铁路隧道救援站火灾模拟实验平台设计及细水雾系统抑制车厢火灾的模拟实验研究

王庆生，刘炳海，王文伟，胡隆华，孟 娜，吴龙标

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，610031；

2.合肥科大立安安全技术股份有限公司，安徽 合肥，230088；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

铁路隧道救援站火灾模拟实验平台设计及细水雾系统抑制车厢火灾的模拟实验研究

王庆生1，刘炳海2，王文伟2，胡隆华3，孟 娜3，吴龙标2

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，610031；

2.合肥科大立安安全技术股份有限公司，安徽 合肥，230088；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

按照1：1尺度设计了实验平台，包括模拟隧道、模拟列车、排烟系统、火灾监控系统、火灾扑救系统以及火灾参数测量系统，是国内第一个专门对铁路隧道救援站的火灾安全性进行系统研究的全尺寸实验平台。实验平台可实现温度场、燃烧成分、火源热辐射等关键参数的测量；可研究不同工况条件下，火灾监控、火灾扑救技术和烟气控制技术的有效性，为发现火灾特征参数的演变规律和掌握有效的火灾控制技术提供了一整套解决方案，具有广阔的应用前景和重要的实际指导意义。本文建立并利用这样一个全尺寸实验平台进行了细水雾灭火系统抑制车厢火灾的模拟实验研究，获取温度、有毒有害气体浓度、热辐射等火场重要参数，发现细水雾灭火系统可有效的抑制车厢火灾，并验证了此实验平台用于铁路隧道内列车火灾实验研究的可行性和有效性。

隧道；火灾；救援站；细水雾

0 引言

近年来，我国铁路建设发展迅速，铁路隧道的数量和长度不断增加，尤其是特长铁路隧道越来越多，同时铁路列车行车速度、密度继续加大。一旦列车在隧道内发生火灾，将造成巨大的人员伤亡、财产损失［1］。为此，当前一些特长铁路隧道采取了在隧道中部设置救援站的设计和建设方法，一旦列车发生火灾短时间无法驶出隧道，则采取停靠救援站的做法，通过救援站实现人员逃生，并利用救援站的相关火灾控制设施对列车火灾进行抑制和扑救［2－4］。因此，研究特长铁路隧道内列车生火灾停靠救援站情况下的烟气控制、火灾监控、火灾抑制与扑救系统的有效性对于人员及列车安全具有重要意义［5］。

国内外对于隧道火灾已进行过一定研究［6－8］。如在2006年，法国的Vauquelin按1：20的比例建立了长10m，宽0.5m，高0.2m的缩尺寸模型实验台，对影响横向排烟效率的参数、隧道宽度对临界抑制风速的影响进行了研究。在2001年和2003年，日本和挪威的隧道火灾科学研究者Shimizu tests和Runehamar tests开展了隧道火灾的全尺寸实验；在2004-2007年间，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在云南省的阳宗隧道（2790m）、大风垭口隧道（3280m）等隧道开展了一系列的全尺寸隧道火灾实验。上述研究均假定在隧道内发生火灾，研究单一狭长通道内的火灾发展、烟气蔓延与控制等问题。本研究假定在特长隧道内列车发生火灾，侧重研究如何实施火灾扑救和人员救生等问题。由于在特长隧道内设计救援站进行列车火灾的救援在我国是一种新的设计思路，对铁路隧道内列车发生火灾并停靠救援站情况下的火灾烟气蔓延及其特征参数分布规律、火灾控制技术有效性的研究还几乎是空白，因此，建立专门的实验研究平台，开展相应的实验，研究铁路隧道内列车发生火灾并停靠救援站情况下的火灾发展规律及其控制技术，具有非常重要的意义。

1 实验平台主体

隧道救援站火灾模拟实验平台按实际列车火灾停靠救援站的实际内部尺寸建造，主体包括模拟隧道、模拟列车和相应的实验设备。实验设备包括温度、气体浓度及热辐射等测量装置、火灾探测系统、灭火系统及排烟系统等。

1.1 模拟隧道

模拟隧道长30m、宽7.6m、高7.8m，采用钢框架结构，模拟隧道如图1。

图1 救援站实验平台主体图Fig.1 Simulation test platform of rescue station

1.2 模拟列车

模拟列车尺寸与实际铁路客运列车车厢尺寸基本相同，长21.0m，宽2.96m，高2.26m；在模拟列车两侧各设置2.0m高、1.6m宽的对开门，0.6m高、1.0m宽的钢化玻璃封闭窗户。

1.3 火灾监控和扑救系统［9－13］

隧道救援站火灾监控系统由火灾报警控制器和布置于隧道侧壁上方的火灾探测器等组成。灭火系统为细水雾灭火系统，由布置于模拟列车两侧的细水雾喷头及与其相连的管道、控制阀组、水泵和水源等组成，如图2所示。

图2 细水雾喷头布置图Fig.2 Water mist nozzle arrangement

1.4 排烟系统

在隧道实验平台隧道纵轴线的两端上各布置一台消防高温排烟风机，如图1所示。为了解风机运行时模拟隧道内的流场分布，需在模拟隧道内进行风速标定实验。实验通过标定若干位置上的风速值，确定风机电源工作频率与风速的对应关系，构建模拟隧道内流场分布图。

1.5 温度测量系统

温度测量系统包括隧道内多路同一垂直平面的竖向热电偶串（见图3a）和布置于隧道顶部水平方向的热电偶串（见图3b），以及与其连接的数据采集装置。

本试验中所使用的热电偶为K型铠装热电偶，即镍铬／镍硅热电偶，热电偶按照国家标准《镍铬－镍硅热电偶丝》（GB／T2614-1998）制作，测温范围在－50℃～1200℃之间，可以测量高温烟气的温度。试验使用K型铠装热电偶型号为WRNK-191，即使用的是尺寸为Φ1×400mm的镍铬－镍硅热电偶。

如图3a所示，在5m、10m、15m、20m、25m 处沿竖直方向各布置一串热电偶，每串热电偶有6个热电偶，每两个热电偶间距为1.2m，用于测量救援平台内垂直温度场分布。如图3b所示，在沿隧道纵向中心线上，距隧道顶棚0.2m高度，每隔1m布置一个热电偶，共30个热电偶，用于测量隧道顶棚下方烟气层沿隧道纵向的温度分布；在沿隧道纵向中心线的15米处，距隧道顶棚0.2m高度，横向每隔1m布置一个热电偶，用于测量隧道顶棚下方烟气层沿隧道横向的温度分布。

1.6 烟气成分测量系统

烟气成分测量系统包括测量燃烧产物成分的电化学气体成分测量装置及与其电信号连接的数据采集装置。实验中采用德图testo 350XL实时测量烟气中O2和CO的浓度。图4中A点、B点分别为德图气体分析仪的气体成分及浓度取样点。

图3 热电偶布置示意图Fig.3 Thermocouple arrangement

图4 德图测点布置示意图Fig.4 Testo350XL detector arrangement

1.7 风速测量系统

风速测量系统包括布置于隧道内横截面上的风速探头及与其电信号连接的数据采集装置。本实验采用日本加野麦克斯（KANOMAX）公司生产的智能型多通道风速测量系统（MODEL6243），见图5。该系统由模块本体、风速探针和数据传输电缆等组成，可以测量风速的瞬时值、平均值以及温度和湿度等参数。

图5 热线风速仪Fig.5 Hot-wire anemometer

1.8 热辐射通量测量系统

热辐射通量测量系统包括布置在火源附近的热辐射通量探头，及与其电信号连接的数据采集装置。实验采用法国Captec公司的TS-30总辐射热流传感器。图6给出了辐射热流计的位置示意图。实验中共用到2支热流计，分别距离隧道地面为2m、3m，与火源中心距离为2.5m。实验中辐射热流计的位置随火源位置的变化而变化。

2 实验场景设置和工况设计

2.1 模拟火源选取

隧道列车火灾通常是以燃油为代表的液体火灾和以卧具、座椅、行李等为代表的固体火灾，这里选取汽油为燃料模拟列车火灾。

前人的研究结果认为：列车火灾功率约为5MW，但高黎贡山隧道消防救援站主要针对早期列车火灾扑救设计，因此实验选取1m×1m正方形油盒内放量90＃汽油作为模拟火源，1m2汽油池火最大热释放速率为1.8MW，燃烧效率为0.75，燃烧时间为8min～15min。

2.2 工况设计

此实验平台内可开展一系列模拟火灾实验，典型火源采用1m×1m汽油火，纵向位置在隧道正中，垂直位置分别为车顶、车内和车底。纵向风速分别为：0m／s，1m／s，3m／s，6m／s。实验工况如表 1所示。

图6 热辐射通量测点布置示意图Fig.6 Thermal radiation detector arrangement

表1 实验工况设计Table 1 Test condition design

图7 汽油火在0m／s风速下细水雾施加前后的实验现象Fig.7 The experiment phenomenon of gasoline fire under water mist（wind speed 0m／s）

3 铁路隧道内救援站典型火灾实验

3.1 细水雾施加前后的实验现象

细水雾系统在汽油火自由燃烧30秒后开始喷雾，图7中前两幅图为汽油火自由燃烧状态，后四幅为施加细水雾后的灭火效果。

点火初期，汽油火发烟量较少，燃料燃烧较完全。随着燃料温度升高，蒸发加快，燃料燃烧较不完全，发烟量增加，且烟气缓慢从车厢内溢出，开始向四周扩散。在无风情况下，烟气从火源区向隧道自由扩散，逐渐充满整个隧道，导致隧道能见度降低，同时，火焰也有往外蔓延的趋势，有可能引燃其他可燃物，扩大火灾面积，这对于人员疏散是非常危险的。在有风条件下，从车厢溢出的烟气会加速向隧道下游扩散，并且随着风速的增加，扩散速度越来越快，烟气会更快充满隧道。细水雾施加后，火势明显得到了控制，最终火灾基本被控制在了车厢内部，从一定程度上减少了火灾对隧道的破坏，降低了高温对人员的伤害。

3.2 细水雾施加前后的温度场分布

图8给出了汽油火在各种风速下细水雾施加前后烟气层温度变化情况。观察曲线可发现，细水雾施加前，顶棚烟气层温度很快上升至最大值，约为50℃；温度沿隧道分布是中间温度高，两端温度低；细水雾施加后，顶棚烟气层温度呈明显的下降趋势，大约在细水雾开启后200s，烟气层温度趋于稳定值，降至25℃以下，之后变化比较轻微。在隧道纵向风的作用下，热烟气被吹至下游，下游的烟气层温度高于上游。随着风速的增大，最高温度点向下游移动。由于在风的作用下，部分细水雾沿风向运动至下游，所以下游烟气层温度降低的幅度大于上游烟气层。

图8 汽油火在各种风速下细水雾施加前后烟气层温度变化Fig.8 The changes of smoke temperature under water mist at different wind speeds

图9 汽油火在各种风速下细水雾施加前后CO浓度变化Fig.9 The changes of CO concentration under water mist at different wind speeds

图10 汽油火在各种风速下细水雾施加前后火源附近热辐射通量变化Fig.10 The changes of thermal radiation fluxes under water mist at different wind speeds

3.3 细水雾施加前后的CO浓度分布

图9给出了汽油火在各种风速下细水雾施加前后的CO浓度变化情况。在整个实验过程中，初始阶段CO浓度基本上为0ppm，随着燃烧的进行有轻微的增加。细水雾施加之后，初期CO浓度大幅上升，一般在20ppm～40ppm左右，这是由于细水雾的作用导致了燃料燃烧不完全，致使CO浓度升高。当细水雾有效控制火灾后，CO浓度迅速下降。

3.4 细水雾施加前后的热辐射通量变化

图10给出了汽油火在两种风速下细水雾施加前后火源附近热辐射通量变化情况。在细水雾系统开启之前，随着燃烧时间的推移，辐射呈上升趋势，最强热辐射可达1.75kW／㎡。靠火源区更近的热辐射更高。在细水雾系统开启之后，辐射明显下降，尤其是火源区域，最大辐射差值可以达到1.55kW／㎡。

4 结论

本实验平台是目前国内第一个专门对铁路隧道内列车火灾的火灾特征参数、烟气运动、火灾监控及扑救等进行系统研究的全尺寸实验平台。通过大尺寸油池火燃烧和细水雾灭火实验表明：1.该实验平台可模拟隧道救援站火灾，并进行不同工况下的温度场空间分布、关键位置的有毒有害气体浓度分布的测量。2.通过温度、氧气浓度、热辐射强度等参数的测量，可对隧道消防系统的火灾监控和扑救能力的有效性进行评估；在本实验工况条件下，细水雾灭火系统可有效的抑制列车火灾。3.该实验平台将铁路隧道内列车火灾停靠救援站的火灾特征参数、烟气控制、火灾监控与扑救等研究工作搬到实验室内进行，可以进行更广泛、系统、深入、细致的模拟测试，具备很大的应用价值和重要的实际指导意义。感谢安徽省热安全工程研究中心的大力支持。

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Design of the simulation platform of fire rescue of the railway and simulation study of carriage fire inhibition by water mist system

WANG Qing-sheng1，LIU Bing-hai2，WANG Wen-wei2，HU Long-hua3，MENG Na3，WU Long-biao2

（1.China railway eryuan engineering group co.ltd.，610031，China；2.Hefei kdlian safety technoligy co.ltd.，230088，China；3.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei，Anhui，230026，China）

In this paper，the experimental platform，including simulations of tunnel，rescue centre and platform，train，smoke exhaustion system，fire monitoring system，fire suppression system and fire measurement system，was designed in 1∶1full scale.It was the first professional platform in China designed for the investigation of fire rescue in tunnel.A series of solutions were given on how to improve the effectiveness of fire monitoring，fire supersession and smoke control under different velocities of air flow in the tunnel.The temperature field，toxic gas concentration and heat radiation in overlong tunnels were also investigated.In addition，fire suppression experiment with water mist was also carried out in order to prove the feasibility and effectiveness of the platform.The data of temperature，toxic gas concentration and heat radiation intensity were obtained，showing that water mist could suppress fire effectively.

Tunnel；Fire；Rescue station；Water mist

X932；X928.7

A

1004-5309（2012）-0006-07

2011-11-15；修改日期：2011-12-19

王庆生（1964-），男，高级工程师，注册设备工程师，大学本科学历，专业给水排水，从事专业给排水、消防工程设计，主要研究方向铁路隧道消防系统设置。