全性及可靠性非常重要，尤其是设置火灾的预防和救助系统，防止火灾发生及蔓延[5]。在清洁的灭火剂中，水和气体应用最为广泛，并且成本优势明显。但对于电气设备火灾来说，水灭火剂存在导电的弊端，气体灭火系统存在污染和维护管理不方便的劣势，所以在科技不断更新、环境得到重视的当今社会，研制出成本低、灭火效果好、维护管理方便、安全经济的高压细水雾灭火系统意义重大[6]。

高压细水雾灭火系统需能够较好地克服气体灭火系统的缺点，具有气体灭火和水灭火的双重优点，同时具有“冷却、消烟、持续控火灭火，以及系统在火灾蔓延速度不大于3 m/s的火灾场合可保证良好的控火灭火效果和设备维护费低”5项优点[7]。

基于此，本文设计一种适用于地铁的高压细水雾灭火系统，并对其灭火性能开展试验研究，以论证该灭火系统在地铁车辆火灾中应用的有效性和可行性。

2 高压细水雾灭火系统设计

本文设计的高压细水雾灭火系统为主动灭火系统，能够有效地防范各种突发火灾隐患，有助于在火灾发生时快速控制火情、疏散群众。其既具有气体灭火的优势，体现为流动性和淹没性，又有水系统的快速降低火场能量和温度的特点；同时具有系统轻便、可有效降解有毒气体和烟尘等的独特优势，能够维持现场良好的视线，为快速疏散人群创造条件。

2.1 系统组成

整个系统由控制单元（主机箱、人机接口（HMI）控制器）、报警单元（火灾探测器、摄像机）、管网单元（泵组、分区控制阀、管路和高压细水雾喷头）等部件组成，其架构示意如图2所示。各部件在地铁中的设置情况如表1所示。

表1 各部件在地铁中的设置情况

图2 系统架构示意

2.1.1 主机箱

主机箱采用铝板3U标准机箱形式，箱体采用铆接方式连接。柜内安装电源功率器件，侧板和顶部设有散热孔，前面板设有便于维护的拉手装置。其外观如图3所示。

图3 主机箱外观

主机箱内部系统主要由可编程控制器、逻辑继电器、网络交换机组成。可编程控制器采集系统水位、压力、温度、火灾报警等输入信号，逻辑继电器将继电逻辑控制程序预先存储在内部存储器中，通过用户调用程序，进行逻辑分析并实现输出控制，同时与视频终端进行实时数据通信。网络交换机连接整个系统网络，作为可编程控制器和视频监控的物理通信硬件接口，其 100 MB/s数据传输速度能够保证整个网络通信的可靠性。

2.1.2 HMI 控制器

网络监控由视频网络和数据信息网络组成。整个网络以工业以太网（PROFINET）数据总线连接，并且采用环网冗余的连接方式。HMI控制器安装于司机室前端，摄像机实时给HMI控制器传输车厢的视频动态信息，火灾探测器实时给HMI控制器传输火灾报警信息。当车厢发生火灾报警时，火灾区域将在HMI控制器上放大，以便司机进一步确认火灾动态信息。此时司机可通过HMI控制器触发高压细水雾系统，同时具体报警。

主机箱和HMI控制器设以太网接口（M12 连接器），可以进行数据交互，软件的上载、下载。如图4所示，HMI控制器由司机台、工控电脑和侧墙板组成，司机通过操作HMI控制器完成对整个系统的控制；同时，HMI控制器采集所有的事件记录数据、系统启停信号、报警信号等。

2.1.3 火灾探测器

火灾探测器通过分析火焰的跳跃特性以及火焰紫外光和红外光的特性探测着火点。整个探测过程由系统自动完成，并报警至司机室。如图5所示，每节车厢的顶板安装4个火灾探测器和4个摄像机，其探测距离为15 m，探测角度为120°，灵敏度小于6 s。

图5 车厢一端火灾探测器和摄像机的安装布置

2.1.4 泵组

泵组采用整体车下吊装的安装方式，由4×M12的螺丝与车底安装梁进行连接固定。考虑到吊装的承载运动冲击环境，设计时采用槽钢框架焊接结构，以保证足够的机械强度，满足GB/T 21563-2018《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》振动冲击要求。同时该箱体采用车底安装，设计按防护等级IP65的要求，面板内采用发泡密封胶条工艺，进一步保证了箱体的密封性。泵组外观如图6所示。

图6 泵组外观

电气部分主要为电机驱动单元（包括电机+水泵），电机的额定转速为1 500 r/m，流量为35 L/min，额定功率为7.5 kW，额定电压为110 V（直流）。同时泵组设有液位、温度、压力的数据检测传感器以及防冻电伴热设备。

2.1.5 分区控制阀

分区控制阀连接在整个水路管网中，系统通过控制相对应车厢的A或 B区域电磁阀的开启或关闭控制管网水路通断，从而触发对应的灭火区域。每节车厢安装1个分区控制阀，质量为5 kg，安装在车厢底部，如图 7所示。

图7 分区控制阀外观及安装位置

2.1.6 管路

整个系统管路材质采用不锈钢304精密无缝钢管，耐高压、耐腐蚀。主管路吊装于车底贯穿整个车厢，支管路通过分区控制阀分别引入车厢，如图8所示。管路的工作压力为10 MPa，系统管道的水压力损失应按式 （1）～式（3）计算[8-9]。

图8 管路安装位置示意

式（1）～式（3）中，Pf为管道水压力损失，包括沿程水压力损失和局部水压力损失，MPa；Q为管道流量，L/min；L为管道计算长度，包括管段的长度和该管段内管接件、阀门等的当量长度，m；d为管道内径，mm；f为摩阻系数；ρ为流体密度，kg/m3；Re为雷诺数；μ为动力黏度，Pa · s；Δ为管道相对粗糙度；ε为管道粗糙度，mm（对于不锈钢管，取0.045 mm）。

（1）主管路。L= 100 m；f根据Re/Δ计算查莫迪图为0.027；ρ= 1×103kg/m3；Q= 32 L/min；d= 16 mm；按式（1）计算得Pf= 0.59 MPa。

（2）支管路。L= 15 m；f根据Re/Δ计算查莫迪图为0.027；ρ= 1×103kg/m3；Q= 32 L/min；d= 10 mm；按式（1）计算得Pf= 0.93 MPa。

整个管路的水压力损失为0.59 + 0.93 = 1.52 MPa。

2.1.7 高压细水雾喷头

高压细水雾喷头的外观及安装位置如图9所示，吸顶安装，每节车厢安装8个，其流量计算公式为[8-9]：

图9 高压细水雾喷头外观及安装位置

式（4）中，q为喷头设计流量，L/min；K为喷头流量系数，L/min/（MPa）1/2；P为喷头设计工作压力，MPa。

本文选取P= 8 MPa，K= 0.9 L/min/（MPa）1/2，计算得出喷头设计流量q≈8 L/min。系统的设计流量计算公式为：

式（5）中，Qs为系统的设计流量，L/min；n为喷头数；qi为计算喷头的设计流量，L/min。

其中，取n= 4，qi= 8 L/min，计算得出系统的设计流量Qs= 32 L/min。

2.2 主要技术参数

2.2.1 使用环境

（1）工作环境温度范围：-25～55 ℃；

（2）工作环境相对湿度：最湿月平均湿度不大于95%；

（3）海拔高度：≤2 500 m。

2.2.2 系统功能

地铁在运营中一旦车厢发生突发火灾灾害，司机可通过视频监控确认后启动高压细水雾灭火系统，通过高压细水雾喷头喷放细水雾可以吸热、排氧、阻辐射，从而达到控火或灭火的目的。该灭火系统具有如下功能：

（1）分区应用控制功能；

（2）火灾自动报警功能；

（3）高压泵组供给功能；

（4）喷头管路喷淋功能；

（5）网络冗余传输功能。

2.2.3 性能参数

（1）额定工作电压：DC110V；

（2）辅助额定工作电压：DC24V；

（3）额定功率：10 kW；

（4）响应时间：≤30 s；

（5）起动时管道的压力：≥10 MPa；

（6）持续工作时间：≥150 s。

3 灭火性能试验

本试验以A型地铁列车车厢为具体研究对象，采用高压细水雾灭火系统，搭建实体火灾试验平台进行一系列试验，验证该灭火系统在地铁列车车厢中进行灭火、降温的有效性。试验在充分考虑地铁列车可能存在的火灾风险基础上进行，重点测试车厢内人为纵火等条件下系统的扑救效果，主要遵循下列原则：

（1）高压细水雾灭火系统启动后，应在短时间内扑灭火灾或使火情得到有效控制；

（2）高压细水雾灭火系统启动后，应能够在列车车厢内营造相对安全的环境。

如图10所示[10]，搭建模拟车厢进行全尺寸试验研究，试验空间模拟2节A型列车车厢，车厢间通过贯通道连接。单节车厢的长×宽×高为22.88 m×2.88 m×2.10 m，贯通道的长×宽×高为0.92 m×1.50 m×1.90 m。模拟车厢两端设置宽度为1.5 m、高度为1.9 m的开口。

图10 试验模拟列车车厢

试验针对地铁主要可能的火灾类型和特点，采用可燃行李箱火源和木垛火源衡量地铁车厢内高压细水雾系统对A类火灾的扑救能力。试验所用行李箱火源参考ARGE Guideline-part 2 “fire fighting in rolling stock”[11]，木垛根据GB 4351.2-2005《手提式灭火器 第2部分：手提式二氧化碳灭火器钢质无缝瓶体的要求》[12]中标准木垛的制作方法制作成标准火源，采用500 ml汽油倒于其下部油盘点燃，火源设置在车厢中央喷头正下方或两喷头之间。行李箱和木垛火源实物如图11所示。

图11 行李箱和木垛火源实物

试验时点燃火源并开始计时，在预燃一定时间后，手动开启高压细水雾灭火系统进行灭火，行李箱和木垛火均预燃120 s。该灭火系统启动后，保持喷雾3 min，观察并记录各参数变化。若灭火成功，则关闭灭火系统，观察并记录试验数据；若灭火失败，则继续喷雾，直至火焰被扑灭。本文共试验6次，试验结果如表 2所示。

表2 灭火试验结果

根据试验结果结合相关数据分析可知：

（1）在当前试验条件下，对于行李箱发生的火灾，该灭火系统具有良好的冷却降温效果，可以在153 s内灭火，且将距行李箱两侧2.0 m 以外车厢内的环境温度控制在60 ℃以下。

（2）当采用 500 ml汽油泼洒木垛表面的引燃方式时（模拟中人为将可燃液体泼洒在可燃物体上），采用喷头正下方的喷雾施加方式灭火时间为64 s，可以较为有效地扑灭火灾。同时，试验发现，在喷头正下方的喷雾施加方式对木垛火灾的控火降温效果略优于在两喷头之间的。

（3）其他工况下，当木垛位于两喷头之间等相对不利位置或采用下部油盘引燃木垛等容易形成深位火灾的点火方式时，在现有试验条件下，该灭火系统可以在64 s内控火，但无法灭火。

（4）该灭火系统启动后，木垛正上方1.5 m及 2.0 m处的温度可迅速降低至60 ℃以下。由于烟气层的下降和被扰乱，车厢内的环境整体温度较喷放前上升约44%，但最高处温度可控制在55 ℃以下，低于人体的暂时耐受温度 60 ℃。

4 结语

目前我国包括铁路、地铁、轻轨、有轨电车在内的轨道交通建设正处于一个高速发展阶段，已有各类轨道列车4万多辆。地铁列车空间相对密闭，人员十分密集，一旦发生火灾将对人员生命安全造成严重威胁。因此，建立适合我国地铁列车的消防灭火系统尤为重要。本文针对目前地铁车辆时常发生火灾，急需灭火系统的现状，设计了一种适用于地铁的高压细水雾灭火系统，对该系统的设计原理、结构功能、应用等做了详细阐述，并对其灭火性能开展了试验研究，从而论证了该灭火系统在地铁车辆上应用的安全性和可行性。该地铁车辆高压细水雾灭火系统系业内首创和首次列装，是一项预防扑救火灾的新技术，填补了目前车载无主动消防系统的空白，在防止我国地铁列车火灾事故的发生，减少火灾损失，保障地铁列车的人员生命财产安全等方面，具有重大的现实意义。