機(jī)車用熱釋放速率測試裝置的設(shè)計(jì)研究

賈靖，李秋浩，王曉鳴

（中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧 大連 116000）

近年來，隨著高鐵體系網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)程加快，對軌道機(jī)車部件及設(shè)備的安全性、防控準(zhǔn)確性提出了更高的要求。目前國內(nèi)的滅火裝置技術(shù)所應(yīng)用的場合仍主要停留在樓宇等大空間、固定場合，并沒有專門的針對像機(jī)車部件及設(shè)備這種活動(dòng)范圍有限、引燃物種類復(fù)雜、并可能伴爆炸、煙氣蔓延迅速現(xiàn)象的滅火裝置，而恰恰是這類移動(dòng)裝備火災(zāi)滅火裝置才能改變軌道交通網(wǎng)絡(luò)下機(jī)車車體封閉、疏散救援難度大、人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重的局面。

因此，為滿足針對機(jī)車部件及設(shè)備滅火的需要，研究移動(dòng)裝備火災(zāi)滅火裝置在特定環(huán)境下的燃燒特性，有助于掌握機(jī)車內(nèi)部實(shí)際而復(fù)雜的火災(zāi)特點(diǎn)，對移動(dòng)裝備火災(zāi)滅火裝置的設(shè)計(jì)提供可靠、有力的實(shí)驗(yàn)保證。

1 測試裝置設(shè)計(jì)

機(jī)車用熱釋放速率測試裝置參照現(xiàn)行機(jī)車尺寸，模擬車體尺寸為：長×寬×高=26.5m×3.3m×2.8m。測試室即為模擬車體外結(jié)構(gòu)，將車廂與司機(jī)室完全罩于內(nèi)部，測試室尺寸：長×寬×高=36m×5m×4.6m。整體結(jié)構(gòu)均采用304 不銹鋼材質(zhì)，模擬車體及測試室靠參觀通道一側(cè)均設(shè)有觀察窗，其中模擬車體部分窗體因試驗(yàn)和安全需要選用耐高溫防爆玻璃。機(jī)車用熱釋放速率測試裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)車用熱釋放速率測試裝置示意圖

參考機(jī)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)施材質(zhì)，為滿足機(jī)車部件及設(shè)備火災(zāi)的熱釋放速率測試需求，裝置的設(shè)計(jì)熱量為3.5MW。裝置中設(shè)計(jì)的集煙罩、排煙煙管和排煙風(fēng)機(jī)的選擇是由所研究的火災(zāi)大小決定。

為保證實(shí)驗(yàn)燃燒中產(chǎn)生的煙氣在到達(dá)測試段前，氣體濃度和雜質(zhì)不消散，集煙罩采用錐形設(shè)計(jì)，入口直徑根據(jù)公式（入口直徑（m）=[Q/20000]2/5×10.7）和測試室尺寸綜合考慮，設(shè)計(jì)為4.8m×4.8m 的錐形罩體。

為保證排煙管道內(nèi)產(chǎn)生足夠高的流動(dòng)速度，防止管道內(nèi)溫度分層，排煙管道直徑根據(jù)公式（管道直徑（m）=[Q/20000]1/2×3.05），同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)場地空間的限制，設(shè)計(jì)為直徑為0.75m 的圓形管道。

為了保證燃燒產(chǎn)物的有效混合，測試段前面需預(yù)留至少10 ～15個(gè)排煙管道直徑。即第一排煙管道的長度為至少10 ～15個(gè)排煙管道直徑。本裝置的排煙管道設(shè)計(jì)直徑為0.75m，則測試段前至少需預(yù)留7.5m 的管道長度，本裝置根據(jù)場地實(shí)情，預(yù)留了12個(gè)排煙管道直徑，故第一排煙管道合計(jì)長度為9m。

在煙氣被收集進(jìn)入測試段煙管前，為保證煙氣在測量點(diǎn)處能形成均勻的流量分布，同時(shí)為獲得精確的流量測試值，本裝置在預(yù)留足夠長度排煙管道的同時(shí)，在測試段前端加入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流結(jié)構(gòu)包括環(huán)形固定板和多個(gè)分流板。多個(gè)分流板的一側(cè)邊固定連接且多個(gè)分流板呈放射狀分布，環(huán)形固定板固定在分流板的一端。分流板焊接在固定板上，固定板安置在測試段煙管前端，煙管中的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以將煙氣打散，保證了通過測試采集段的煙氣是成分均勻、流速平穩(wěn)的，大大提高了采集過程的準(zhǔn)確性。

排煙風(fēng)機(jī)的選型是依照排煙管道內(nèi)所需的最大風(fēng)速來決定的，計(jì)算依據(jù)為：最大管道流量（kg/s）=[Q/20000]×136。本裝置的設(shè)計(jì)風(fēng)速為：23.8kg/s。

當(dāng)進(jìn)行測試時(shí)，測試室內(nèi)設(shè)有機(jī)車部件及設(shè)備燃燒實(shí)物，測試室上設(shè)有集煙罩用于收集測試室內(nèi)機(jī)車部件和設(shè)備燃燒實(shí)物燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣，集煙罩另一端連接第一排煙煙管，第一排煙煙管與測試段煙管連接，煙氣在通過測試煙管采樣后，經(jīng)廢氣處理系統(tǒng)過濾凈化，通過煙囪排空。

測試段煙管內(nèi)設(shè)有測試分析系統(tǒng)，測試分析系統(tǒng)包括氣體分析儀、煙霧濃度探測儀、差壓測試計(jì)、溫度測量裝置以及風(fēng)速測量裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 測試段煙管布置圖

氣體分析儀包括取樣管和分析儀，取樣管設(shè)置在測試段煙管內(nèi)，分析儀設(shè)置在控制室內(nèi)。氣體分析儀用于分析O2、CO、CO2、H2S 的含量，煙霧濃度探測儀包括光路發(fā)生器、光路接收器以及探測儀。光路發(fā)生器和光路接收器設(shè)置在測試段煙管內(nèi)，用來進(jìn)行透光率的測試和反饋，探測儀放置在控制室中，光路發(fā)生器和光路接收器通過數(shù)據(jù)線與探測儀連接。差壓測試計(jì)和溫度測量裝置也均設(shè)置在測試段煙管內(nèi)并通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)連接。溫度測量裝置為熱電偶，風(fēng)速測量裝置是采用皮托管與差壓傳感器組合的測量方式，搭配步進(jìn)電機(jī)模組，通過上位機(jī)程序控制，可實(shí)現(xiàn)煙道內(nèi)徑設(shè)置，自動(dòng)進(jìn)行各點(diǎn)風(fēng)速測量。

實(shí)驗(yàn)過程中采集的測量數(shù)據(jù)將通過安放在控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，最終在計(jì)算機(jī)上以波形圖的方式實(shí)時(shí)顯示整個(gè)熱釋放系統(tǒng)的溫度、差壓、能見度、O2、CO、CO2、H2S 含量等信息，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，并以波形圖方式顯示體積流速、熱釋放速率、產(chǎn)煙速率、熱釋放總量、煙生成量等數(shù)據(jù)采集計(jì)算量。

標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)存在的意義則是對上述實(shí)驗(yàn)過程中的測量儀器及裝置進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)包括分析儀標(biāo)定裝置、光路校準(zhǔn)裝置、HRR 校準(zhǔn)裝置和kt 校準(zhǔn)裝置。其中，分析儀標(biāo)定通過氣體分析儀預(yù)留標(biāo)定氣接口，接入氮?dú)饧皹?biāo)準(zhǔn)氣體對分析儀各個(gè)組成模塊進(jìn)行零點(diǎn)及高點(diǎn)標(biāo)定，以確保分析儀數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；光路校準(zhǔn)裝置使用標(biāo)準(zhǔn)濾光片進(jìn)行校準(zhǔn)，通過控制軟件使得光密度為0.1/0.3/0.5/0.8/1.0/2.0濾光片分別進(jìn)入光路系統(tǒng)中，通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)濾光片的實(shí)際透光率與理論透光率進(jìn)行比較，保證比較兩者的差值在5%以內(nèi)，從而保證能見度測量的準(zhǔn)確性。

HRR 校準(zhǔn)裝置通過控制進(jìn)入燃燒油盤的丙烷質(zhì)量，計(jì)算得出熱輸出功率，再根據(jù)耗氧量原理計(jì)算出對應(yīng)的熱釋放速率，保證比較兩者的差值在10%以內(nèi)，從而保證熱釋放速率測試的準(zhǔn)確性；kt 校準(zhǔn)裝置通過皮托管及運(yùn)動(dòng)裝置測出排煙管道內(nèi)不同徑向的風(fēng)速，以得出管道內(nèi)的氣體流速分布，從而計(jì)算出排煙管道的氣體流速分布因子，保證風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性。

2 功能特色

機(jī)車用熱釋放速率測試裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)車部件級產(chǎn)品的火災(zāi)測試、車體內(nèi)滅火系統(tǒng)的功能測試、車體內(nèi)設(shè)備間及機(jī)械間滅火系統(tǒng)的功能測試以及多工況下對機(jī)車火災(zāi)環(huán)境影響的研究等。有助于掌握機(jī)車內(nèi)部實(shí)際而復(fù)雜的火災(zāi)特點(diǎn)，對移動(dòng)裝備火災(zāi)滅火裝置的設(shè)計(jì)提供可靠、有力的實(shí)驗(yàn)保證。目前國內(nèi)已知的消防所及滅火產(chǎn)品生產(chǎn)公司并無此類多功能、復(fù)合測試的測試環(huán)境或裝置。

機(jī)車用熱釋放速率測試裝置模擬車體內(nèi)有可以靈活拆卸的分隔門，可以保證實(shí)驗(yàn)滿足不同部件級設(shè)備試驗(yàn)和不同車型車體試驗(yàn)。

機(jī)車用熱釋放速率測試裝置可以通過控制室內(nèi)的電腦實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制，這其中包括自動(dòng)的點(diǎn)火和實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反饋等，降低了試驗(yàn)過程中的人員安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了數(shù)據(jù)采集的能力，保證了數(shù)據(jù)的有效性。

3 應(yīng)用實(shí)例

軌道交通客運(yùn)列車在發(fā)生火災(zāi)時(shí)因人員密集，疏散難度大，故越早獲得火災(zāi)報(bào)警信號，疏散時(shí)間就越充裕，火災(zāi)撲滅和降低損失的概率也就越大。通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)1:1 模擬CR400 高速動(dòng)車組車廂內(nèi)部環(huán)境，按照車廂內(nèi)火災(zāi)探測器的布置方式，布置示例如圖3 所示。試驗(yàn)過程中采用煙霧發(fā)生器模擬火災(zāi)發(fā)展過程中的煙霧情況，以試驗(yàn)的方式對比單、雙管路探測器，感煙探測器，煙溫復(fù)合探測器以及點(diǎn)式吸氣探測器等多種火災(zāi)探測器的時(shí)效性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，相較于其他類型的探測器，管路吸氣式探測器的敏感度極高，可以在火災(zāi)發(fā)生的初期發(fā)現(xiàn)火情，為乘客有序疏散提供了寶貴時(shí)間。且管路吸氣式探測器可將采樣管網(wǎng)布置在地鐵車廂內(nèi)結(jié)構(gòu)頂板底部，通過毛細(xì)管布置在吊頂上，隱蔽性好，保證地鐵車廂內(nèi)飾的美觀，這一切都為地鐵車廂內(nèi)火災(zāi)探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。

圖3 CR400 車型探測試驗(yàn)布置圖

4 結(jié)語

機(jī)車用熱釋放速率測試裝置通過1:1 構(gòu)建車體尺寸，通過靈活的內(nèi)部布置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車部件級產(chǎn)品的火災(zāi)測試、車體內(nèi)滅火系統(tǒng)的功能測試、車體內(nèi)設(shè)備間及機(jī)械間滅火系統(tǒng)的功能測試以及多工況下對機(jī)車火災(zāi)環(huán)境影響的研究等，有助于掌握機(jī)車內(nèi)部實(shí)際而復(fù)雜的火災(zāi)特點(diǎn)，對移動(dòng)裝備火災(zāi)滅火裝置的設(shè)計(jì)提供可靠、有力的實(shí)驗(yàn)保證。