机车用热释放速率测试装置的设计研究

贾靖，李秋浩，王晓鸣

（中车大连机车研究所有限公司，辽宁 大连 116000）

近年来，随着高铁体系网络建设及城市轨道交通网络建设的进程加快，对轨道机车部件及设备的安全性、防控准确性提出了更高的要求。目前国内的灭火装置技术所应用的场合仍主要停留在楼宇等大空间、固定场合，并没有专门的针对像机车部件及设备这种活动范围有限、引燃物种类复杂、并可能伴爆炸、烟气蔓延迅速现象的灭火装置，而恰恰是这类移动装备火灾灭火装置才能改变轨道交通网络下机车车体封闭、疏散救援难度大、人员伤亡和经济损失严重的局面。

因此，为满足针对机车部件及设备灭火的需要，研究移动装备火灾灭火装置在特定环境下的燃烧特性，有助于掌握机车内部实际而复杂的火灾特点，对移动装备火灾灭火装置的设计提供可靠、有力的实验保证。

1 测试装置设计

机车用热释放速率测试装置参照现行机车尺寸，模拟车体尺寸为：长×宽×高=26.5m×3.3m×2.8m。测试室即为模拟车体外结构，将车厢与司机室完全罩于内部，测试室尺寸：长×宽×高=36m×5m×4.6m。整体结构均采用304 不锈钢材质，模拟车体及测试室靠参观通道一侧均设有观察窗，其中模拟车体部分窗体因试验和安全需要选用耐高温防爆玻璃。机车用热释放速率测试装置整体结构示意图如图1 所示。

图1 机车用热释放速率测试装置示意图

参考机车结构设计与设施材质，为满足机车部件及设备火灾的热释放速率测试需求，装置的设计热量为3.5MW。装置中设计的集烟罩、排烟烟管和排烟风机的选择是由所研究的火灾大小决定。

为保证实验燃烧中产生的烟气在到达测试段前，气体浓度和杂质不消散，集烟罩采用锥形设计，入口直径根据公式（入口直径（m）=[Q/20000]2/5×10.7）和测试室尺寸综合考虑，设计为4.8m×4.8m 的锥形罩体。

为保证排烟管道内产生足够高的流动速度，防止管道内温度分层，排烟管道直径根据公式（管道直径（m）=[Q/20000]1/2×3.05），同时考虑实验场地空间的限制，设计为直径为0.75m 的圆形管道。

为了保证燃烧产物的有效混合，测试段前面需预留至少10 ～15个排烟管道直径。即第一排烟管道的长度为至少10 ～15个排烟管道直径。本装置的排烟管道设计直径为0.75m，则测试段前至少需预留7.5m 的管道长度，本装置根据场地实情，预留了12个排烟管道直径，故第一排烟管道合计长度为9m。

在烟气被收集进入测试段烟管前，为保证烟气在测量点处能形成均匀的流量分布，同时为获得精确的流量测试值，本装置在预留足够长度排烟管道的同时，在测试段前端加入导流结构。导流结构包括环形固定板和多个分流板。多个分流板的一侧边固定连接且多个分流板呈放射状分布，环形固定板固定在分流板的一端。分流板焊接在固定板上，固定板安置在测试段烟管前端，烟管中的导流结构可以将烟气打散，保证了通过测试采集段的烟气是成分均匀、流速平稳的，大大提高了采集过程的准确性。

排烟风机的选型是依照排烟管道内所需的最大风速来决定的，计算依据为：最大管道流量（kg/s）=[Q/20000]×136。本装置的设计风速为：23.8kg/s。

当进行测试时，测试室内设有机车部件及设备燃烧实物，测试室上设有集烟罩用于收集测试室内机车部件和设备燃烧实物燃烧时产生的烟气，集烟罩另一端连接第一排烟烟管，第一排烟烟管与测试段烟管连接，烟气在通过测试烟管采样后，经废气处理系统过滤净化，通过烟囱排空。

测试段烟管内设有测试分析系统，测试分析系统包括气体分析仪、烟雾浓度探测仪、差压测试计、温度测量装置以及风速测量装置，结构示意图如图2 所示。

图2 测试段烟管布置图

气体分析仪包括取样管和分析仪，取样管设置在测试段烟管内，分析仪设置在控制室内。气体分析仪用于分析O2、CO、CO2、H2S 的含量，烟雾浓度探测仪包括光路发生器、光路接收器以及探测仪。光路发生器和光路接收器设置在测试段烟管内，用来进行透光率的测试和反馈，探测仪放置在控制室中，光路发生器和光路接收器通过数据线与探测仪连接。差压测试计和温度测量装置也均设置在测试段烟管内并通过数据线与数据采集与控制系统连接。温度测量装置为热电偶，风速测量装置是采用皮托管与差压传感器组合的测量方式，搭配步进电机模组，通过上位机程序控制，可实现烟道内径设置，自动进行各点风速测量。

实验过程中采集的测量数据将通过安放在控制室内的数据采集与控制系统，最终在计算机上以波形图的方式实时显示整个热释放系统的温度、差压、能见度、O2、CO、CO2、H2S 含量等信息，同时通过计算机实时计算，并以波形图方式显示体积流速、热释放速率、产烟速率、热释放总量、烟生成量等数据采集计算量。

标定校准系统存在的意义则是对上述实验过程中的测量仪器及装置进行标定校准，标定校准系统包括分析仪标定装置、光路校准装置、HRR 校准装置和kt 校准装置。其中，分析仪标定通过气体分析仪预留标定气接口，接入氮气及标准气体对分析仪各个组成模块进行零点及高点标定，以确保分析仪数据的稳定性；光路校准装置使用标准滤光片进行校准，通过控制软件使得光密度为0.1/0.3/0.5/0.8/1.0/2.0滤光片分别进入光路系统中，通过计算标准滤光片的实际透光率与理论透光率进行比较，保证比较两者的差值在5%以内，从而保证能见度测量的准确性。

HRR 校准装置通过控制进入燃烧油盘的丙烷质量，计算得出热输出功率，再根据耗氧量原理计算出对应的热释放速率，保证比较两者的差值在10%以内，从而保证热释放速率测试的准确性；kt 校准装置通过皮托管及运动装置测出排烟管道内不同径向的风速，以得出管道内的气体流速分布，从而计算出排烟管道的气体流速分布因子，保证风速测量的准确性。

2 功能特色

机车用热释放速率测试装置可实现机车部件级产品的火灾测试、车体内灭火系统的功能测试、车体内设备间及机械间灭火系统的功能测试以及多工况下对机车火灾环境影响的研究等。有助于掌握机车内部实际而复杂的火灾特点，对移动装备火灾灭火装置的设计提供可靠、有力的实验保证。目前国内已知的消防所及灭火产品生产公司并无此类多功能、复合测试的测试环境或装置。

机车用热释放速率测试装置模拟车体内有可以灵活拆卸的分隔门，可以保证实验满足不同部件级设备试验和不同车型车体试验。

机车用热释放速率测试装置可以通过控制室内的电脑实现实时的数据采集与远程控制，这其中包括自动的点火和实时试验数据的反馈等，降低了试验过程中的人员安全风险，提高了数据采集的能力，保证了数据的有效性。

3 应用实例

轨道交通客运列车在发生火灾时因人员密集，疏散难度大，故越早获得火灾报警信号，疏散时间就越充裕，火灾扑灭和降低损失的概率也就越大。通过在实验室内1:1 模拟CR400 高速动车组车厢内部环境，按照车厢内火灾探测器的布置方式，布置示例如图3 所示。试验过程中采用烟雾发生器模拟火灾发展过程中的烟雾情况，以试验的方式对比单、双管路探测器，感烟探测器，烟温复合探测器以及点式吸气探测器等多种火灾探测器的时效性。根据试验结果可知，相较于其他类型的探测器，管路吸气式探测器的敏感度极高，可以在火灾发生的初期发现火情，为乘客有序疏散提供了宝贵时间。且管路吸气式探测器可将采样管网布置在地铁车厢内结构顶板底部，通过毛细管布置在吊顶上，隐蔽性好，保证地铁车厢内饰的美观，这一切都为地铁车厢内火灾探测系统的设计提供有力依据。

图3 CR400 车型探测试验布置图

4 结语

机车用热释放速率测试装置通过1:1 构建车体尺寸，通过灵活的内部布置，可实现机车部件级产品的火灾测试、车体内灭火系统的功能测试、车体内设备间及机械间灭火系统的功能测试以及多工况下对机车火灾环境影响的研究等，有助于掌握机车内部实际而复杂的火灾特点，对移动装备火灾灭火装置的设计提供可靠、有力的实验保证。