地铁车辆段烟气蔓延规律研究及火灾探测器选型试验

刘苏敏陆 嘉 张文庆方丽丽

地铁车辆段烟气蔓延规律研究及火灾探测器选型试验

刘苏敏1陆 嘉2张文庆2方丽丽2

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉；2.合肥科大立安安全技术股份有限公司，230088，合肥∥第一作者，高级工程师）

通过典型火源燃烧试验分析了地铁车辆段内的烟气蔓延特性，对高大空间常用火灾探测器在地铁车辆段内的探测性能及抗雾霾干扰特性进行了研究。结果表明，以光截面感烟火灾探测器和图像型火灾探测器相结合的探测方式，可有效实现地铁车辆段内的火灾早期探测。

地铁车辆段；大空间；火灾烟气；火灾探测

地铁车辆段由列车停放区、车辆清洗区、检查和小修库、大修车间、机车库等组成，涉及约30个专业及系统，检修作业流程复杂、用电设备多、危险性很高，一旦发生火灾，会造成严重损失［1］。安装可靠有效的火灾探测设备是预防火灾发生的重要途径。由于该类场所空间高大的特点，一般建筑中广泛使用的点型感烟、感温火灾探测器并不适用。目前，国内地铁车辆段中使用的火灾探测器主要有吸气式感烟探测器、红外线型光束感烟探测器、图像型火灾探测器等［2-4］。文献［5］对吸气式感烟火灾探测器在高大空间中的应用进行了实体试验研究，得到了吸气式感烟火灾探测器在高大空间的响应性能，并给出了该类探测器在高大空间的布置方式。文献［6］在镂空格栅吊顶的地铁车站内进行了吸气式感烟火灾探测器的试验，讨论了不同通风工况及安装位置对该类探测器的影响。文献［7］等通过明火试验研究了线型光束感烟火灾探测器在高大空间内的报警性能，提出了线型光束感烟火灾探测器在高大空间内的安装参数。然而实际应用中，安装在地铁车辆段内的火灾探测器经常由于早期火灾烟气较小产生报警延迟，或环境中粉尘、水雾、雾霾等影响而产生漏报、误报现象。所以，地铁车辆段内火灾探测器的选择问题亟待解决。

本文在搭建地铁车辆段模拟试验平台基础上，通过设置典型火源，对吸气式感烟探测器、光截面感烟火灾探测器、双鉴式感烟火灾探测器、红外对射式感烟火灾探测器、图像型火灾探测器进行了适应性与有效性试验研究，并测试了各探测器的抗雾霾干扰特性，为地铁车辆段的火灾探测器选型提供依据。

1 试验平台搭建

试验为模拟地铁车辆段的大空间特点，选择在合肥某企业的大型火灾实验室进行。该大空间实验室的长、宽、高分别为48 m、18 m和14 m，长边高13 m位置设有一排高0.5 m的高位窗，建筑形态与地铁车辆段建筑相似。根据GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》中相关要求［8］，结合实验室空间的尺寸，几种探测器按图1所示布置。

（1）红外对射式感烟火灾探测器：3对探测器，安装在实验室两个短边，距顶棚0.5 m的位置，相邻探测器间距6 m，两侧的探测器与长边墙的距离为3 m。

（2）吸气式感烟火灾探测器：共布置2台，每台探测器设3个长为20 m的采样管；中间采样管沿短边中线布置，相邻采样管间距离6 m，紧贴顶棚安装，两侧的采样管与长边墙的距离为3 m；采样管上每间隔4.5 m有一个直径3 mm的采样孔。

（3）双鉴式感烟火灾探测器：共布置2组，包括2个接收器和6个发射器，探测器安装在实验室两个短边距顶棚0.5 m的位置，每边1个接收器和3个发射器，相邻探测器间距4.5 m，两侧的探测器与长边墙的距离为2.25 m。

图1 几种火灾探测器布置示意图

（4）光截面感烟火灾探测器：与双鉴式感烟火灾探测器布置相同。

（5）图像型火灾探测器：在实验室的对角线位置高度10 m处，布置2台图像型火灾探测器，并确保中间无遮挡物。

2 典型火源燃烧烟气蔓延试验

地铁车辆段内的可燃物主要为列车车厢内的座椅、车顶棚的有机装饰材料，以及检修区存放的橡胶、塑料制品等［9］。这些材料燃烧时会释放出大量有毒浓烟，而大空间内烟气的运动方式直接影响感烟型火灾探测器的探测效果。结合这一特点，并根据《点型感烟火灾探测器》规范中相关规定，选择棉绳阴燃、聚氨酯明火作为标准试验火［10］，以研究地铁车辆段内火灾发生后的烟气蔓延规律。

2.1 棉绳阴燃烟气蔓延试验

分别选取90根棉绳、270根棉绳试验火进行试验。每根棉绳长80 cm、重3g，并保证其洁净、干燥。将棉绳固定在直径为10 cm的金属圆环上，用支架悬挂吊起，距地面高度为40 cm；在棉绳下端点火，点燃后熄灭火焰，保持棉绳的阴燃产烟状态。利用热电偶及烟气分析仪测量烟气温度及有害气体浓度，热电偶位于火源正上方1 m处，烟气探头位于火源正上方1.2 m处。

棉绳阴燃产生的烟气运动大致可以分为3个阶段：①初始阶段，棉绳点燃（阴燃）后，阴燃区域从底部缓慢向棉绳上部蔓延，并产生大量的浓烟，浓烟迅速上升；②水平扩散阶段，通过现场观察与测量，90根棉绳标准火阴燃时烟气最高上升至8 m左右，270根棉绳标准火阴燃时烟气最高上升至10 m左右，随后在7～12 m高度范围内扩散，烟气整体呈蘑菇伞状，随后逐渐水平扩散至整个空间；③扩散后期，由于自身重力及温度的降低，烟气逐渐下沉。

经测量可得，90根棉绳阴燃时产生烟气中的CO体积分数最大值在0.3%左右，CO2体积分数最大值为0.9%，烟气的最高温度为33℃（室温为6℃）；270根棉绳阴燃产生的烟气中CO体积分数最大值在0.4%左右，CO2体积分数最大值为1.7%，烟气的最高温度为44℃。试验中棉绳在阴燃时产生了大量白烟，且烟气中CO和CO2浓度均较大，但始终无法上升至顶棚位置，这主要是由于产生的烟气温度低，烟羽流受热浮力作用小，加之空间较大的原因所致。但是随着火源的增大，烟气将突破热障效应限制而上升至顶棚位置。

2.2 聚氨酯泡沫燃烧烟气蔓延燃烧试验

将3块质量密度约为20 kg/m3，大小为50 cm×50 cm×2 cm的无阻燃剂软聚氨酯泡沫塑料叠放在铝箔上，边缘向上卷起，铝箔下方放一个直径为5 cm的圆形油盘，里面装入5 mL的甲基化酒精作为点火源，点燃最下层聚氨酯泡沫塑料。

试验中测得聚氨酯泡沫燃烧的烟气最高温度大约为90℃，CO体积分数最大值为0.0034%，CO2体积分数最大值为0.4%。聚氨酯在燃烧时产生稀薄的黑烟，其产烟量和烟气中CO和CO2含量均较小，但高温烟气受热浮力的作用迅速上升，上升过程中未发生水平扩散现象，能够直接运动到实验室顶棚位置。

3 地铁车辆段火灾探测试验

3.1 试验工况设置

为对比5种探测器在地铁车辆段的火灾探测性能，试验共设置棉绳、聚氨酯塑料、烟饼（直径3.5 cm、厚1.2 cm）3种火源，火源均位于实验室地面中心位置。在不同火源载荷大小条件下，考察5种探测器的报警响应情况。

3.2 试验结果与分析

每种工况下依次试验，记录火源点燃时间及各种探测器的报警时间，表1为1 800 s内各工况下探测器的报警时间。

表1 试验工况设置与火灾探测器报警结果 s

3.2.1 对棉绳阴燃探测性能分析

当火源为90根棉绳阴燃时，产生烟气量少且温度较低，向上运动的热浮力作用小，使得烟气上升至8 m左右时便开始水平扩散，烟气无法上升至顶棚。而各感烟型探测器的探测区域都在靠近顶棚区域，所以各探测器均无法在1 800 s内报警。

火源为135根棉绳阴燃时产生的烟气较90根棉绳多，烟雾垂直上升，100 s左右时烟气前锋位置上升到10 m左右，由于探测器安装高度较高，此时烟气并未上升至探测区域。随后，烟气受热障效应影响而逐渐水平扩散，且由于温度的降低及自身重力影响，烟气保持在8 m左右的位置，形成同温烟层。约720 s时，烟雾开始出现沉降和弥散现象，1 200 s后烟气逐渐充满整个空间。吸气式感烟火灾探测器在720 s时报警，此时其他探测器均未发生报警。这主要是由于吸气式感烟火灾探测器采用抽气管主动采集空气样品，在烟气浓度较小时即能达到其报警阈值；而此时少量的烟气并不能使光的衰减度达到光束型感烟探测器（红外对射式感烟火灾探测器、双鉴式感烟探测器、光截面感烟火灾探测器）的报警阈值。在1 200 s时，烟气已基本弥散至整个空间，烟气浓度的升高，光截面和双鉴式感烟火灾探测器先后报警。红外对射式感烟火灾探测器由于产品本身采样对比算法的问题，未能在1 800 s内报警。

405根棉绳阴燃时，产生烟雾量大，约在95 s时烟气前锋便上升至13.5 m高度位置，随后烟气在上升的同时，也逐渐向四周水平扩散；130 s后，烟雾开始出现沉降和弥散现象，在大量烟气的持续释放、热浮力作用影响下，烟气上层前锋位置继续上升，300 s后烟气层也逐渐达到13.5 m高度位置；约1 000 s后，烟气已基本充满整个空间。117 s时光截面感烟火灾探测器先发出报警，167 s时位于中间位置的一对红外对射式感烟火灾探测器报警，双鉴式感烟火灾探测器在300 s左右报火警，而吸气式感烟探测器报警时间最长。这主要是因为光截面感烟火灾探测器以就近取图为报警原理，可以快速存取样本并完成分析，所以其报警响应时间较快；双鉴式感烟探测器和红外对射式感烟火灾探测器利用光的快速传播为探测原理，响应时间较短，且烟气前锋位置上升到其监测区域的速度越快，这一现象越明显；吸气式感烟火灾探测器由于需要吸气管抽取样本分析，时间较长。

试验中，棉绳阴燃不产生火焰，因此以火焰为探测参量的图像型火灾探测器均未发出报警。

3.2.2 对聚氨酯塑料燃烧探测性能分析

3块聚氨酯塑料燃烧时产生明火，同时释放出大量黑色烟气，烟气在热浮力作用下上升，在150 s左右即上升至14 m的高度，随后烟雾开始水平扩散，形成同温烟层。随着时间的推移，慢慢扩散至整个空间。图像型火灾探测器在20 s内即实现报警，因为其以探测火焰为报警原理，在无遮挡的情况下，具有报警灵敏、准确的特点。图像型火灾探测器还具有可视功能，能迅速实现火灾的定位，同时也具有日常的视频监控功能。其他感烟探测器中，光截面感烟火灾探测器报警时间最短，约150 s时报警；双鉴式感烟火灾探测器次之，吸气式感烟火灾探测器相对较慢，红外对射式探测器则最迟发出报警。

3.2.3 对烟饼燃烧探测性能分析

烟饼被点燃后立即释放大量白色浓烟，烟气垂直上升，在100 s左右即上升到14 m高度，随后在高度14 m位置形成同温烟层，并慢慢向下沉降进而扩散至整个空间。试验中烟饼的燃烧无火焰产生，所以图像型火灾探测器未响应。其他感烟探测器均在300 s时间内发出警报，其中以光截面感烟火灾探测器以100 s响应速度最快，双鉴式感烟火灾探测器次之，红外对射式感烟火灾探测器再次之，吸气式感烟火灾探测器响应时间则最长。

4 感烟探测器抗雾霾干扰能力试验

地铁车辆段属于开放式高大空间，其内部设置的火灾探测器易受雾霾天气或灰尘的影响，本文开展了感烟型探测器的抗雾霾干扰能力试验。试验分别在2015年12月21日、22日、25日进行，上午9：00启动各感烟型探测器，观察记录1 h内各探测器的报警信息，试验中实验室的门与高位窗保持常开状态。表2为试验时雾霾天气状况及探测器的报警结果。

表2 探测器抗雾霾干扰试验报警结果

试验结果显示：吸气式感烟火灾探测器与双鉴式感烟火灾探测器在试验中均发生误报警，光截面感烟火灾探测器与红外对射式感烟火灾探测器则未受到影响。可以看出，双鉴式感烟探测器和吸气式感烟火灾探测器的抗雾霾干扰能力相对较差。

5 结语

本文进行了地铁车辆段内典型火源烟气蔓延试验和多种火灾探测器的探测有效性试验，并对各感烟型探测器的抗雾霾干扰能力进行了测试。试验结果表明：

（1）棉绳阴燃产生的烟气热动力小，很难上升到车辆段这类大空间场所的顶棚；当火源规模增大到一定值时，烟气将克服热障效应上升至顶棚；聚氨酯燃烧产生的烟气温度较高，能够直接上升至顶棚。

（2）吸气式感烟火灾探测器灵敏度高，对烟气浓度较低的棉绳阴燃火的探测效果较好；烟气较多时，光截面感烟火灾探测器的报警速度较快，可实现火灾早期的探测功能；火源为明火时，图像型火灾探测器探测速度极快，并能准确实现对火源的定位。

（3）吸气式感烟火灾探测器与双鉴式感烟火灾探测器在重雾霾天气时易受干扰而发生误报。

综合以上试验结果，建议在地铁车辆段场所选择光截面感烟火灾探测器和图像型火灾探测器相结合的探测方式，既能对烟气、火焰实现快速报警，又能利用二者的视频图像功能进行火灾定位，同时还具有很好的抗雾霾干扰性能。

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Study on Smoke Spreading Law and Fire Detector Selection in Metro Depot

LIU Sumin，LU Jia，ZHANG Wenqing，FANG Lili

In this paper，the characteristics of smoke spreading in metro depot are analyzed through typical combustion experiments,and the performance of frequently used fire detectors in metro depot,as well as the anti-fogging and haze suppression characteristics of fire detectors are studied.The results show that the detection method based on combined light section fire detector and image fire detector can effectively detect the early fire in metro depot.

metro depot；large space；fire smoke；fire detection

U231.96

10.16037/j.1007-869x.2017.11.020

First-author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

2017-02-09）