地下空間氣幕分區防火系統的製作方法
2023-05-20 18:19:11
專利名稱：地下空間氣幕分區防火系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種撲滅火災的系統，具體指一種利用空氣幕將地下空間分隔成獨立防火分區的自窒息滅火系統。
背景技術：
隨著經濟快速發展，我國對能源的需求越來越大，以原油為例，中國原油消耗量2004年為28,800萬噸，今後我國原油消耗將以5％的速度遞增，而能源中原油有63.5％是通過鐵路運輸到全國各地。據統計，到目前為止，中國總鐵路營業裡程達到7.3萬公裡，已建成並交付運營的隧道達5500餘座，總長度超過2700km，其中5km以上隧道就有22座，隧道總裡程佔鐵路網總長度的4.69％，成為世界上鐵路隧道數量最多、長度最長的國家。
中國鐵路營運隧道逐漸增多，運送原油等危險物資任務日益加重，在鐵路不斷提速的情況下，要完全杜絕長大隧道中大規模油料火災很困難，而隧道是鐵路運輸的咽喉要道，儘管發生火災的概率較低，但一旦發生將產生極其嚴重的後果，因此亟需進行有針對性研究，對確保鐵路隧道運營安全有著重要意義。
目前國內外撲滅隧道內油罐列車火災通常採用沙土袋封堵隧道口或炸隧道封堵洞口的方法，使內部大火因缺氧而窒息。但這種滅火方法動用人力物力多、耗時長、火災對隧道結構和線路破壞大、交通中斷時間長。如1987年美國斯普羅烏爾隧道火災，救援人員採用封堵洞口方法，花了13天才撲滅大火，到第15天線路才恢復正常運行。有鑑於此，各國紛紛開展一些新的滅火方法研究和新的滅火裝備開發工作，如滅火列車、細水霧滅火法、移動水囊封堵法等。但上述方法和裝備針對隧道油罐大火還存在一些不足之處，表現在滅火火車造價高昂，配置過多不夠經濟，配置過少則接到火警後從駐守地趕到火災現場需長途奔襲，耗時不少、延誤戰機，並且對於油品等重大火災只能起輔助滅火的作用。細水霧法在火災初期很有效果，但當火災擴大到一定規模後，難以讓水霧籠罩整個火場，救援人員手持細水霧發生器在這類火災中也不大可能太過於接近火場滅火。移動水囊封堵法目前尚處在研究階段，要投入實際應用還需得到火災救援列車的支持，且從發現火災到逼近火場需要較長時間，封堵滅火需要在隧道內人員疏散完畢後才可進行，而此期間火勢會不斷擴大，增加滅火難度。加上滅火人員需要深入隧道滅火，必須攜帶呼吸用氧，一旦發生爆炸產生的衝擊波將給救援設施和人員帶來傷害，使救援陷入中斷。
發明內容
本發明的目的是提供一種能快速撲滅隧道油罐列車火災的有效方法，本發明所述的氣幕分區防火系統主要由火情監測、防火分區氣幕、能源和控制等部分組成，其防火氣幕又由進風口、風機、風管和吹風口構成。
本發明的工作原理是在隧道內每間隔一定距離設置有噴射裝置，將隧道分割成一個個獨立的防火分區，當檢測到火情或在人為控制開啟下，噴射裝置即可噴射出高速空氣流形成一道氣幕，這道氣幕可以破壞該處隧道截面範圍附近空氣因溫差形成的熱壓差和隧道上部流出下部吸入的空氣流動現象。由於火場分區內的溫度高壓力大，外部新鮮空氣就不可能補充進入到火場裡，一旦防火分區內的氧氣消耗低到一定含量，大火會因缺氧而熄滅。
影響到氣幕分區法是否能成功撲滅隧道油罐列車大火的因素主要有氣幕能否阻止外界空氣進入火場、撲滅大火的時間、是否會影響到隧道內人員的疏散、系統的經濟性、設備的耐火穩定性和能否徹底撲滅火災。以下對此進一步說明1、氣幕射流的作用通常在工業建築的潔淨生產車間或醫院建築的潔淨病區內，同一建築空間需要劃分出不同潔淨等級時，就會設置一道垂直的氣幕，高等級區域內的送風量大於排風量以保持此區域內的正壓，氣幕的設置會使該區域成為一個等壓體，確保空氣從高潔淨度空間區向低潔淨度區空間區單向流動，以保持較高的潔淨度要求。在隧道內設置氣幕會產生類似情形，只是火場區段內的壓差來源於燃燒，整個火場區段對相鄰區段也將成為一個等壓體，煙氣將只能從該區段向外單向溢出。
根據我國何嘉鵬等在劇院舞臺設置防煙空氣幕(ZL200410014975.6)的相關研究，大型劇院的空氣幕只要達到流量為4178m3/h，出口速度為20.07m/s時，舞臺處的煙氣不會穿過空氣幕到達觀眾席，其計算公式可表示為
式中L0——氣幕流量L1——無氣幕時因熱壓作用擴散到觀眾廳的煙氣量h——地面到天花板的距離h0——氣幕吹風口到天花板的距離b0——吹風口寬度K=32(cos)12th(sincos),]]>α為氣幕射流軸線與x軸夾角，σ為紊流係數上述防煙空氣幕的氣源是通過風管從遠離氣幕的建築外部抽吸過來，而在本發明中氣幕吹出的氣體就來自氣幕附近，並且流經氣幕的氣流又經進風口吸入，在進風口、風機、風管、吹風口和氣幕之間形成循環的氣流迴路，能夠更有效地阻擋火場氣幕外的新鮮空氣進入火場，但其氣幕臨界流量與出口風速確定有待進一步研究。
2、燃燒時間計算1)假設燃燒的物質為原油原油的成分為C％+H％+O％+N％+S％+A％+W％＝100％，其中C、H、O、N、S、A、W分別為碳、氫、氧、氮、硫、灰分和水的含量。
其完全燃燒反應式可寫為 將原油各元素的含量C＝85.5％、H＝11.3％、O＝2.7％、S＝0.3％、剩餘0.2％為水分代入(2)式得到每公斤原油完全燃燒需要3.16公斤氧氣，合2.21m3氧氣。
2)假設兩道氣幕之間相距500米，考慮到最不利的情況即著火點就在某一氣幕處，該氣幕將失去分隔火場地作用，則火場區為1000m長，隧道截面面積取56m2裡面的空氣容積為1000×56＝56000m3設火場平均溫度為80℃，由於氣幕並未阻止火場內的空氣向外流動，可近似認為火場內氣壓與外部相同由P0V0T0=PVT]]>得V0=PVT0PT=56000273353=40986.6m3]]>式中P——氣體壓力V——氣體體積T——氣體溫度3)又當氧氣含量低於14％時燃燒會自行終止，則可供燃燒的氧氣為40986.6×(21％-14％)＝2869m3這僅能供1298公斤原油完全燃燒。
假如在長達14295m的大瑤山隧道發生油罐列車火災，如果採取封堵洞口或炸洞口的滅火方法，則隧道內的空氣量為14295×56＝800520m3，在不考慮隧道內壓力會高過外界的情況下也足可以維持18555kg的原油完全燃燒。
如果氣幕分區窒息法分區內大火約需2小時即自行熄滅，而封堵洞口法則在封堵好洞口後仍需30小時以上方能撲滅大火，兩者相比不難看出氣幕分區窒息法滅火效果十分明顯。如果火災範圍沒有超出一個防火分區，則滅火時間會更短。
3、隧道內人員疏散通常在無風情況下，隧道內煙氣向兩側擴散速度約為0.8～1m/s，且火災熱煙氣和冷空氣會分層流動，人員的疏散速度約為1.5m/s，人們可利用隧道下部為冷空氣層的特性逃離火場，但火災煙氣只在起火初期8分鐘內約距火場中心700米範圍內保持分層流動的特性，超過這一距離因煙氣溫度下降將與下部空氣混合，因此人員應在起火後迅速逃離才能安全逃生。在有風情況下，逆風向流動的煙氣可能被壓制，在上風向成為無煙區間，但順風方向煙氣會迅速充滿隧道，人員難以逃生。因此隧道內人員要想安全疏散其速度必須快過火災煙氣的擴散速度，如能利用氣幕阻止或減緩煙氣流動，人員疏散就容易組織了。在火場分區內可以看成是無風狀況，人員疏散速度較煙氣流動速度快，火場內的人員可以安全撤離。在火場外，氣幕可使煙氣流動受限，煙氣溢出的量大為減少，速度減緩。因為設置氣幕後火場區段內的氣體只能向外流動，因此向外流出的氣體體積就是火場區段內氣體因火災膨脹多出的部分，這與兩方面因素有關一是由於區段內溫度升高引起的氣體膨脹，可表示為Vs＝V0[1+β(ts-t0)](3)式中Vs——溫度為ts時氣體體積V0——溫度為t0時氣體體積ts——燃燒時煙氣的溫度t0——環境溫度β——氣體體積膨脹係數，β＝1/273雖然著火區上方附近火焰的溫度高達800～1200℃甚至更高，但隨著向隧道頂向兩側流動，其能量會逐步傳導至周圍的空氣和隧道壁上，在離火區500米後煙氣的溫度會降至250℃以下，並且隧道中部下部空氣溫度在較長時間內維持在80℃以下。假設著火1小時後隧道內空氣平均溫度為180℃，則火場內空氣體積因溫升而體積擴大為V=56000[1+1273(453-293)]=88820.5m3,]]>體積增加32816m3，擴大0.586倍。
二是由於燃燒本身產生的體積擴大，可表示為V＝(Vb-Vo)[1+β(ts-t0)]-Vt(4)式中V——因燃燒增加的體積Vb——常溫下燃燒產物體積Vo——常溫下燃燒消耗氧氣的體積V1——燃燒物原有體積假設火焰區溫度為800℃，原油完全燃燒，則每燃燒掉1Kg原油會生成2.87m3氣態產物，消耗掉2.21m3氧氣，代入上式得新增體積為2.55m3；如果燃燒不充分，設生成的CO2和CO的比值為5∶1，則每燃燒掉1Kg原油會生成2.87m3氣態產物，消耗掉2.08m3氧氣，代入上式得新增體積為3.05m3。
設隧道內有1350公斤原油不完全燃燒，則燃燒淨增4117.5m3的體積，加上因升溫而增加的體積32816m3，共計增加36933.5m3。由於壓力差的關係，這部分氣體會穿過火場兩側氣幕進入相鄰的區段內，其溫度和有害氣體濃度經稀釋後都會相應降低，並且與火場相鄰區段內也會有近18465m3的空氣被擠壓至下一個區段，如此類推，只要經過2到3個防火區段後隧道內空氣的成分和溫度基本對人員無害。因此發生火災後隧道內的人員只要能夠逃離火場區段就有逃生機會，離火場越遠的區段會越安全，因為火災的高溫及對人體有害的煙氣被氣幕約束在火場及其附近的區段。為了增加列車司乘人員從隧道火災中逃離的機會，可以在油罐列車及隧道沿線裝配一定數量的有氧呼吸器。
4、系統的經濟性、設備的耐火穩定性和火災會否復燃該方法整套系統由火情監測、分區氣幕、能源和控制系統幾部分組成。由於針對的是大規模的油料火災，火情監測可按每500米設置1個視頻攝像頭和1套溫感報警裝置；而組成氣幕的設備構件主要包括風機、風管和氣幕噴嘴，每道氣幕的造價可控制在10萬元人民幣之內，加上監測、電源和控制系統，一座長15km的長大鐵路隧道在防火安全上的投入只需1000萬元人民幣，還不及隧道總造價的1％。
因為氣幕只有噴嘴和風管安裝在隧道頂或較高位置，這些構件能經受得住火災高溫煙氣的薰烤，而風機可以裝在距地面2米的範圍內，這一範圍通常距離火場中心300米以上溫度會低於100℃，即使有部分隧道上層高溫煙氣被吸卷進風機的可能，只要經過適當技術處理及選擇耐高溫的風機後就能保證系統平穩工作。
火災窒息滅火後，因溫度逐漸降低，氣壓下降，會從周圍空間吸入空氣。因為火場內仍有溫度較高處，一旦吸入的空氣中氧含量較高就會發生火災復燃甚至爆炸。但在氣幕分區滅火法中不會出現類似現象，只要氣幕持續工作，火場回吸的空氣大部分是才從火場擠壓出的氧含量較低的煙氣，而新鮮空氣很難穿過重重氣幕進入火場，從而避免火災的復燃。
5、加速滅火輔助方法為了縮短滅火時間，可以在人員逃離火場幾個區段後就開始向火場中心加注液氮。在20℃時，1kg液氮氣化能吸收199kJ熱量，能迅速降低火場溫度，更為重要的是，液氮氣化後體積急劇擴大(0.1MPa、20℃時1m3液氮氣化能生成696m3氮氣)，迅速降低火場中氧氣和可燃氣體的含量，使大火在短時間內室息缺氧而停止燃燒。因此在長大隧道口外預備液氮儲罐，隧道內鋪設輸送液氮的管道和閥門，一旦發生大型火災，在確認人員逃至安全區段後即可向火場內加注液氮滅火，採用氣幕分區窒息和加注液氮的方法可在1小時內將大火撲滅。
綜上所述，採用以上的技術方案後，氣幕防火分區法能夠快速而有效的撲滅鐵路隧道內的大規模油罐車火災，相對其它滅火方法更為經濟快捷，實施後對確保鐵路隧道安全營運和國民經濟健康發展有著重要意義。
圖1是未安裝氣幕時隧道火災煙氣流動示意圖。
圖2是本發明火災初期示意圖。
圖3是本發明火災發展期示意圖。
圖4是本發明火災衰弱期示意圖。
圖5是本發明火災因缺氧熄滅示意圖。
圖中隧道頂面1，隧道底面2，著火點3，火災煙氣4，新鮮空氣5，可燃物6，進風口7，風機8，風管9，吹風口10，氣幕11，防火區段12。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明
如圖1所示，在未安裝氣幕的隧道內發生火災時，如無縱向通風，著火點3處燃燒過程產生的煙氣羽流到達隧道頂面1後轉為水平方向運動的頂棚射流，並逐步漫延到整個頂棚面，由於煙氣較隧道內空氣溫度高密度低，於是在隧道上層空間形成穩定的熱煙氣層。而煙氣4空出的下部空間則由溫度低密度大的新鮮空氣5沿隧道底面2補充進來，形成上下部對流，燃燒時所需的氧氣通過這種對流獲得不斷的補充，燃燒可以持續進行。採用封堵洞口的滅火方法，隧道內燃燒情況與以上類似，直到隧道內氧氣耗盡或可燃物6燃燒完大火才會熄滅。
為了快速撲滅隧道內大規模火災，本發明在隧道內每間隔一定距離設置氣幕11噴射裝置，將隧道分成一個個獨立的防火分區12，當檢測到火情或在人為控制開啟下，風機8啟動，從進風口7吸入附近的氣體，經由風管9到達扁平的吹風口10，噴射出一道連續的高速流動的氣幕11，氣幕11的氣流又經進風口7吸入而形成循環的氣流迴路，因此氣幕11可以破壞該處隧道截面範圍附近空氣因溫差形成的熱壓差和隧道上部流出下部吸入的空氣流動現象，使整個火場區段相對於外部成為等壓體。因為火場區段內氣體壓力較高，火場相鄰區段的新鮮空氣5就不可能補充進入到火場裡，補充到著火點3下部的氣體最後只能是下沉的上部煙氣4，經過一段時間火場內的空氣5和煙氣4將充分混合，一旦防火分區12內的氧氣消耗低到一定含量，大火就會因缺氧而熄滅。火災從起火到熄滅的過程以及氣幕防火作用如圖2-5所示。
在吹風口10內加裝噴射高速水流，或在其外側設置水幕，使接近氣幕11的煙氣4快速降溫而下沉，轉而流向著火點3，加快火場內煙氣4和冷空氣5的混合，儘快撲滅大火，同時可以起到保護氣幕系統免受高溫損害。
為了進一步縮短滅火時間，可以向火場區段加注液氮或其它惰性氣體。迅速降低火場溫度，降低火場中氧氣和可燃氣體的含量，使大火在短時間內窒息缺氧而停止燃燒。
氣幕分區窒息滅火法除鐵路隧道外，還可廣泛應用於公路隧道、地鐵區間隧道及站場、地下商場、地下倉庫等眾多地下空間或相對封閉的建築空間內進行防火設防。
權利要求
1.一種地下空間氣幕分區防火系統，其防火氣幕主要由進風口、風機、風管和吹風口構成，其特徵是由吹風口吹出的高速氣流形成連貫的氣幕，將地下空間分隔成相對獨立的防火分區，阻止外界空氣進入火場，燃燒將因氧氣耗盡而自行熄滅。
2.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是吹風口安裝在地下空間頂面或上部，進風口和風機安裝在地下空間較低部位，氣流沿進風口、風機、風管、吹風口和氣幕形成循環迴路。
3.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是吹風口安裝在地下空間的側面，進風口安裝在地下空間的另一側面，氣流沿進風口、風機、風管、吹風口和氣幕形成循環迴路。
4.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是與風機相連的電源和控制系統以及風機能耐高溫，在設計時間和設計溫度內正常工作。
5.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是吹風口內安裝有噴水或水霧的噴頭。
6.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是氣幕的一側或兩側安裝有水幕。
7.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是地下空間外預設有液氮儲罐，地下空間內鋪設有加注液氮的管道和控制閥。
8.根據權利要求1所述的氣幕分區防火系統，其特徵是地下空間外預設有惰性氣體儲罐，地下空間內鋪設有加注惰性氣體的管道和控制閥。
全文摘要
本發明公開了一種能快速撲滅隧道油罐列車火災等地下空間火災的有效方法，主要由火情監測、防火分區氣幕、能源和控制等部分組成，其防火氣幕又由進風口、風機、風管和吹風口構成。利用氣幕將隧道等地下空間分隔成相對獨立的防火分區，阻止火場外新鮮空氣補充進入到火場，防火分區內的氧氣消耗低到一定含量，大火會因缺氧而熄滅。該方法能快速有效地撲滅地下空間大規模火災，減少火災帶來的直接和間接損失，此外也有利於火災中的人員疏散。
文檔編號E21D5/00GK1710250SQ200510031889
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月19日 優先權日2005年7月19日
發明者趙明橋 申請人:趙明橋