低压细水雾控制高架仓库实体火灾的实验研究

刘宇芳，姚　斌*，王文伟，舒　雅

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026; 2.合肥科大立安安全技术股份有限公司，合肥，230088; 3.四川法斯特消防安全性能评估有限公司，成都，610000)



低压细水雾控制高架仓库实体火灾的实验研究

刘宇芳1，姚斌1*，王文伟2，舒雅3

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026; 2.合肥科大立安安全技术股份有限公司，合肥，230088; 3.四川法斯特消防安全性能评估有限公司，成都，610000)

摘要:高架仓库的建筑和储存特点导致其火灾危险性远大于普通仓库，因此高架仓库的消防系统设计研究日益受到重视。目前，高架仓库主要采用的是ESFR自动灭火系统，细水雾灭火系统的应用还较少。通过低压细水雾灭高架仓库实体火灾的实验，记录喷头工作压力、实验点火时间、开始喷水时间、灭火时间及燃烧物的损失量，分析温度、热辐射强度以及喷头流量数据。结果表明:在限定的仓库高度以及货架高度条件下，低压细水雾灭火系统能够有效保护高架仓库，且较其它水喷淋灭火系统用水量少，造成货物的水渍损失小。

关键词:高架仓库;低压细水雾;灭火性能;实体火;标准燃烧物

0　引言

高架仓库又称自动化立体仓库，是指货架高度超过7 m且机械化操作或自动化控制的货架仓库，被广泛用做工业、商业的物品仓库。现有消防设计主要采用早期抑制快速响应(ESFR)喷头系统配套室内消火栓对高架仓库进行保护，该灭火方式经过美国FM Global实验室、天津消防研究所、四川消防研究所等消防科研单位的大量实验研究，灭火效果已得到证实［1，2］。GB 50084-2001《自动喷水灭火系统设计规范》［3］中规定了符合一定高度条件的仓库，当设置自动喷水灭火系统时，宜采用ESFR喷头。但是ESFR喷头存在两个固有缺点，即用水量大和对储存货品造成的水渍损失大，这对水资源稀缺地区和所储存货物易受水渍影响的高架仓库是不利的。而细水雾灭火系统用水量小，灭火效率高，因此考虑在此类情况下使用细水雾灭火系统。

目前，国内对于细水雾灭高架仓库火灾的研究还较少，该类研究大多针对高压细水雾以及烟草高架仓库，如罗［4］等人通过高压细水雾在烟草库房中以典型的堆放方式进行实体火灾试验，验证高压细水雾系统保护烟草库房的有效性;丛［5］等人简要比较了超音速干粉、自动喷水及高压细水雾灭火系统在烟草高架库中的应用情况。国外针对高架仓库灭火系统的研究开展较早且现已有专门的标准，美国FM Global实验室早在上个世纪80年代就开始开展一系列ESFR喷头灭高架仓库实体火灾的实验研究，并于2006年将实验结果汇总形成了针对ESFR喷头的合格标准［6］，且FM Global公司定义了仓库喷头即为ESFR喷头和大水滴洒水(LD)喷头［7］;对于细水雾喷头，国外较少将其应用于高架仓库中，少数消防产品公司开发了针对高架仓库的细水雾喷头，如德国的Umbra FSP开发的Ecolexis细水雾灭火系统是专门针对高架仓库的灭火系统。

另外，现有的国家规范也较少触及到细水雾灭火系统在高架仓库中应用的问题，一些地方规范涉及到此问题其规定也是零散不成系统的，如福建省工程建设地方标准《细水雾灭火系统技术规程》［8］中仅在表3.2.3内规定了细水雾如何在烟草高架库内应用，且这些规定局限于闭式灭火系统。低压细水雾灭火系统与高压细水雾灭火系统相比，结构简单，造价低，使用更安全。前人没做过低压细水雾灭火系统应用于高架仓库的实验研究。本文借鉴美国FM Global实验室以及天津消防研究所开展的高架仓库实体火灾的实验条件，采用低压细水雾灭火系统进行灭火实验，以验证其应用于该类场所的可行性并进一步得出具体的设计参数。

1　实验方案设计

1.1实验装置与测量方法

本实验平台如图1所示，综合应用平台的尺寸为12 m(长)×10 m(宽)×10 m(高)，吊顶可升降，升降范围为3 m～10 m，本次实验吊顶升至9 m处。本实验平台整体采用钢架结构，墙面材料为1.2 mm 厚304不锈钢面板。

图1　综合应用实验平台Fig.1 Integrated experiment platform

综合应用平台中放置1组高架库双排货架，如图4所示，其长为5.1 m，宽为2.8 m，高为8.0 m，共有5层。

燃料采用标准塑料试验品，满足GB5135.9-2006《自动喷水灭火系统第9部分早期抑制快速响应(ESFR)喷头》7.29.1条a款要求［9］，标准塑料试验品采用瓦垅纸箱，纸箱中放置5层聚丙乙烯塑料杯，每层按5×5排列共放置25个塑料杯，层与层之间采用厚为4 mm的纸板进行隔离，每个纸箱中塑料杯总重为3.67 kg，纸箱与隔离板质量为2.72 kg。8个纸箱一组，按2×2×2进行叠放，每层货架放置2.5组，两排货架均放置，放置层数为2层～4层。

点火器为浸有0.11 L汽油的纤维棉棒，直径为7.6 cm，长为7.6 cm。并将纤维棉棒用聚丙乙烯袋包裹。将4个纤维棉棒放置在最底层实验货品的一角下。

实验采用丹麦VID FireKill公司产的固定式低压细水雾灭火系统，该套系统由水源、供水设备、管道、阀组、过滤器和雾化喷头等组成。货架内安装BM-1-28喷头共50个，该喷头K=2.8。货架外侧采用2V-SC型N管(如图2所示)，管道上有5组喷头，每组喷头2个，两个喷头之间的夹角为90°，每组间隔0.5 m，共4根管道，分别设置在货架第二层和第四层货架两侧上方;货架内侧采用I-SC型N管(如图3所示)，每根管道上每隔0.5 m设置一个喷头，喷头朝向地面并与地面呈90°，共两根管道，分别设置在货架第二层和第四层货架内测上方。设计喷头最低工作压力1 MPa，总流量为664.1 L/min。主管道使用DN100镀锌管，支管道使用DN25不锈钢管，连接方式为螺纹和软管。

图2　 2V-SC型N管Fig.2 2V-SC type of N tube

图3　 I-SC型N管Fig.3 I-SC type of N tube

实验采用的测量仪器有K型热电偶、辐射热流计、压力变送器以及图像型火灾探测器。共布置14 只K型热电偶，其中吊顶上7只，即T8～T14布置位置满足GB5135.9-2006《自动喷水灭火系统第9部分早期抑制快速响应(ESFR)喷头》7.29.6条a款及b款要求，吊顶下安装角钢一根，角钢尺寸5.08 cm×5.08 cm，厚度为6.4 mm，长度为1.22 m，角钢一平面与吊顶平面直接接触，5只热电偶电焊在角钢表面上，间距15.2 cm，其中中间的热电偶位于角钢的中央并处于点火器正上方，测量吊顶气体温度的热电偶布置在吊顶下方16.5 cm和40.6 cm各一只;其余7只，即T1～T7安装在货架内，用于测量货架内温度变化。此外，本实验在距货架3.5 m处设置一个辐射热流计，用于测量火灾对周围环境的热辐射影响;在各根管道上设置压力变送器(量程0 MPa～25 MPa，精度不低于1.6级)，用于检测各支管压力;在实验平台内设置一台图像型火灾探测器，用于监测火焰的蔓延。

图4　实验货架三视图Fig.4 Three views of the experimental storage rack

1.2实验步骤

实验记录喷头工作压力、实验点火时间、开始喷水时间、灭火时间及燃烧物的损失量。温度及热辐射等数据由采集模块采集记录。

在点火器被点燃的同时，开始计时，为了准确验证低压细水雾在高架仓库火灾中的适用性，因此保守设定当图像型火灾探测器在货架第四层顶板处探测到火焰时，启动低压细水雾喷头对货架进行灭火。喷头持续喷洒15 min，如果15 min内火被完全扑灭，则记录实际灭火时间;如果15 min内火未被完全扑灭，则用备用的自动射流装置或者细水雾喷枪对货架进行灭火。

全实验在相同初始条件下重复三次，分别记为实验一、实验二以及实验三，将三次实验结果进行对比，排除实验数据偶然性，增强数据的可信度。

2　实验结果与分析

2.1实验过程与结果

三次重复实验过程显示:从点火开始，20 s～30 s后，火焰将蔓延至货架第二层顶部; 50 s～70 s后，火焰将蔓延至货架第三层顶部; 60 s～80 s后，火焰将到达货架第四层顶部，此时开启所有低压细水雾喷头进行灭火; 90 s～100 s后，货架第二层火熄灭，货架火灾得到控制; 15 min后，停止供水，停水时仅在货架第三层和第四层残余零星火焰。三次实验具体时间节点数据如表1所示。

图5　实验一过程Fig.5 The process of experiment 1

表1　三次实验的时间节点Table 1 Time points of three experiments

从三次重复实验过程及结果可知:低压细水雾喷头启动后，货架火的火势明显减小，约30 s后，货架第二层火熄灭，整个货架火的火势得到控制。如图6所示，在实验过程中，低压细水雾喷头启动后，由于细水雾的窒息作用，空气中氧含量减少，造成试验品不完全燃烧，导致产生大量烟气，烟气迅速积累，使实验间能见度迅速减小。如图7所示，实验中，在细水雾的冲击作用下，货架内火焰被压制，呈现出火焰朝下的现象。实验结束后，观察货架发现，仅点火源垂直方向的纸箱被烧毁，其余纸箱保存完好，火焰没有向水平方向蔓延，纸箱完好情况如图8所示，被火焰烧毁和水渍损毁的纸箱占所有纸箱的30%。

图6　烟气产生示意图Fig.6 Smoke produced in the experiment

2.2实验数据处理与分析

2.2.1温度参数

三次实验热电偶测得温度变化如图9所示，三次实验温度曲线变化的总体趋势一致，不同实验中同一热电偶所测温度相差较大是因为实验中细水雾溅到热电偶上使其温度下降所致。

图7　火焰被细水雾压制示意图Fig.7 The flame under the suppression of water mist

图8　灭火后的货架示意图Fig.8　 The storage rack after the fire

下面以实验一为例，详细分析温度的变化规律:如图9(a)～图9(b)所示，从点火开始，货架内与吊顶上温度不断上升，其中吊顶上的温度上升速率大于货架内的，温度上升速率且吊顶上温度达到的最大值大于货架内相应的值，这主要是因为受烟气密度的影响，高温烟气不断上升至吊顶，并在吊顶上形成高温烟气层。低压细水雾施加后，货架内温度迅速下降，而吊顶上温度在细水雾施加后短时间内仍继续上升，约10 s后温度迅速降低，这主要是因为低压细水雾喷头布置在货架内且喷射方向向下，细水雾喷头启动瞬间货架内火焰得到明显抑制而吊顶处没有受到细水雾的直接影响。货架内和吊顶上温度下降后，保持在较低温度，其中货架内温度下降后出现明显的波动，然后再归于平缓，这是因为细水雾作用后拉升吹熄火焰，使得火场剧烈扰动。

图9　三次实验热电偶所测温度曲线图Fig.9 The temperatures in the storage rack

2.2.2热辐射强度参数

三次实验辐射热流计测得的热辐射强度曲线如图10所示，从图10中可以看出，三次实验重复性较好，曲线趋势一致。细水雾施加瞬间，热辐射强度迅速减弱，但需要较长时间作用，细水雾才能使热辐射强度降低并稳定于较低值。三次实验辐射热流计测得的最大值为1.3 kW/m2。

图10　三次实验距货架3.5 m处热辐射强度曲线Fig.10 Heat radiation 3.5 m away from the shelf in the three experiments

下面以实验一为例，详细分析距货架3.5 m处热辐射强度曲线:如图11所示，从点火开始，热辐射强度开始上升，细水雾施加瞬间，热辐射强度迅速降低，一方面是因为细水雾施加后有效地抑制了燃烧反应，另一方面是由于细水雾以及蒸汽对辐射的衰减作用。热辐射强度瞬间下降后继续波动，并出现骤升现象，这主要是因为实验平台通风量较小，烟气和温度容易聚集，使得细水雾抑制火焰向四周辐射传热的效果减弱［10］。在细水雾作用较长时间后，热辐射强度波动下降并稳定于较低值。

根据GB5135.9-2006《自动喷水灭火系统第9部分早期抑制快速响应(ESFR)喷头》7.29.6条c款的要求，应测量距试验货架1.22 m，距地面高度为货架高度一半处的热辐射强度，以确定火是否会向走道跃迁而蔓延至相邻货架。

矿石的自然类型为片岩型石墨矿，主要含矿岩石类型是含石墨斜长角闪片岩，其次为含石墨大理岩。区内石墨片径均大于0.001mm，矿石的工业类型为晶质石墨矿。

而由视角系数的积分公式［11］可知，两个表面之间的辐射换热与距离的平方成反比:

因此在得知距货架3.5 m处的热辐射强度的情况下，可以通过计算得出距货架1.22 m处的热辐射强度。距货架1.22 m处的热辐射强度变化曲线如图12所示。

图11　实验一距货架3.5 m处热辐射强度曲线Fig.11 Heat radiation 3.5 m away from the shelf in experiment 1

图12　三次实验距货架1.22 m处热辐射强度曲线Fig.12 Heat radiation 1.22 m away from the shelf in the three experiments

来自NFPA实验数据［12］显示: (1)对易燃物如新闻用纸，其辐射热通量不得超过10 kW/m2; (2)对一般材料如装演家具，其辐射热通量不得超过20 kW/m2; (3)对难燃材料如厚度超过25 mm的木料，其辐射热通量不得超过40 kW/m2。

通过图12可以得知，三次实验距货架1.22 m处的热辐射强度最大值分别为8.6 kW/m2、10.2 kW/m2以及10.6 kW/m2，均小于20 kW/m2，因此，对于储存一般材料和难燃材料的高架仓库，低压细水雾灭火系统可以保证其发生货架火灾时，火不会在相邻货架间蔓延。但实验二和实验三距货架1.22 m处的热辐射强度最大值均略大于10 kW/m2，因此，对于储存易燃物的高架仓库，低压细水雾灭火系统能否阻止火灾在其货架之间蔓延，应通过对低压细水雾喷头的工作压力、启动时间以及布置位置等问题做优化调整来进一步研究。

2.2.3喷头流量参数

根据GB 5135-1993《自动喷水灭火系统洒水喷头的技术要求和试验方法》［13］规定，洒水喷头的流量特性系数K的计算公式:

式中: Q为流量，L/min; P为压力，MPa。

本实验采用的低压细水雾喷头K=2.8，每个喷头的工作压力为1 MPa，通过对管道流量计算得出，50个低压细水雾喷头的总流量为443 L/min。天津消防研究所采用ESFR喷头进行了高架仓库实体火灾实验［14］，其实验中采用的货架、燃烧物以及点火器均与本实验的相同，通过对其实验结果进行分析计算可以得出ESFR自动喷水灭火系统的总流量为1512 L/min。同时，通过对本实验以及天津消防研究所的实验中货架内热电偶测得的温度曲线图进行对比分析可以得出，低压细水雾灭火系统和ESFR自动喷水灭火系统灭高架仓库火灾的灭火时间是基本相同的。

灭火时间基本相同，低压细水雾灭火系统的总流量为443 L/min，ESFR自动喷水灭火系统的总流量为1512 L/min，因此低压细水雾灭火系统灭高架仓库火灾所需的水量不到ESFR自动喷水灭火系统的30%。

3　结论与展望

通过对低压细水雾控制高架仓库火灾的三次重复实验过程及结果进行分析研究，得出结论如下:

(1)施加低压细水雾后，约20 s内货架火灾火势得到控制，货架内和吊顶上温度迅速下降并稳定于较低值，说明在限定的仓库高度以及货架高度条件下，低压细水雾灭火系统能够快速有效保护高架仓库。

(2)细水雾施加后热辐射强度迅速减弱，有效阻隔了热辐射，虽然出现骤升现象，但热辐射强度最大值低于20 kW/m2，因此对于储存一般材料和难燃材料的高架仓库，低压细水雾灭火系统可以保证其发生货架火灾时，火不会在相邻货架间蔓延。

(3)低压细水雾灭火系统控制高架仓库火灾所需的水量不到ESFR自动喷水灭火系统的30%，用水量相对较少，且细水雾对货品造成的水渍损失小，实验结束后损毁纸箱占所有纸箱的30%，因此采用低压细水雾系统灭火可以减少用水量并降低高架仓库火灾的货物损失量，减小财产损失。

3.2展望

对于储存易燃物的高架仓库，低压细水雾灭火系统能否阻止火灾在其货架之间蔓延，应通过对低压细水雾喷头的工作压力、启动时间以及布置位置等问题做优化调整来进一步研究。

参考文献

［1］李毅，等.直立型ESFR喷头货架实体火试验研究［J］.中国安全科学学报，2011，21(12) : 40-45.

［2］包光宏，等.ESFR自动喷水灭火系统在高架仓库中的应用试验［J］.西南科技大学学报，2010，25 (3) : 51-54.

［3］GB 50084-2001自动喷水灭火系统设计规范［S］.北京:国家质量技术监督局，2011.

［4］罗天德，等.高压细水雾灭火系统在烟草仓库中的应用［J］.消防科学与工程，2014，33(10) : 1158-1161.

［5］丛北华，等.烟草库房高压细水雾灭火系统实体灭火试验研究及应用［J］.给水排水，2011，37(6) : 87-91.

［6］FM approvals class number 2008，Approval standard for suppression mode［Early Suppression-Fast Response (ESFR)］automatic sprinklers［S］.

［7］Risk LogicInc..Sprinkler heads technology＆terminology ［J/OL］.http://www.risklogic.com/tech.html.2013-11.

［8］DBJ/T 13-142-2011细水雾灭火系统技术规程［S］.福州:福建省住房和城乡建设厅，2011.

［9］GB5135.9-2006自动喷水灭火系统第9部分早期抑制快速响应(ESFR)喷头［S］.北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2006.

［10］张笑男，等.机械通风条件下细水雾抑制酒精火的试验研究［J］.安全与环境学报，2012，12(5) : 154-159.

［11］Incropera FP，等.传热和传质基本原理［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［12］NFPA921，Guide for fire and explosion investigations［S］.National Fire Protection Association，2008.

［13］GB 5135-1993自动喷水灭火系统洒水喷头的技术要求和试验方法［S］.北京:国家技术监督局，1993.

［14］宋波，等.高架仓库实体火灾的实验研究［J］.消防科学与技术，2009，28(4) : 155-157.

Experimental study on low-pressure water mist for protection of high-rack storage

LIU Yufang1，YAO Bin1，WANG Wenwei2，SHU Ya3
(1.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China;
2.Hefei Kdlian Safety Technology Co.，Ltd，Hefei 230088，China;
3.Sichuan Fast Fire Safety Assessment Co.，Ltd，Chengdu 610000，China)

Abstract:Due to special structure traits and storage characteristics，high-rack storage involves higher fire risk compared to ordinary warehouse.Currently，ESFR sprinkler is the primary choice for high-rack storage while water mist is rarely considered.By conducting experiment of low pressure water mist for extinguishing high-rack storage fire，the working pressure of sprinkler，ignition time，spray start time，flame extinction time and the quantity of goods burned were recorded，and the temperature，heat radiation and sprinkler discharge rate were analyzed.The results illustrate that low pressure water mist protects high-rack storage very well under the situation of the limited height of storage and shelf with less water consumption and less water damage compared to other sprinkler systems.

Keyword: High-rack storage; Low-pressure water mist system; Extinguishment characteristic; Practical fire; Standard combustion material

通讯作者:姚斌，E-mail: binyao@ustc.edu.cn

作者简介:刘宇芳(1989-)，女，湖南人，工学硕士研究生，研究方向为从事消防工程方面的研究。

收稿日期:2015-04-03;修改日期: 2015-05-13

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.04

文章编号:1004-5309(2015) -00142-09

中图分类号:TU998.1; X923; X932

文献标识码:A