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细水雾灭火系统介绍

作者 :田启东更新时间:2012-11-12

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(武汉凯迪水务有限公司 湖北 武汉 430074)

摘 要: 本文介绍了细水雾的概念及灭火原理,扼要地说明了各种细水雾灭火系统的构成及其应用,并结合有关试验成果,对细水雾灭火效果进行总结和分析。
主题词: 细水雾;灭火;系统;介绍。

一、 细水雾的定义
“细水雾”(water mist)是相对于“水喷雾”(water spray)的概念,所谓的细水雾,是使用特殊喷嘴、通过高压喷水产生的水微粒。在NFPA 750中,细水雾的定义是:在最小设计工作压力下、距喷嘴1米处的平面上,测得水雾最粗部分的水微粒直径Dv0.99[1]不大于1000μ,按水雾中水微粒的大小,细水雾分为3级。第1级细水雾为小于等于Dv0.1=100μ与Dv0.9=200μ连线的部分,这是最细的水雾。第2级细水雾,是第1级细水雾的界限与Dv0.1=200μ同Dv0.9=400μ连线之间的部分。这种细水雾可由高压喷嘴、双流喷嘴或许多冲撞式喷嘴产生。由于有较大的水微粒存在,相对于1级细水雾,2级细水雾更容易产生较大的流量。第3级细水雾为Dv0.9大于400μ。这种细水雾主要由中压、小孔喷淋头、各种冲击式喷嘴等产生。
研究表明,扑灭 B类火灾水雾颗粒小于400μ是必需的,而较大的颗粒对于 A类火灾是有效的,这是由于燃料被浸湿的原因。正因为如此,细水雾的定义包括了Dv0.99为1000μ。在NFPA 750中定义的细水雾,既包含了NFPA 15中定义的一部分水喷雾系统(Water Spray),又包含了在高压状态下普通喷淋系统(Sprinklers)产生的水雾。一般情况下,细水雾是指Dv0.9小于400μ的水雾。

二、细水雾的灭火机理及应用
细水雾灭火系统成功的关键,是增加单位体积水微粒的表面积。水微粒子化以后,即使同样体积的水,也可使总表面积增大。而表面积的增大,更容易进行热吸收,冷却燃烧反应。吸收热的水微粒容易汽化,体积增大约1700倍。由于水蒸汽的产生,既稀释了火焰附近氧气的浓度,窒息了燃烧反应,又有效地控制了热辐射。细水雾灭火主要是通过高效率的冷却与缺氧窒息的双重作用。
细水雾水微粒直径大小的分布与灭火能力的关系是个复杂的问题。一般来讲,第1级和第2级细水雾用于扑灭液体燃料池内的火灾效果较好,而且不会搅动池内的液面。通常情况下,用第1级水雾扑灭A类可燃物是比较困难的,这可能是该细水雾不能穿透碳化层而浸湿燃烧物质。然而,因为细水雾的喷射速度很高,在燃烧处于表面或封闭空间内,有利于氧气减少的情况下,还是可以扑灭A类可燃物的。这说明,对于一定的燃烧物,细水雾的颗粒直径不是决定灭火能力的唯一因素。系统的灭火效果还与细水雾相对于火焰的喷射方向、速度和喷水强度等有密切的关系。
美国海军实验室(Naval Research Laboratory)曾对下列3种细水雾灭火系统的灭火效果做了一系列试验:单流低压系统(Single-Fluid Low-Pressure Systems)、 单流高压系统(Single-Fluid High-Pressure Systems)和双流系统(Twin-Fluid Systems)。
试验表明,单流低压系统产生较大的水微粒,在扑灭深层的A类火灾时,表现出良好的效果。这是由于其相对较大的流量(单流高压系统的3至4倍),产生了表面的浸湿作用,但减弱了系统扑灭受遮挡的火灾的能力。而单流高压系统的灭火效果则完全相反,由于较小的水微粒直径,提高了扑灭受遮挡火灾的能力,而减弱了扑灭深层的A类火灾时的效果。试验显示,大空间内受阻挡的火灾,当火灾处的氧气浓度降到18%以下时,火焰即可熄灭。
细水雾灭火系统与卤代烷或其它气体灭火系统相比,灭火时间要长得多,前者约为100-200秒,后者约为10-20秒。另外,封闭空间开口大小对细水雾灭火效果的影响较小,在敞开空间内,细水雾系统比气体灭火系统具有非常明显的优势。
火灾规模的大小,对细水雾灭火系统的灭火效果也有影响,燃烧猛烈的火灾较燃烧缓慢的火灾容易被扑灭。这是由于前者氧气消耗的快,并伴随有大量蒸气和紊流的产生。细水雾系统喷水的同时,火场的温度急剧下降,这有助于人工灭火并减少热量造成的财产损失。
关于细水雾的电气绝缘性,国外曾用Securipex Fire-Scope 2000 细水雾灭火系统做过试验,将该系统喷入设有电动机、发电机和配电盘的封闭房间内,上述设备内部的电压为220~440V。结果显示,在释放过程中,电阻读数明显下降,但和通常一样,设备运转正常。在一般情况下,随着设备变得干燥,电阻值会恢复到正常值。细水雾系统能否用于电器设备,关键在于水雾微粒的大小。某一种类的细水雾系统用于电器设备时,应通过有关部门的认证。
笔者以为,细水雾系统可用于保护工厂贵重的生产设备、高层建筑内的油浸电力变压器室、自备柴油发电机房及其储油间和燃油、燃气锅炉房。高压及双流介质细水雾系统,可用于重要的高层建筑内的高、低压配电室,重要的电子通信设备机房,电厂的控制室,燃气涡轮机等场所。
三、细水雾灭火系统的分类
1、低压系统,工作压力小于12.1bar (175psi*);中压系统,工作压力为12.1bar (175psi)~ 34.5 bar(500 psi); 高压系统,工作压力大于34.5bar (500psi)。
2、局部应用系统(Local Application Systems),如保护蒸气涡轮机组轴承,炼油厂的热油泵;全淹没系统(Total Flooding Application Systems),保护整个防护区,如燃气涡轮机组机房。
3、预制系统(Preengineered Systems),如压缩气体钢瓶驱动的双流系统,钢瓶及水罐有若干种规格,都是在工厂加工好的,设计中根据防护区面积的大小来选择;工程系统(Engineered Systems),其构成和工作方式类似常规的雨淋系统(Deluge Systems)。
4、单流介质系统(Single Fluid Media Systems) 和双流介质喷雾系统(Twin Fluid Media Systems)。单流介质系统,是仅以水为灭火剂,由一路管道供到喷嘴。系统由喷嘴,水泵雨淋阀,探测器及控制器组成。双流介质喷雾系统,水及雾化介质由不同的管路分别供给,并在喷嘴处混合、碰撞而产生水微粒子,该水雾喷嘴的外形。雾化介质分为两路,一路用于推动储水罐内的水,另一路直接供到喷嘴。储水罐内的水处于常压,灭火时由高压气体推动而进入防护区。雾化介质是可以通过与水混合并产生细水雾的高压空气或其他气体。
实际工程中的细水雾灭火系统往往是上述几种分类的组合,现以应用较为广泛的Securipex Fire-Scope 2000细水雾灭火系统为例,该系统属于低压、双流、预制式系统。喷嘴内气、水两种介质的工作压力5.5bar,产生水微粒尺寸为200μ,喷嘴的特性系数K=4.5L/min.bar1/2,推荐喷头间距为3.0m,相应喷水强度为0.95L/ min. m2。
四、系统的设计
水力计算,低压系统类似普通喷淋系统,按Hazen-Williams公式计算,中压、高压系统按Darcy-Weishach公式计算。由于流速、水温、粘滞系数及管道粗糙系数极大地影响水的紊流程度,从而影响管路的压力损失,而H-W公式不能对上述参数作出修正。一般情况下,特别是中、高压细水雾系统,比低压细水雾系统更容易出现较高的流速。由于D-W公式充分考虑了实际流体特性,即雷诺数和管壁粗糙度,所以中压、高压系统按D-W公式而不用H-W公式。又由于管径越小,管壁粗糙影响越大。当设计中为减小系统重量而选择很高的摩阻损失,以便安装在受限制的空间内,如飞机的货仓内,用H-W公式计算不精确,则应采用D-W公式。
喷头设置,喷淋或普通水喷雾系统是按设计喷水强度设置喷头,细水雾喷头的设置的间距、与墙体的距离、距障碍物的距离以及与吊顶的距离是根据各种喷头的特性而定,不涉及喷水强度的概念。
过滤器设置,固体颗粒物的累积有可能造成系统水头损失的增大或堵塞,在系统的供水干管或立管上设过滤器。滤网孔眼最大尺寸不应大于最小喷嘴孔口直径的百分之八十。某些时候,还需要在每个喷嘴前设过滤器。系统水源应保证系统喷雾时间不小于30分钟。当然这并非要求灭火时间一定是30分钟,如Securipex Fire-Scope 2000系统用于内燃机房、或可燃油事故储油池时的灭火时间是10分钟。
系统的组成,预制系统前文已经介绍过了,其它系统一般为雨淋系统,由雨淋阀、水雾喷头、管路、探测器及控制器组成,雨淋阀是专门用于水喷雾系统的小规格雨淋阀。
细水雾灭火系统的工作原理与水喷雾灭火系统类似,典型的系统工作原理是:自动启动状态,防护区设多个探测器,当火灾发生时,系统控制盘接受探测器探测的动作信号,向火灾区域喷水雾;手动启动状态,防护区设多个探测器,当火灾发生时,探测器发出报警信号或在现场人员确认火灾后,打开设在发生火灾区域最近处的手动启动装置(手动与自动切换型),启动细水雾系统,向火灾区域喷水雾。
结论
细水雾灭火系统类似于自动喷淋,固定水喷雾,二氧化碳和哈龙灭火系统,在许多方面,可以看作是上述系统的综合。总的来说,细水雾灭火系统是利用水作为扑灭、压制和控制火灾的介质,只是以不同于传统的方式来实现的。
五、细水雾系统优劣分析
细水雾灭火系统与气体灭火相比,具有廉价、对人和环境没有危害的优点,同时也避免了哈龙等气体在灭火时,因与燃烧物发生链式反应而产生对人有害的气体,有利于火灾现场人员的逃离。该系统即可局部应用,保护独立的设备或设备的某一部分,又可作为全淹没系统,保护整个空间。尤其可用水源匮乏地区及部分禁止用水的场所。
细水雾系统也有它的局限性。如高压系统的管路、配件及水泵的工作压力很高;为避免喷嘴堵塞,对水质要求很高;系统的专业性很强,设计及施工必须由专门资质的工程公司承担。
在细水雾灭火系统的应用与研究方面,欧、美起步较早,已经生产出了一系列专利产品,并制定了相应的设计、施工及验收规范。据悉,我国有关消防科研部门已经把细水雾作为课题进行研究,相信不久会有国产的细水雾产品问世。
 水,作为最原始的灭火剂,因其本身的特性所致,在某些场所的应用受到限制,人们开始寻找哈龙、二氧化碳等灭火剂,但是在环保日益受到重视的今天,水又重新受到重视。只要扬长避短,深入研究,水一定会在消防领域发挥更大的作用。
注:
Dvf的含义:Dvf是水微粒直径,它的微粒子直径从0至某一微粒直径的累计体积与相应的总累计体积之比,如Dv0.99。
1 psi=0.0689 bar , 1 bar=105 Pa.
参考文献
1、NFPA 750,Standard on Water mist Fire Protection systems,1996Edition.
2、NFPA 15,Standard for Water Spray Fixed Systems For Fire Protection,1996Edition.
3、水雾系统说明资料,日探株式会社,1999…… 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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