地鐵車站高壓細水霧滅火系統(tǒng)設計探討

簡海強

（中鐵上海設計院集團有限公司天津分院，天津 300000）

1 引言

地鐵是我國城市軌道交通重要的一個組成部分，但是地鐵由于自身條件和環(huán)境因素的影響和限制，一旦發(fā)生火災，救援人員和現(xiàn)場滅火設施因受到地理和環(huán)境條件等多種因素的影響和制約，很難在第一時間趕到現(xiàn)場進行緊急救援，這必然會對地鐵運營造成嚴重影響，甚至會導致重大的人員傷亡。在GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》的指導下，本文以某市地鐵4 號線為例，闡述了高壓細水霧滅火系統(tǒng)相較于與其他類型的消防滅火系統(tǒng)不同的特點，以及在此次項目建設中的整體技術方案和應用情況。對于推動我國高壓細水霧滅火系統(tǒng)技術在城市地鐵領域的研究和發(fā)展有深遠意義。

2 工程概況

地鐵某車站內(nèi)部為地下2 層、地上1 層的島式列車?？空荆苍O計8 個出入口，2 座風亭，1 號、2 號風亭均為矮風亭,該站總建筑面積19 560.9 m2。車站內(nèi)部采用了高壓細水煙霧滅火系統(tǒng)，用來保護重要的電氣設施和房間。車站內(nèi)共有20個保護房間。房間的功能和面對的危險問題不同，所以，設計時需要按照不同房間的實際情況進行設計[1]。

3 高壓細水霧滅火系統(tǒng)的概述、滅火機理及特點

3.1 細水霧滅火系統(tǒng)的概述

高壓細水霧滅火系統(tǒng)采用的滅火介質(zhì)是水，是一種通過高壓力的水通過特殊噴嘴產(chǎn)生粒徑為40～200 μm 的細水霧進行自動滅火的消防系統(tǒng)。根據(jù)驅(qū)動源類型分類，有泵組式和瓶組式這兩種不同的系統(tǒng)。通常在地鐵車站中采用較多的是泵組式系統(tǒng)，分別由細水霧開（閉）式噴頭、區(qū)域控制閥組、高壓細水霧泵組、供水控制管網(wǎng)、過濾器、不銹鋼管道以及火災報警控制系統(tǒng)等組成。

3.2 細水霧滅火系統(tǒng)的滅火機理

高壓細水霧滅火系統(tǒng)的滅火原理主要是通過高效吸熱冷卻和快速排氧窒息達到滅火的效果，高壓細水霧霧滴累積體積分布參數(shù)Dv0.9＜200 μm（Dv0.9為體積占比90%的水微粒的直徑），具有巨大的比表面積，能被迅速汽化，吸收大量熱量，冷卻火焰表面溫度，提高滅火效率。與此同時，吸收熱量后迅速汽化，變成水蒸氣，體積增大到1 700 多倍，在這個過程中，水蒸氣在火焰周圍形成屏障，阻止新鮮空氣進入，使燃燒區(qū)域的氧氣濃度降低，燃燒因缺氧而受到抑制或中斷。此外，滅火過程中，細水霧在燃燒區(qū)周圍形成了高強度的吸熱屏障，阻斷熱輻射的傳遞，從而有效隔絕因顯著的熱輻射而造成安全事故外擴散或危害性人生命安全的風險性[2]。

3.3 高壓細水霧滅火系統(tǒng)的特點

高壓細水霧滅火系統(tǒng)的滅火效率高，同時滅火范圍廣，屏蔽熱輻射與凈化的作用，對設備無損壞以及電絕緣性好滅火等特點。與其他滅火系統(tǒng)相比，高壓細水霧滅火系統(tǒng)還有用水量小，能夠遠距離輸送，系統(tǒng)需要的供水管徑小，占用空間小等優(yōu)點，詳見表1。

表1 高壓細水霧滅火系統(tǒng)與其他滅火系統(tǒng)對比表

4 地鐵車站高壓細水霧滅火系統(tǒng)設計

4.1 設計依據(jù)

公安部天津消防研究所《高壓細水霧在地鐵車站設備區(qū)電氣房間應用試驗報告》（2018 年6 月）；GB 51298—2018 《地鐵設計防火標準》；GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》。

4.2 保護范圍

本站高壓細水霧系統(tǒng)主要保護區(qū)域：站廳層包括信號設備室、配電間1、警用通信機房、配電間2、AFC 配線間1、AFC配線間2；設備層包括變配電室、商用通信機房、配電間3、弱電通信機房、配電間4、環(huán)控電控室1、環(huán)控電控室2；站臺層包括1#整流變壓室、2#整流變壓室、控制室、開關柜室、配電間5、屏蔽門控制室、配電間6。保護面積合計約1 102 m2。

4.3 系統(tǒng)設計方案

本站共需設置20 個保護房間，系統(tǒng)采用開式全淹沒、閉式（預作用）滅火系統(tǒng)結合的泵組式應用形式。高壓泵組、補水裝置及貯水水箱等設備集中設置在設備層高壓細水霧泵房內(nèi)。保護房間外設置區(qū)域控制閥箱，保護房間內(nèi)無吊頂和架空地板，不增設噴頭[3]。

4.3.1 設計參數(shù)

設計額定溫度：20 ℃；

系統(tǒng)持續(xù)噴霧時間≤30 min；

開式滅火系統(tǒng)的響應時間不大于30 s；

閉式（預作用）系統(tǒng)作用面積按140 m2計算，閉式最大保護區(qū)小于140 m2時，按最大保護區(qū)面積為作用面積；

最不利點噴頭工作壓力不低于10 MPa；

噴頭有效工作霧滴體積直徑Dv0.5≤75 μm、Dv0.99≤150 μm；

根據(jù)《高壓細水霧系統(tǒng)在地鐵中的應用研究及實驗成果報告》（2018 年7 月），開式全淹沒系統(tǒng)噴霧強度不小于0.75 L/（min?m2），閉式滅火系統(tǒng)噴霧強度不小于1.4 L/（min?m2）。

4.3.2 系統(tǒng)水源及供水要求

系統(tǒng)供水的水質(zhì)要求，應符合現(xiàn)行國家標準GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標準》的規(guī)定（氯離子含量≤25 mg/L）。本車站為單路水源，高壓細水霧系統(tǒng)用水由市政給水引入管單獨接一根DN100 給水管道（倒流防止器后），接至高壓細水霧泵房，最終接至貯存全部用水量的貯水箱（有效容積不小于8.7 m3），高壓細水霧系統(tǒng)增壓補水裝置吸水管道從水箱中吸水，供系統(tǒng)使用。

細水霧系統(tǒng)配套設置增壓補水裝置，含增壓泵兩臺，一用一備，水泵參數(shù)：流量Q=5 L/s，揚程H=37 m，功率N=4 kW。控制柜接收到調(diào)節(jié)水箱液位信號可控制補水增壓泵啟停。

調(diào)節(jié)水箱前需要設置過濾器，過濾器為銅合金、不銹鋼或其他耐腐蝕性能不低于不銹鋼、銅合金的材料；過濾器的網(wǎng)孔孔徑不應大于噴頭最小噴孔孔徑的80%。

4.3.3 系統(tǒng)布置

車站內(nèi)一般電氣設備房間采用開式全淹沒系統(tǒng)，在誤噴可能對地鐵運營產(chǎn)生干擾的電氣設備房間采用閉式滅火系統(tǒng)保護。

本站開式滅火系統(tǒng)共設置3 個防護區(qū)，防護區(qū)1 包含4個保護房間，分別為配電間1（站廳層）、警用通信機房（站廳層）、變配電室（設備層）、AFC 配線間1（站廳層）；防護區(qū)2 包含6 個保護房間，分別為配電間2（站廳層）、商用通信機房（設備層）、配電間3（設備層）、弱電通信機房（設備層）、配電間4（設備層）；防護區(qū)3 包含3 個保護房間，分別為配電間5（站臺層）、屏蔽門控制室（站臺層）、配電間6（站臺層）；各防護區(qū)按可同時噴放計算設計流量，其余保護區(qū)采用閉式(預作用)系統(tǒng)（見表3）。

閉式（預作用）滅火系統(tǒng)所帶閉式噴頭數(shù)量不超過100 個。

高壓細水霧設置防滴漏安全功能或措施，具備對高壓泵組啟動初期和停泵后的噴頭滴水進行技術處理。

站臺層公共區(qū)域預留高壓細水霧噴槍接口。

站廳層開式滅火系統(tǒng)管網(wǎng)末端設置試水閥箱，可定期進行系統(tǒng)試噴。

噴頭在房間的布置應考慮噴頭與設備位置，噴頭布置應避開設備正上方，同時避免被管線遮擋，防止噴放后的凝露滴至設備上區(qū)域控制閥箱應設置靠近門或柱的位置，采用暗裝的方式，不能影響人員疏散逃生。

房間內(nèi)所有管道和噴頭與裸露或非絕緣帶電設備的間距不得小于0.5 m。

系統(tǒng)的泄水考慮在站臺層站臺門端門外一處閥箱處進行泄水，泄水排至線路排水邊溝，貯水水箱和調(diào)節(jié)水箱排水接至泵房內(nèi)排水溝，經(jīng)由地漏收集排至線路排水邊溝，最終流入車站廢水泵站。

4.3.4 主要設備選型

1）噴頭及開閉式選型

根據(jù)公安部天津消防研究所《高壓細水霧在地鐵車站設備區(qū)電氣房間應用試驗報告》中的試驗數(shù)據(jù)和結論，本站高壓細水霧分為開式滅火系統(tǒng)和閉式滅火系統(tǒng)2 種選型，開式和閉式噴頭參數(shù)詳見表2。

表2 噴頭參數(shù)

2）泵組選型

系統(tǒng)設計流量通過閉式滅火系統(tǒng)作用面積140 m2內(nèi)設置閉式噴頭總流量與開式滅火系統(tǒng)最大防護區(qū)內(nèi)所有保護區(qū)的噴頭同時噴放的總流量比較后，擇較大值流量作為系統(tǒng)設計流量，本站閉式滅火系統(tǒng)最大保護區(qū)為站臺層開關柜室，共設置24 只K=1.2 閉式噴頭，總流量為288 L/min，開式滅火系統(tǒng)最大防護區(qū)為防護區(qū)1，共設置有56 只K=0.5 開式噴頭，總流量為280 L/min，經(jīng)對比，本站系統(tǒng)設計流量為Q=288 L/min（見表3）。

表3 系統(tǒng)設計參數(shù)

系統(tǒng)工作壓力計算采用Darcy-Weisbach（達西-魏斯巴赫）計算公式，系統(tǒng)工作壓力按照最不利點的工作壓力10 MPa進行水力計算，同時考慮預留噴槍接口的沿程損失，計算結果：H=11.5 MPa。

根據(jù)計算結果，泵組選用XSW-BZ300/14-3×1（主泵三用一備，穩(wěn)壓泵一用一備），泵組Q=300L/min，H=14MPa，N=90kW。單臺主泵參數(shù)為：Q=100 L/min，H=14 MPa，N=30 kW。穩(wěn)壓泵參數(shù)為Q=11.8 L/min，H=1.4 MPa，N=1.1 kW。泵組自帶控制柜，泵組出口設置泄壓調(diào)壓閥，開啟壓力為14 MPa，泵組設置調(diào)節(jié)水箱，泄壓調(diào)壓閥出水接至調(diào)節(jié)水箱內(nèi)，在出水口設置消能措施。水箱有效容積不小于0.8 m3，并滿足防塵、避光的要求。

高壓細水霧泵組應具有自動巡檢和手動巡檢兩種功能，自動巡檢周期應能根據(jù)需要設定。在巡檢中水泵逐臺啟動運行，每臺泵運行時間不小于2 min，并應有巡檢指示；設備應能保證在巡檢過程中遇消防信號自動退出巡檢，進入消防運行狀態(tài)，巡檢中發(fā)現(xiàn)故障應有聲、光報警[4]。

3）閥組選型

每個保護區(qū)設置一套分區(qū)控制閥組，分區(qū)控制閥組型號應能滿足保護區(qū)內(nèi)噴頭同時噴放，且管道內(nèi)不流速度不大于10 m/s，選型詳見系統(tǒng)設計參數(shù)表3。

4.4 設計須注意的問題

1）為了避免噴頭堵塞，系統(tǒng)對水質(zhì)的要求很高。本設計增壓補水裝置至調(diào)節(jié)水箱前設置過濾器，過濾器的網(wǎng)孔孔徑不應大于噴頭最小噴孔孔徑的80%，從而避免碰頭堵塞的情況。

2）目前，高壓細水霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范還很少，各領域應用受限制，國內(nèi)有GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》，而且各規(guī)范對重要的設計參數(shù)要求差別較大。各行業(yè)的細水霧技術規(guī)范還沒有出版，很大程度上限制了高壓細水霧滅火系統(tǒng)的應用與推廣。所以在設計時，應結合項目實際情況，合理設計。

3）規(guī)范中規(guī)定，閉式滅火系統(tǒng)作用面積不宜小于140 m2，本設計中設置閉式滅火系統(tǒng)房間面積范圍為22.57～125.95 m2（見表3）。從造價方面，幾個房間可以共用一個控制閥箱，減少控制閥箱的數(shù)量從而降低工程的造價，但因地鐵環(huán)境特殊性、房間設備的重要性，在設計時，我們把安全性放在首位，每個保護房間均設置控制閥箱，采用一屋一閥箱控制。

4）閉式滅火系統(tǒng)因為需要等到火勢達到一定嚴重程度后，即噴頭溫度達到57 ℃后，閉式噴頭破裂才能實現(xiàn)滅火，所以，在誤噴可能對地鐵運營產(chǎn)生干擾的電氣設備房間采用閉式系統(tǒng)保護。為保證閉式滅火系統(tǒng)有效運行，閉式噴頭安裝位置距房間內(nèi)屋頂超過150 mm 時應設置集熱板，集熱板平面面積不小于0.12 m2。這既保證誤噴可能對地鐵運營產(chǎn)生干擾又可以達到有效的滅火效果。

5）根據(jù)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，房間內(nèi)噴頭與管線、電纜、燈等會有碰撞的情況，如果發(fā)生碰撞，將影響高壓細水霧的滅火效果，從而會對重要設備造成損壞。切記，噴頭正下方不要有其他專業(yè)任何的設備。

6）細水霧滅火系統(tǒng)管道和管道連接件應采用滿足系統(tǒng)工作壓力要求的022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼無縫鋼管，主管道及管件可根據(jù)BIM 圖進行工廠化預制，在現(xiàn)場進行組合式連接，或采用氬弧焊焊接。各保護區(qū)支管道根據(jù)現(xiàn)場情況現(xiàn)場制作好后采用氬弧焊焊接。氬弧焊焊接應由專業(yè)的技術人員焊接。

7）地鐵高壓細水霧滅火系統(tǒng)設計時應合理布置管線，盡量避免設置管道電伴熱保溫，這不僅可以減少項目投資費用，還可以避免管道結冰、凍裂等凍害情況，進而提高高壓細水滅火系統(tǒng)運行的可靠性[5]。

5 結語

高壓細水霧是通過冷卻、空氣窒息和隔熱輻射這三重作達到抑制火災、控制火災并最終消滅火災的目的。細水霧滅火系統(tǒng)同時具備氣滅系統(tǒng)和自動噴淋系統(tǒng)的雙重作用和優(yōu)點，既有自動淋系統(tǒng)的冷卻降溫作用，又有氣體滅火系統(tǒng)的窒息作用，因此，值得我們?nèi)ゴ罅ν茝V并使用的滅火技術。但仍需不斷提高其適用性以及相應規(guī)范標準。希望本項目設計及經(jīng)驗能為同行提供設計借鑒。