機械通風(fēng)對艦船機艙火災(zāi)煙氣控制實驗研究

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(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥 230026；2.海軍研究院，北京 100161)

艦船具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹窄、交通條件受限、火災(zāi)處置難度大、起火點難以確認等特點[1]，火災(zāi)煙氣常常造成大量人員傷亡，嚴重威脅艦船生命力，在船舶工業(yè)快速發(fā)展的進程中一直受到廣泛關(guān)注[2]。機艙作為艦船動力系統(tǒng)所在地，存在大量燃油及潤滑油、高溫設(shè)備等火災(zāi)危險源，一旦艦船機艙發(fā)生火災(zāi)事故，將難以保證艦船安全[3]。因此，科學(xué)合理地設(shè)計艦船防煙控制對于減緩火災(zāi)蔓延、爭取人員疏散時間、保障艦船生命力，具有重要意義[4]。

英、美等國海軍曾開展了大量關(guān)于艦船火災(zāi)煙氣控制的研究[5]，涉及控?zé)焻^(qū)域劃分、火災(zāi)后環(huán)境快速恢復(fù)、限制煙氣蔓延等。1992年，美國海軍在Shadwell號上開展實船大尺度實驗[6]，測試固定式排煙系統(tǒng)性能[7]。2001年，美國海軍又進行了武器攻擊條件下的火災(zāi)煙氣控制實驗[8]。我國對于艦船火災(zāi)煙氣的研究也取得了一些進展，例如艦船大空間艙室火災(zāi)煙氣填充、封閉艙室火災(zāi)煙氣溫度特性、頂部開口艙室火災(zāi)煙氣特性等方面的研究。我國的研究人員進行了全尺寸機艙火災(zāi)煙氣填充試驗，研究不規(guī)則截面艙室的煙氣沉降規(guī)律,同時改變油池尺寸和抬升火源研究火源功率和火源高度對煙氣溫度分布和煙氣層沉降的影響[9]。我國的研究人員還運用火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS對CRH2A動車組的一節(jié)車廂進行了模擬計算。分別采用機械排煙系統(tǒng)、空氣幕系統(tǒng)及二者復(fù)合系統(tǒng)對車廂內(nèi)煙氣進行控制,對比分析不同排煙系統(tǒng)下車廂內(nèi)煙氣溫度、煙氣層高度和O2、CO、CO2體積分數(shù)的變化規(guī)律[10]。

針對艦船機艙機械通風(fēng)控?zé)焼栴}，結(jié)合艦船機艙通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)實情況，開展艙內(nèi)不同排煙量、不同補風(fēng)口高度及單雙側(cè)補風(fēng)口配置方案的實驗，揭示不同排煙和補風(fēng)速率以及不同補風(fēng)口配置對于艦船機艙火災(zāi)發(fā)展過程和典型火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律的影響。

1 實驗方法與工況設(shè)計

實驗在陸地上的模擬實驗艙內(nèi)進行，艙體頂板為8.5 m(長)×7.6 m(寬 )，底板為8.5 m(長)×6 m(寬)，整艙高2.7 m，內(nèi)底之下的弧形底板高0.8 m，內(nèi)部下層高度為0.7 m，上層高度為1.2 m。模擬實驗艙見圖1。

圖1 模擬實驗艙

根據(jù)美國海軍實驗，機艙發(fā)生火災(zāi)后，將通風(fēng)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為排煙狀態(tài)，即將原送風(fēng)系統(tǒng)改為排煙系統(tǒng)、原排風(fēng)系統(tǒng)改為補風(fēng)系統(tǒng)[11]。因此，本機艙通風(fēng)系統(tǒng)也采用類似布局，見圖2。在排煙狀態(tài)下，機艙共布置了2臺排煙風(fēng)機，2臺補風(fēng)機。排煙口尺寸為1 m(長)×0.5 m(寬)，補風(fēng)口尺寸為0.75 m(長)×0.75 m(寬)。

圖2 通風(fēng)管路布置

實驗火源采用油池火形式，油盤直徑為0.4 m，燃料為庚烷，每次實驗中的庚烷用量均為3.5 L，油盤布置在2臺主機之間。在2臺輪機之間的通道處布置了A、B、C 3組熱電偶樹，在機艙內(nèi)樓梯附近布置了D熱電偶樹，在人孔位置布置了E熱電偶樹，油盤及熱電偶樹的位置見圖3。

圖3 油盤位置示意

實驗中為實現(xiàn)燃料的質(zhì)量損失速率(MLR)、艙內(nèi)溫度、O2、CO、CO2體積分數(shù)、火焰形態(tài)、煙氣流動狀態(tài)的測量，將油盤放置在D&T ES60K型電子天平上，通過與計算機實時傳輸重量，可以測定燃料的質(zhì)量損失速率(MLR)；在艙內(nèi)設(shè)置了5組熱電偶樹，可以實現(xiàn)艙內(nèi)溫度的實時采集；選用英國KANE公司KM9106型煙氣分析儀，該煙氣分析儀可同時測量O2、CO、CO2體積分數(shù)，測量數(shù)據(jù)可實時傳輸至計算機。

2 補風(fēng)口位置對煙氣控制效果影響

2.1 溫度分布

根據(jù)實驗方案的設(shè)計，采用直徑為40 cm、初始燃料量為3 500 mL的正庚烷池火作為火源。實驗中測量了燃料質(zhì)量變化和艙內(nèi)O2、CO、CO2體積分數(shù)、溫度等火災(zāi)參數(shù)。

補風(fēng)口位置對機艙火災(zāi)影響的研究中，共開展不同補風(fēng)口配置工況8組，每組工況實驗次數(shù)為2次，實驗分析中所提供的數(shù)據(jù)為2次重復(fù)實驗的平均值。補風(fēng)口高度分別為0.15、0.45、0.75、1.05 m，分別測試了單側(cè)及雙側(cè)補風(fēng)配置。

與雙側(cè)補風(fēng)工況相比，單側(cè)補風(fēng)工況火焰熄滅后的降溫過程持續(xù)時間更長，不利于火災(zāi)后消防人員進入。與其他補風(fēng)口高度相比，當(dāng)補風(fēng)口高度為1.05 m時，通道處的峰值溫度最低。對于人孔處的溫度而言，補風(fēng)口高度為0.75 m雙側(cè)補風(fēng)工況溫度控制效果最好。見圖4、5。

圖4 通道處溫度分布(熱電偶樹C)

圖5 人孔處溫度分(熱電偶樹E)

2.2 燃料質(zhì)量損失速率

燃料質(zhì)量損失速率反映了火源燃燒狀態(tài)，艙室上部煙氣溫度及油盤附近空氣氧含量影響了燃料質(zhì)量損失速率的變化，隨著燃燒的進行，艙室上部煙氣溫度上升，熱煙氣對油池的熱輻射得到增強，加速了燃料的蒸發(fā)過程；而逐漸降低的氧含量導(dǎo)致火焰溫度下降，進而降低了燃料的輻射熱通量。在機械通風(fēng)的影響下，機艙上部的熱煙氣被排出，艙內(nèi)氧氣也得到了補充，上述過程受到了影響。各工況平均質(zhì)量損失速率見圖6。

圖6 不同補風(fēng)高度工況質(zhì)量損失速率

2.3 氣體體積分數(shù)

煙氣中的O2、CO、CO2體積分數(shù)直接影響人員生命安全，是重要的火災(zāi)參數(shù)。不同工況下的O2、CO、CO2體積分數(shù)見圖7、8、9。

較高的氧氣體積分數(shù)以及較低的CO、CO2體積分數(shù)是煙氣控制的目標(biāo)。由圖7、8、9可以看出，補風(fēng)口高度為1.05 m時雙側(cè)補風(fēng)工況煙氣控制效果最好，而補風(fēng)口高度為0.45 m時雙側(cè)補風(fēng)工況煙氣控制效果最差。綜合考慮，應(yīng)當(dāng)選用補風(fēng)口高度為1.05 m雙側(cè)補風(fēng)通風(fēng)配置最佳。

圖7 不同補風(fēng)高度工況O2體積分數(shù)

圖8 不同補風(fēng)高度工況CO體積分數(shù)

圖9 不同補風(fēng)高度工況CO2體積分數(shù)

3 補風(fēng)量對煙氣控制效果影響

在補風(fēng)量對機艙火災(zāi)影響的研究中，共取不同補風(fēng)量工況5組，每組工況實驗次數(shù)為2次，實驗分析中所提供的數(shù)據(jù)為2次重復(fù)實驗的平均值。5組機械通風(fēng)實驗工況使用了補風(fēng)口高度為1.05 m雙側(cè)補風(fēng)通風(fēng)配置，設(shè)計補風(fēng)量1.47 m3/s。機械補風(fēng)量分別為設(shè)計風(fēng)量的0、60%、70%、90%、100%。

3.1 溫度分布

在60%補風(fēng)量工況下，火最先熄滅時間約為220 s，說明在火災(zāi)情況下，適當(dāng)降低補風(fēng)量可以控制火災(zāi)發(fā)展；在100%補風(fēng)量工況下，火災(zāi)持續(xù)時間較長，熄火時間約為450 s，此時風(fēng)機工作在設(shè)計補風(fēng)量條件下。盡管補風(fēng)量對于火災(zāi)發(fā)展有明顯影響，但無通風(fēng)工況下的火災(zāi)持續(xù)時間最長，艙內(nèi)溫度也最高。對于該機艙，火災(zāi)條件下應(yīng)保持通風(fēng)。見圖10。

圖10 頂棚下方10 cm處溫度-時間變化曲線

3.2 燃料質(zhì)量損失速率

在火災(zāi)增長階段，70%補風(fēng)量及90%補風(fēng)量工況的質(zhì)量損失速率增加較快，且達到峰值的時間較短；其余有通風(fēng)工況質(zhì)量損失速率變化基本相同；無通風(fēng)對照組的燃料質(zhì)量損失速率先緩慢增加，隨后基本保持在較低水平不變。由此可見，補風(fēng)量對于燃料質(zhì)量損失速率的影響符合前文的分析，即通風(fēng)對于機艙火災(zāi)的雙重影響。見圖11。

圖11 不同補風(fēng)量工況質(zhì)量損失速率

3.3 氣體體積分數(shù)

庚烷燃燒產(chǎn)生了大量CO2及不完全燃燒產(chǎn)物CO，而機械通風(fēng)引入艙內(nèi)的新風(fēng)稀釋了CO、CO2體積分數(shù)，有利于保障損管人員生命安全。新風(fēng)補充了燃燒消耗的O2，支持了燃燒的進行，因此，在氣體體積分數(shù)方面，機械通風(fēng)同樣具有對火災(zāi)的雙重效應(yīng)[12]。

在維持艙內(nèi)O2方面，90%補風(fēng)量工況效果最好，與質(zhì)量損失速率的實驗結(jié)果相對應(yīng)，較高的O2體積分數(shù)有利于燃燒進行。相關(guān)研究表明，CO能夠迅速與血紅蛋白結(jié)合，導(dǎo)致人體缺氧；較高體積分數(shù)的CO2能夠刺激人的呼吸系統(tǒng)中樞，導(dǎo)致人過多吸入火災(zāi)煙氣[13]。100%補風(fēng)量工況下，CO與CO2體積分數(shù)均比其他工況低。該工況能夠為救援人員提供更加有利的施救條件。見圖12、13、14。

圖12 不同補風(fēng)量工況O2體積分數(shù)

圖13 不同補風(fēng)量工況CO體積分數(shù)

圖14 不同補風(fēng)量工況CO2體積分數(shù)

4 結(jié)論

針對艦船機艙機械通風(fēng)控?zé)焼栴}，結(jié)合艦船機艙通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)實情況，開展艙內(nèi)不同排煙量、不同補風(fēng)口高度及單雙側(cè)補風(fēng)口配置方案的實驗，揭示不同排煙和補風(fēng)速率及不同補風(fēng)口配置對于艦船機艙火災(zāi)發(fā)展過程和典型火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律的影響。實驗結(jié)果表明：

1)能夠通過改變補風(fēng)口高度位置、補風(fēng)量大小、單雙側(cè)補風(fēng)等參數(shù)，優(yōu)化艦船機艙煙氣控制效果。

2)為實現(xiàn)最佳的控?zé)熜Ч?，針對該艦船機艙，應(yīng)采用1.05 m補風(fēng)口高度雙側(cè)補風(fēng)90%以上補風(fēng)量配置。