船舶動(dòng)力機(jī)艙細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

1、船舶動(dòng)力機(jī)艙細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)2010 年 4月 12 日摘要細(xì)水霧滅火技術(shù)在船舶消防領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于滅火機(jī)理復(fù)雜，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能完全依賴于一般的原則或統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。以船舶模擬動(dòng)力機(jī)艙細(xì)水霧保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用為例，借鑒建筑防火性能化設(shè)計(jì)的基本思想，建立了基于性能化的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案下細(xì)水霧滅火性能進(jìn)行評(píng)價(jià)， 并進(jìn)行全尺寸滅火有效性試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步指導(dǎo)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明該方法為細(xì)水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有效性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一提供了合理解決途徑。關(guān)鍵詞：船舶、艦船工程；細(xì)水霧；動(dòng)力機(jī)艙；優(yōu)化設(shè)計(jì)；滅火性能評(píng)價(jià)

2、0引言動(dòng)力機(jī)艙是船舶的動(dòng)力輸出場所，它對(duì)船舶的生存及各種任務(wù)的完成起著重要的作用。動(dòng)力機(jī)艙中總是存在著大量電器設(shè)施、各種油料和高溫?zé)岜诘葻嵩矗?也就是說大量火災(zāi)荷載與高溫?zé)嵩垂泊嬗谝慌?。所以?dòng)力機(jī)艙一直是船舶火災(zāi)的高發(fā)區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來我國年均船舶火災(zāi)事故近30起，其中機(jī)艙火災(zāi)約占船舶火災(zāi)總數(shù)的75%。因此建立安全、可靠、 高效的動(dòng)力機(jī)艙滅火保護(hù)系統(tǒng)是船舶消防安全設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。以往船舶動(dòng)力機(jī)艙多采用鹵代烷（哈龍1301等）、二氧化碳等氣體介質(zhì)作為滅火劑。由 于鹵代烷對(duì)大氣臭氧層的破壞，聯(lián)合國環(huán)境保護(hù)公約-蒙特利爾公約（1987年）要求在二十一世紀(jì)初葉這類鹵代烷滅火劑應(yīng)被取代；二氧化碳及其它

3、惰性氣體滅火劑則由于滅火效率 低、對(duì)環(huán)境的不良影響以及對(duì)人員的不安全因素，其應(yīng)用受到了很大限制。因此，尋求哈龍 替代技術(shù)備受全球各國的重視，是當(dāng)今國際火災(zāi)安全技術(shù)前沿的研究熱點(diǎn)之一。其中細(xì)水霧技術(shù)以其無環(huán)境污染、滅火迅速、耗水量低、對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞性小等特點(diǎn)，在船舶消防領(lǐng)域 展示出了廣闊的應(yīng)用前景， 已應(yīng)用于如動(dòng)力機(jī)艙、 燃?xì)鉁u輪間、 船員居住艙以及船內(nèi)公共場 所。所謂的細(xì)水霧( water mist )是使用特殊形式的噴嘴，通過高壓噴水產(chǎn)生水微粒。它比 通常所說的水噴霧( water spray )產(chǎn)生的水粒要細(xì)微得多。關(guān)于細(xì)水霧分級(jí)和水粒直徑之 間的關(guān)系可參見文獻(xiàn)。 細(xì)水霧的滅火機(jī)理主要是由

4、于水蒸汽的蒸發(fā)和擴(kuò)散， 起到了高效率冷 卻和缺氧窒息的雙重作用； 而噴水霧滅火主要是冷卻， 以及乳化某些可燃液體和稀釋氧氣的 作用。 由于細(xì)水霧滅火機(jī)理復(fù)雜， 使得細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能完全依賴于一般的原則或 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 迄今為止其設(shè)計(jì)性能參數(shù)需要通過全尺度試驗(yàn)的檢驗(yàn)。 如果對(duì)于每個(gè)研究對(duì)象、 每種設(shè)計(jì)方案都要進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)， 那么將耗費(fèi)過多的人力、 物力和財(cái)力， 不符合消防系統(tǒng)經(jīng) 濟(jì)性原則，也不利于細(xì)水霧滅火技術(shù)的工程應(yīng)用。因此，尋求合理的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法、降低 設(shè)計(jì)成本已成為細(xì)水霧滅火系統(tǒng)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵所在。本文以船舶模擬動(dòng)力機(jī)艙細(xì)水霧保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用為例， 借鑒建筑防火性能化設(shè)計(jì)的

5、 基本思想， 建立了基于性能化的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法， 為細(xì)水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)有效性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一提供了合理解決途徑。1基于性能化的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法1.1 建筑性能化防火設(shè)計(jì)方法的基本思想建筑性能化防火設(shè)計(jì)是根據(jù)具體建筑物的火災(zāi)發(fā)展特性來決定其防火需要， 使火災(zāi)安全 目標(biāo)、 火災(zāi)損失目標(biāo)和設(shè)計(jì)目標(biāo)良好結(jié)合， 有助于實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防治的科學(xué)性、 有效性和經(jīng)濟(jì)性 的統(tǒng)一，尤其適用于超出規(guī)范要求或者現(xiàn)行規(guī)范沒有明確要求的建筑物的火災(zāi)安全設(shè)計(jì)。 目 前，許多國家和地區(qū)都相繼開展了性能化防火的理論研究及實(shí)際應(yīng)用， 取得了不同程度的進(jìn) 展，一些相對(duì)成熟的方法已經(jīng)投入到工程實(shí)踐當(dāng)中。性

6、能化設(shè)計(jì)方法的基本步驟如圖 1所示。其中包括確定防火目標(biāo)，設(shè)置火災(zāi)場景，定量 分析各個(gè)火災(zāi)場景的火災(zāi)危害性以及火災(zāi)環(huán)境下的人員行為； 包括開展試驗(yàn)研究和計(jì)算模擬 研究。然后評(píng)價(jià)消防系統(tǒng)的有效性和建筑結(jié)構(gòu)耐火性，最后給出結(jié)論和設(shè)計(jì)建議。1.2基于性能化的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法的建立基于性能化的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法，就是根據(jù)上述的性能化防火設(shè)計(jì)的思想，在確定防火目標(biāo)和設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)置可能發(fā)生的火災(zāi)場景， 并針對(duì)初步設(shè)計(jì)方案開展計(jì)算機(jī)模擬，研究不同設(shè)計(jì)方案下的細(xì)水霧滅火有效性。在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步通過全尺度實(shí)體試驗(yàn)檢驗(yàn)此設(shè)計(jì)方案，從而確定最終設(shè)

7、計(jì)方案。 不難看出此方法是從火災(zāi)防治的實(shí)際需要出發(fā)，因此保證了滅火系統(tǒng)有效性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng) 一。而在火災(zāi)場景設(shè)置的基礎(chǔ)上開展實(shí)體試驗(yàn)，能夠預(yù)先評(píng)價(jià)火災(zāi)發(fā)展的可能趨勢，可更為合理地設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況， 降低試驗(yàn)成本，并可為同一類型場所的火災(zāi)防治提供參考?；谛阅芑募?xì)水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法基本步驟如圖 2所示。碣匚茁kgs與迎卜目掠TriL .“ “圖2 W ttfitit的細(xì)水雪火火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的率木步驟:洋衆(zhòng)特性具予巨杠旬定過*目忖茁性區(qū)創(chuàng)I!懷廠優(yōu)化世.計(jì)導(dǎo)垃鶴件滬圖1建筑防火性能化設(shè)計(jì)方汶咸木步探2船舶模擬動(dòng)力機(jī)艙細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)2.1確定防火目標(biāo)與設(shè)計(jì)目標(biāo)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全

8、世界船舶火災(zāi)中約有63%發(fā)生在動(dòng)力機(jī)艙，而其起因56%是由于燃料泄漏引起的，包括高壓管路發(fā)生破裂后泄漏燃油噴至排氣管等熾熱表面時(shí)產(chǎn)生的油霧火和油池火38。因此，動(dòng)力機(jī)艙采用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)時(shí)，要能有效撲滅油類火災(zāi)、能迅速降低室內(nèi)溫 度和燃燒產(chǎn)物（主要是 CO的濃度，有利于火災(zāi)發(fā)生后人員對(duì)船舶的操作；同時(shí)用水量要 盡量減少，以減輕滅火帶來的二次破壞。2.2建立“設(shè)計(jì)火災(zāi)”火災(zāi)的熱釋放速率是設(shè)計(jì)火災(zāi)的重要參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)火災(zāi)場景，主要是獲得熱釋放速率隨時(shí)間的變化。由于船舶動(dòng)力機(jī)艙內(nèi)的可燃物主要是燃油，燃燒的類型可以分為以下兩種： 由于高壓管路破裂而造成的高壓油霧火； 由于滲漏而造成的平面火，即油池火

9、。根據(jù)上述分析，我們分別采用液壓油管道噴射的油霧火和由不同大小油盆燃燒的油池火 來模擬這兩類火災(zāi)。由于不同管路破裂時(shí)產(chǎn)生的霧滴粒徑不同，出口速度也不相同，導(dǎo)致蒸發(fā)速率不同，因而其熱釋放速率相差比較大。設(shè)計(jì)了兩種不同噴頭以產(chǎn)生不同特性參數(shù)的油霧，利用錐形量熱儀對(duì)這兩種噴霧火的熱釋放速率進(jìn)行測量。表 1為噴頭的特性參數(shù)以及熱釋放速率的測量 結(jié)果。表1油霧火熱釋放速率的測量結(jié)果噴頭壓力/MPa霧滴粒徑/ Mm熱釋放速率/MW0.91001.60.44001.0油池火的熱釋放速率主要與油品種類和油池的平面面積有關(guān)。當(dāng)油面全部被引燃后, 池火的熱釋放速率可以由式（1）表示:Q = Je “)式（1）中，

10、Q為熱釋放速率，Ah c為單位熱值（MJ/kg）,A為油池面積（m 2）, m為不 同油品的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失速率，D為油池的當(dāng)量直徑，k、B是燃料的特性參數(shù)。選用柴油作為燃料，采用大小不同的油盆，根據(jù)式（1）得到火源熱釋放速率分別約為0.5MW 2MW另外由于動(dòng)力機(jī)艙內(nèi)設(shè)備眾多，細(xì)水霧對(duì)地面上燃燒的油池火的抑制作用容易受到這些設(shè)備的阻擋。因而遮擋火也是一種常見的火災(zāi)場景，其火災(zāi)發(fā)展趨勢與油池火基本一致。2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)2.3.1初步設(shè)計(jì)方案根據(jù)動(dòng)力機(jī)艙設(shè)備和管道的實(shí)際布局，擬采用局部式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力機(jī)艙進(jìn)行防火保護(hù)。局部式細(xì)水霧系統(tǒng)是指系統(tǒng)通過分區(qū)進(jìn)行保護(hù)、對(duì)特定目標(biāo)采取環(huán)繞或淹沒式

11、等保護(hù)方法，對(duì)較大空間內(nèi)的相應(yīng)設(shè)備和局部區(qū)域進(jìn)行集中保護(hù)。此外考慮到火災(zāi)危險(xiǎn)源類型， 要求系統(tǒng)必須能夠撲滅可燃液體射流噴霧火、油池火以及兩者的結(jié)合。圖3給出了初步的局部保護(hù)示意圖。to m圖3動(dòng)力機(jī)爺局部探護(hù)示意圖232計(jì)算機(jī)模擬評(píng)估作者采用的模擬工具為FDS(Fire Dynamics Simulator )，是由美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)研究發(fā)展的用于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬的通用程序10。針對(duì)船舶動(dòng)力機(jī)艙的實(shí)際火災(zāi)情況，構(gòu)建幾何模型，如圖4所示。參照火災(zāi)場景的設(shè)置，選擇模擬的輸入條件。輸出結(jié)果包 括溫度分布、氧濃度分布及霧密度分布等參數(shù)。限于篇幅，本文僅對(duì)幾個(gè)典型模擬場景的溫度結(jié)果進(jìn)行分析，如

12、圖5圖7所示。圖5的工況為0.5MW油池火，位于無障礙物遮擋的一側(cè)，細(xì)水霧噴頭位于頂棚下方，開啟頂部9個(gè)噴頭，噴頭工作壓力4MPa圖6的工況為0.5MW油池火，位于有障礙物遮擋的一側(cè)， 同時(shí)開啟頂棚下方和障礙物一側(cè)的壁面的噴頭，噴頭工作壓力 4MPa圖7的工況為1MW油池火，位于有障礙物遮擋的一側(cè)，同時(shí)開啟頂棚下方和障礙物一側(cè)的壁面的噴頭，噴頭工作壓力4MPa圖示時(shí)間t為開啟細(xì)水霧噴頭后火災(zāi)持續(xù)時(shí)間。通過模擬的結(jié)果可以看出：火源處無障礙物遮擋時(shí)， 僅開啟頂部噴頭，局部高壓細(xì)水霧就能有效撲滅火災(zāi)；當(dāng)火源被障礙物遮擋時(shí)，滅火難度大為增加。此時(shí)細(xì)水霧滅火主要依靠 稀釋氧氣作用。這會(huì)造成大火好滅，小火

13、難滅的現(xiàn)象。利用局部作用的細(xì)水霧噴頭，繞過障 礙物，直接將細(xì)水霧噴射入火焰區(qū)，能克服這一缺陷。但必須根據(jù)實(shí)際場景，合理選擇噴頭 的霧場特性，否則即使繞過了障礙物，也不能有效滅火。6(i)f二1 讓(h) ?=17；7c) r21 s(d)25空黃5 MW油地火 飾陽物滅火垃弄邂屋方布#(社f =2C s(b) I =30&(e) t =40 id) * =50牡6 0.5MW油迪火有障礙樓純?nèi)诉^桿治度甘布#8(c) i =1S s(d； i =22 I馬7也I玄性池比存酵咼物菠火過程爲(wèi)度分在233實(shí)體試驗(yàn)檢驗(yàn)根據(jù)船舶動(dòng)力機(jī)艙受限空間的特征，并參照國際上同類場所細(xì)水霧全尺寸試驗(yàn)的有關(guān)測 試規(guī)范，

14、建立了全尺寸試驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。試驗(yàn)間為10m匸嘰時(shí)河對(duì)細(xì)木專火火的妁羽(1MW漁萼火(2) 油池火滅火試驗(yàn)11#-0 5MU常即叩II記久”一 片* ff 啊 4 - 怕 4滬13 0* T：（?a lJi * ;#幣帝玄專撲:t irri-r 耐牝通過對(duì)約50組細(xì)水霧撲滅油池火的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，局部保護(hù)細(xì)水霧系統(tǒng)對(duì)于油池火的火災(zāi)場景滅火效果良好，并且側(cè)噴的效果明顯好于下噴的效果。側(cè)噴時(shí)當(dāng)噴頭壓力大于1MPa時(shí)，即能撲滅模擬試驗(yàn)各種場景下的油池火，且在各種工況下隨著噴頭壓力的升高，細(xì)水霧的滅火時(shí)間均相應(yīng)縮短。圖10給出了細(xì)水霧撲滅油池火過程中幾種影響因素對(duì)滅火時(shí)間的比較?？梢钥闯觯?對(duì)于0.

15、5MW油池火，在1.5MPa工作壓力下，當(dāng)噴頭與火源的水平距離從2m變化到3.6m, 滅火時(shí)間從25s延長至280s。在距離較近時(shí)，到達(dá)火焰上方的有效霧通量增加，更有利火焰 對(duì)細(xì)水霧的卷吸。 對(duì)于2MW油池火，當(dāng)噴頭工作壓力從1MPa增至2MPa后，細(xì)水霧系統(tǒng)的滅火時(shí)間大幅 度縮短。隨著壓力繼續(xù)升高,滅火時(shí)間也相應(yīng)縮短；不過當(dāng)噴頭壓力高于 4MPa 時(shí),這種趨 勢已不太明顯了。 側(cè)面噴頭中以第一排（距地面3n）噴頭的滅火效果最佳，第二排（距地面 2m次之， 而第三排噴頭的滅火效果最差。而且即使第二、三排聯(lián)合使用,其效果也不如第一排,并且 耗水量較大。 在無通風(fēng)條件下隨著預(yù)燃時(shí)間的增加，系統(tǒng)滅火

16、時(shí)間先是增大；到預(yù)燃時(shí)間超過70s左右后滅火時(shí)間逐漸減小, 這與油池燃燒導(dǎo)致火焰周圍氧氣濃度變化過程有關(guān)。 而由于強(qiáng)制 通風(fēng)條件下氧氣能夠得到供給,因此滅火時(shí)間隨著預(yù)燃時(shí)間的增長一直在增長。（ 3）遮擋火滅火試驗(yàn)為考察細(xì)水霧系統(tǒng)對(duì)受限空間內(nèi)遮擋火的滅火有效性, 還進(jìn)行了細(xì)水霧對(duì)遮擋火抑制熄 滅的模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)空間內(nèi)模擬動(dòng)力機(jī)艙常見的設(shè)備布置形式。 假定在某個(gè)管路閥門下方發(fā)生油池火 災(zāi)，啟動(dòng)上部的細(xì)水霧噴頭，噴頭壓力為 2MPa這樣細(xì)水霧無法直接作用于火焰區(qū)。幾個(gè)典 型工況及試驗(yàn)結(jié)果如表 3所示。可以看到,由于障礙物的遮擋,細(xì)水霧滅火時(shí)間普遍延長。 火源功率越大, 滅火時(shí)間越短, 這是由于較大

17、的火焰更有利于卷吸由于障礙物遮擋無法直接 到達(dá)火焰面的細(xì)水霧。而通風(fēng)情況對(duì)細(xì)水霧的滅火效果存在著一定影響。在該試驗(yàn)條件下, 對(duì)于0.5MW的遮擋火，在通風(fēng)情況下，2MPa系統(tǒng)壓力的細(xì)水霧無法撲滅；其他功率的火災(zāi)場景滅火時(shí)間也有一定的延長。表3細(xì)水霧撲滅遮擋火典型試驗(yàn)結(jié)果序號(hào)火源功率通風(fēng)情況滅火時(shí)間10.5MW無通風(fēng)120s20.8MW無通風(fēng)91s32MW無通風(fēng)30s40.5MW自然通風(fēng)失敗50.8MW自然通風(fēng)165s61MW自然通風(fēng)85s72MW自然通風(fēng)35s80.5MW機(jī)械通風(fēng)失敗90.8MW機(jī)械通風(fēng)168s101MW機(jī)械通風(fēng)98s112MW機(jī)械通風(fēng)51s3結(jié)論本文將建筑性能化防火設(shè)計(jì)方法引入細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)， 通過船舶模擬動(dòng)力機(jī)艙細(xì)水霧保護(hù)系統(tǒng)的工程實(shí)例闡述了該方法的基本步驟及內(nèi)容。主要結(jié)論如下所述。（1）合理設(shè)