小型卷烟仓库火灾细水雾喷淋效果研究

吴燃

摘要：烟草制品具有易燃特性，在仓库中集中堆放极易发生火灾。目前，为减少经济损失，烟草制品火灾扑救通常采用细水雾喷淋。通过在火灾模拟软件pyrosim中对某小型卷烟仓库进行建模，对火源位于不同位置时的烟气扩散过程及毒性危害程度（通过FED值进行表征）进行了研究，并对喷头位于不同高度时的喷淋效果进行了分析。通过对不同火源位置进行模拟，发现火源位于下层货架时危险性最高，并提出了相应的防范措施。通过对喷头的不同高度进行模拟，发现不同高度喷头对烟气扩散过程几乎没有影响。另外，喷头高度越高，温度上升和有毒气体扩散越快，喷淋效果越差，所以在设置喷头时要注意选择最佳高度。

关键词：卷烟仓库；火灾；喷淋；后果模拟

烟草制品由于自身特性易发生有焰燃烧和阴燃[1]。卷烟仓库中烟箱堆放集中，发生火灾后产生的危害性更加严重，同时会造成较大的经济损失[2]。针对卷烟仓库火灾，部分学者进行了相关研究。罗天德等[3]通过高压细水雾在烟草库房中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。通过高层货架试验和堆积货架试验发现高压细水雾都能在短时间内灭火。以某失火烟草仓库为原型，构建接近于真实的虚拟火灾现场。陈永峰等[4]通过模拟烟气运动规律及烟气危害评价因子随时间变化曲线，分析得出位置不同烟气危害的效果也不同，分析得出热辐射是造成人员伤亡的重要原因。徐刚[5]介绍了烟草仓库消防安全现状，分析了烟草仓库的火灾危险性和特点，提出了加强烟草仓库消防安全管理的措施，结合目前烟草仓库发展趋势，就如何做好烟草仓库火灾扑救工作提出了对策和注意事项。本文在之前学者研究的基础上以某小型卷烟仓库火灾为对象，研究不同火源位置和不同喷淋高度对细水雾喷淋效果的影响。

1 后果评价模型

针对火灾事故后果存在不同的评价模型，火灾事故时人员暴露考虑有毒气体和温度热辐射以评估死亡概率和后果影响，目前常用的评估模型是FED模型[6]。FED模型可以综合考虑有毒气体、高温以及热辐射的综合影响，因而本研究选择FED模型评价法进行火灾事故后果评价。

通过FED模型结合有毒气体对人员的相对有效暴露剂量作为标准。气体通常考虑CO、CO2、HCN、HCl、HBr、O2，针对火灾事故场景，选择CO、CO2、O2浓度综合评估毒性气体的影响。

式中，CCO、、表示气体体积浓度，单位mg/L。

基于FED原理，烟气热辐射的伤害模型为[7]：

式中，代表计算机仿真时间步长；T代表温度，℃；q代表热辐射通量，kW/m2。

本文选取FED模型对火灾事故造成的人员伤害进行评估。事故后果严重程度按照FED值进行划分为轻微（0＜FED≤0.2）、中等（0.2＜FED≤0.6）、严重（0.6＜FED≤0.8）、特别严重（0.8＜FED）[8]。

2 建模及参数设置

2.1  模型建立

本研究选取某小型卷烟仓库为研究对象，该仓库共有3个卷烟货架，每个货架间距2m便于叉车开入取烟。每个货架长5m，宽1.4m，高4m，分为上、中、下三层，每层存放3箱卷烟。在pyrosim软件中建立该卷烟仓库模型对卷烟仓库火灾进行模拟。

2.2  参数设置

2.2.1  火源参数设置

根据《民用建筑防火排烟技术规程》的规定[9]，设置卷烟仓库火灾火源的热释放速率为2040.8kW/m2。将初始起火位置设置为中间卷烟货架，分别研究3种情况下的卷烟仓库火灾，火源位置分别位于上、中、下层。

2.2.2  喷淋参数设置

由于烟草制品的特殊性，发生火灾后采用常规喷淋会对未起火的卷烟产生水渍危害，增加经济损失[10]。目前卷烟仓库多采用细水雾喷淋作为灭火措施[11]。相较于常规喷淋，细水雾喷淋用水量少，能迅速灭火，最重要的是可以降低对卷烟的水渍危害[12]。因此，本研究中的喷淋系统同样采用细水雾喷淋系统。细水雾喷淋喷头参数如表1所示。

喷头位置为中间货架每一列烟的正上方，即存在3个喷头。分别研究喷头高度位于5m和6m时的喷淋效果。喷头在模型中位置如表2所示。

2.2.3  监测设备设置

分别在中间货架两侧设置热电偶进行温度监测，热电偶高度设置为正常人的一般身高（Z=1.7m）。设置完毕后模型如图2所示。

故本研究共设置6种工况进行模拟，即3种火源位置（上层、中层、下层）2种喷头高度（5m、6m），模拟时间设置为200s。

3 模拟结果分析

3.1  不同火源位置

根据控制变量法，选择喷头高度为5m时的结果进行分析来观察不同火源位置（上层、中层、下层）对喷淋效果的影响。

3.1.1  烟气扩散过程

当火源位于上层时，烟气变化扩散如图3所示。分别把火源位于不同位置时相关的时间点用t上、t中、t下来表示。

由图3可看出烟气开始在上部聚集，随着浮力的作用上升，在t上=25s时冲击仓库顶（t中=37s，t下=50s）。随后开始向两侧扩散，在t上=56s时在上部形成烟气层（t中=69s，t下=81s）。之后烟气不断聚集，逐渐向下部扩散，在t上=88s时充满约2/3的仓库空间（t中=101s，t下=113s）。最后在t上=120s时充满整个仓库（t中=133s，t下=145s）。火源位于不同位置时烟气扩散过程相似。由于火源位于中、下层时距仓库顶较远，扩散至仓库顶时间较长，因而充满整个仓库时间较长。

3.1.2  溫度对比分析

当火源位于3种位置时，热电偶测得温度如图4所示。最高温度分别用T上、T中、T下来表示。

由图可知，当火源位于上层时最高温度T上=310℃，位于中层时最高温度T中=425℃，位于下层时最高温度T下=702℃。主要原因是火源位于上层时距离喷头最近，因而更快达到喷淋激活温度，喷淋作用时间更长，因而最高温度更低。位于中、下层时由于距离喷头较远同时由于上层货架挡板的阻挡作用，喷淋激活时间较慢，因而最高温度更高。

需要注意的是，当火源位于下层货架时，最高温度过高，此时货架可能承受不住高温发生倒塌，引发更大规模的火灾。所以，在日常生产过程中要尤其防范中、下层货架起火，特别是下层货架。同时要注意更换防火性能更佳的卷烟货架，防止高温造成的倒塌。

3.1.3  FED值变化分析

火源位于不同位置时卷烟仓库内的FED值到达0.2、0.6、0.8的时间如表3所示。将不同火源位置FED值到达临界值的时间分别用t上、t中、t下来表示。

由表3可知，火源位于不同位置时，事故严重程度达到轻微（FED值达到0.2）的时间t上=62s（t中=45s，t下=38s）。事故严重程度达到中等（FED值达到0.6）的时间t上=112s（t中=97s，t下=74s）。事故严重程度达到严重（FED值达到0.8）的时间t中=125s（t下=106s），火源位于上层时整个模拟过程中FED值未达到0.8。产生这种现象的原因是火源位于中、下层时喷淋效果没有火源位于上层时明显，导致温度上升和有毒气体扩散较快，从而FED值到达临界值时间较短。

3.2  不同喷头高度

选择火源位置为中层和上层时的结果进行分析来观察不同喷头高度（5m、6m）对喷淋效果的影响。

3.2.1  烟气扩散过程

当喷头位于不同高度时，烟气变化同样经历冲击仓库顶、向两侧扩散、逐渐向下部扩散、充满整个仓库4个阶段，如图5所示。分别把喷头位于不同高度时，烟气到达每个阶段的时间分别用t5、t6来表示。

当火源位于中层时，冲击仓库顶时间t5=37s（t6=39s）。向两侧扩散时间t5=69s（t6=68s）。逐渐向下部扩散时间t5=101s（t6=105s）。充满整个仓库时间t5=133s（t6=134s）。当火源位于上层时，冲击仓库顶时间t5=25s（t6=24s）。向两侧扩散时间t5=56s（t6=54s）。逐渐向下部扩散时间t5=88s（t6=86s）。充满整个仓库时间t5=120s（t6=121s）。可以看出，不论火源处于什么位置，不同喷淋高度对烟气扩散过程几乎没有影响。

3.2.2  温度对比分析

分别把喷头位于不同高度时，温度开始下降的时间分别用t5、t6来表示。

通过图6可以看出不论火源位于上层还是中层，不同喷头高度使火源产生的最高温度相差不大，有区别的是温度开始下降的时间。当火源位于中层时，t5=123s（t6=147s）。当火源位于上层时，t5=98s（t6=119s）。造成这种现象的原因是喷头高度较高时，产生的液滴在下降过程中受到火焰温度影响时间更长，蒸发量更大，导致直接作用于火焰的液滴量少，从而使得温度下降时间相比于较低喷头高度时间更长。同时由于采用的是细水雾喷淋，液滴粒径较小，这种现象更为明显。

3.2.3  FED值变化分析

喷头位于不同高度时卷烟仓库内的FED值到达0.2、0.6、0.8的时间如表4、表5所示。将不同喷头高度FED值到达临界值的时间分别用t5、t6来表示。

由表4與表5可以看出，当火源位于中层时，事故严重程度达到轻微（FED值达到0.2）的时间t5=45s（t6=36s）。事故严重程度达到中等（FED值达到0.6）的时间t5=97s（t6=82s）。事故严重程度达到严重（FED值达到0.8）的时间t5=125s（t6=110s）。当火源位于上层时，事故严重程度达到轻微（FED值达到0.2）的时间t5=62s（t6=51s）。事故严重程度达到中等（FED值达到0.6）的时间t5=112s（t6=96s）。事故严重程度达到严重（FED值达到0.8）的时间t6=127s，火源位于上层时整个模拟过程中FED值未达到0.8。不难发现喷头高度较高时，FED值到达临界值的时间更短。产生这种现象的原因同样是当喷头高度较高时，在液滴下落过程中受火焰温度影响时间更长，蒸发量更大导致温度上升和有毒气体扩散较快，从而FED值到达临界值时间较短。

4 结论

通过建立某小型卷烟仓库模型，在pyrosim中对卷烟仓库火灾进行模拟。结果发现，当起火源位于下层货架时，具有最大的最高温度，同时FED值最先到达临界值。所以，起火源位于下层货架时危险性最高。在日常生产过程中要尤其防范中、下层货架起火，特别是下层货架。同时要注意更换防火性能更佳的卷烟货架，防止高温造成的倒塌。另外，通过对不同喷头高度进行模拟发现，不同喷头高度对烟气扩散过程几乎没有影响。喷头高度越高，喷淋效果越差，在设置喷头时要注意选择最佳设置高度。

参考文献：

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Study on the spray effect of water mist in small cigarette warehouse fire

Wu Ran

（Xiantao Tobacco Monopoly Bureau （Company）， Hubei Xiantao 433000）

Abstract： Tobacco products have flammable characteristics and are prone to fire when piled up in warehouses. At present， in order to reduce economic losses， water mist spraying is usually used for fire fighting of tobacco products. By modeling a small cigarette warehouse in the fire simulation software （Pyrosim）， the smoke diffusion process and toxicity hazard degree （characterized by FED value） when the fire source is located at different positions are studied， and the spray effect of the nozzle at different heights is analyzed. Through the simulation of different fire source positions， it is found that the fire source is the most dangerous when it is located on the lower shelf， and corresponding preventive measures are proposed. Through the simulation of different nozzle heights， it is found that different nozzle heights have little effect on the flue gas diffusion process. In addition， the higher the nozzle height， the faster the temperature rises and the toxic gas diffuses， and the worse the spray effect. Therefore， when setting the nozzle， the best height should be selected.

Keywords： cigarette warehouse; fire; spray; consequence simulation