超高层建筑压缩空气泡沫枪灭20A木垛火有效性研究.pdf
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1、消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期灭火系统设计超高层建筑压缩空气泡沫枪灭 20A木垛火有效性研究陈涛1,2,3,王雨薇1,2,3,张鹏1,2,3,秦国杨1,2,3(1.应急管理部天津消防研究所,天津 300381;2.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室,天津 300381;3.天津市消防安全技术重点实验室,天津 300381)摘要:压缩空气泡沫灭火技术是目前解决超高层建筑火灾扑救难题的重要发展方向,但经垂直长距离输送后的压缩空气泡沫灭火性能仍待深入研究。本文拟采用超高层建筑实际配置的泡沫枪,通过调节输入参数,模拟产生与实际超高层工况一致的等效泡沫,并通过标准
2、 20A 木垛火灭火试验,验证经垂直长距离输送的压缩空气泡沫扑灭 A 类火的能力。试验结果表明:混合液流量为 92 L/min、气液比为 9.8:1.0时,供泡 141 s可完全扑灭明火,10 min内无复燃;混合液流量为 126 L/min、气液比为6.0:1.0时,供泡 54 s可完全扑灭明火,10 min内无复燃。关键词:超高层建筑;压缩空气泡沫;泡沫枪;等效泡沫;20A木垛火中图分类号:X932;TQ569 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)10-1393-05随着我国经济的快速发展,城市人口密度急剧增加,人们对城市土地资源的需求量越来越大,导致国内涌现出大量的高
3、层及超高层建筑1-2。然而,超高层建筑的高速发展也带来了巨大的安全隐患。大部分超高层建筑位于人口密度较大的城市中心,一旦发生火灾,容易形成立体燃烧,疏散困难,灭火救援难度大,造成群死群伤和严重社会影响3-6,所以提高超高层建筑灭火救援能力刻不容缓。针对超高层建筑火灾扑救难题,国内外均在开发新型有效灭火技术与装备,其中,压缩空气泡沫灭火技术是近些年世界各国关注的焦点。德国史密斯公司曾在迪拜塔开展 310 m 压缩空气泡沫输送与冷喷试验。国内天津市消防救援总队、北京市消防救援总队、上海市消防救援总队、安徽省消防救援总队、广西壮族自治区消防救援总队、重庆市消防救援总队等先后开展了不同类型的压缩空气泡
4、沫消防车在超高层建筑垂直输送供泡试验,发现高性能进口压缩空气泡沫消防车可以将压缩空气泡沫最高输送至 300 m 以上7-10。徐学军11基于 380 m 超高层实体建筑开展了压缩空气泡沫垂直输运试验,获得了压缩空气泡沫消防车垂直向上输送泡沫的有效高度和极限高度,建立了垂直向上压力衰减预测模型,并提出基于“固移结合”的压缩空气泡沫消火栓系统初步方案。大量研究表明,与现有其他灭火技术相比,压缩空气泡沫灭火技术具有灭火效率高、垂直输送高度高、用水量少及供泡压力低等优势,是解决高层建筑火灾扑救难题的重要发展方向。但是,压缩空气泡沫为可压缩性流体,在重力影响下,经垂直长距离输送后不但压力衰减,泡沫性能与
5、流量也会衰变,经垂直长距离输送后的泡沫是否具备扑救超高层建筑火灾的能力仍待深入研究。鉴于此,本文拟采用超高层建筑实际配置的泡沫枪,通过调节泡沫混合液流量、气液比等输入参数,产生流量、发泡倍数、射程等性能均与超高层建筑实际工程中喷射泡沫一致的等效泡沫,并采用标准 20A 木垛火模型开展灭火试验,验证垂直长距离输送后压缩空气泡沫灭大型 A 类火的能力,为压缩空气泡沫在灭火救援实战中的应用及相关研究提供参考。1试验部分1.1试验模型与布置通过调研分析可知,超高层建筑以 A 类火为主。试验采用目前现行标准中最大的 20A 木垛火模型,长宽高尺寸为 1 270 mm1 270 mm1 320 mm。A
6、类火试验模型由整齐堆放在金属支架上(或其他类似的支架上)的木条和正方形金属制引燃盘构成,支架高为(40010)mm。木条经过干燥处理,其含水率保持在 10%14%(干燥时温度不应高于 105);木材密度在含水率 12%时应为0.450.55 g/cm;木条的横截面为正方形,边长为(391)mm,木材长度的尺寸偏差为10 mm。木条分层堆放,上、下层木条成直角排列,每层的木条间隔均匀。试验模型为正方形木垛,其边长等于木条的长度。木垛的边缘木条固定在一起,以防止试验时被灭火剂冲散。采用 120#溶剂油引燃 A 类火试验模型。将 120#溶剂油放入引燃盘内,燃油量为 8.2 L,引燃盘尺寸为 1 1
7、70 mm 1 170 mm100 mm。采用红外热像仪拍摄记录油盘内温度场及变化情况;通过 2套高清摄像机从不同角度实时拍摄木垛燃烧及灭火试验过程;采用 TP1000多通道数据采集系统与热电偶记录不同位置的温度变化情况。为了记录试验过程中木垛及火焰的温度,共使用了 13只 K型热电偶 T1T13,如图 1所示。木垛中线上采用 5只热电偶,安装时从木垛不施加泡沫的一面插入,T1 安装在木垛正中心线、距离基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC3001700,2021YFC3001704);应急管理部天津消防研究所基科费项目(2022SJ15);应急管理部天津消防研究所所级自有资金支持项目
8、(2022SJZYZJ04)1393Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10地面 200 mm 处,测量引燃油盘火焰的温度。T2T4 分别安装在木垛正中心线上,在木垛内部每隔约 330 mm 均匀设置,T5 安装在木垛正中心线、木垛上方 0.5 m 处,测量木垛火火焰温度;木垛两侧分别设置 4只热电偶,T6T9;T10T13 热电偶按 264 mm 的间距排列,并使热电偶探头分别插进木垛 1/4 和 3/4 处的位置。在木垛相对于施加泡沫方向的两个侧面和背面、距离木垛面约 3 m、距离地面 2 m 高处,安装 3个热流计 H1H
9、3测量热通量,热流计的测量范围为 050 kW/m2。20A 木垛模型热电偶及热流计布置如图 1所示。T5500 mmT1200 mm(a)主视图300 mmH2H1H3T10T13T1T5T6T9(b)俯视图图 120A木垛模型热电偶及热流计布置示意图Fig.1The thermocouple and heat flow meter layout diagram of 20A wood crib model1.2灭火系统与布置采用设有泡沫液、泡沫混合液和气体流量计的标准压缩空气泡沫产生装置和长 20 m 的 DN65 消防水带,并利用超高层建筑实际配置的非吸气式标准直流水枪作为泡沫枪,模拟产
10、生经垂直长距离输送后的等效泡沫。其中,泡沫灭火剂采用符合 GB 27897-2011 A 类泡沫灭火剂 标准的 1%A 类泡沫液。灭火试验在风速不大于 3 m/s的条件下进行,由专人操作泡沫枪喷射和施加泡沫。1.3试验过程1)在引燃盘内先注入深度为 30 mm 的清水,再加入8.2 L 的 120#溶剂油。将引燃盘放入木垛的正下方,将数据采集系统、摄像机和红外热像仪调试完成并开启。2)点燃引燃盘内的 120#溶剂油,溶剂油烧尽后木垛再继续自由燃烧 59 min。同时启动压缩空气泡沫产生装置,按设定相关参数进行调节,并确保泡沫溶液出口流量达到预设值。3)预燃结束后即开始灭火。灭火从木垛正面、距木
11、垛不小于 1.8 m 处开始喷射泡沫。然后接近木垛,并向木垛正面、顶部、底部和两个侧面等位置喷射,但不能喷射木垛的背面。灭火时应保证流量为预设值。4)火焰熄灭后,继续供泡 1 min。待火焰完全熄灭,且停止施加泡沫 10 min 内没有可见的火焰(10 min 内出现不持续的火焰可不计),即为灭 A 类火成功,记录灭火时间。如灭火试验中木垛倒塌,则此次试验无效,应重新进行。2结果与讨论2.1垂直长距离输送等效泡沫模拟产生与性能分析根据实体超高层建筑压缩空气泡沫垂直长距离输送试验结果发现,采用常规压缩空气泡沫消防车,在额定工况下,经过 220 m 以上垂直长距离输送后,从 19 mm 泡沫枪喷射
12、出的泡沫射程为 1317 m,发泡倍数为 11 倍,泡沫混合液流量约为 90120 L/min。为模拟产生垂直长距离输送等效泡沫,试验采用标准压缩空气泡沫产生装置和 19 mm 泡沫枪,分别在 90 L/min 和 120 L/min 泡沫混合液流量下,通过调节不同气液比,测试泡沫射程和发泡倍数,如图 2、图 3所示。其中,泡沫枪轴线与水平线的夹角(仰角)为(301),枪出口端中心至地面的高度为 1 m,顺风测量,待达到设定流量和气液比并至少连续稳定喷射 30 s后,测量射程和发泡倍数。由图 2和图 3可知,在泡沫混合液流量为 90 L/min条件下,当气液比约为 9.5:1.0时,19 mm
13、 泡沫枪喷射出的泡沫发泡倍数为 11 倍,射程为 17 m,与垂直长距离输送后的泡沫性能一致;在泡沫混合液流量为 120 L/min 条件下,当气液比约为 5.5:1.0时,19 mm 泡沫枪喷射出的泡沫发泡倍数为 11 倍,射程为 17 m,与垂直长距离输送后的泡沫性能基本一致。气液比0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24发泡倍数18161412108642011倍90 L/min120 L/min图 219 mm 泡沫枪发泡倍数与气液比的关系曲线Fig.2The relationship curve between the foaming ratio and g
14、as-liquid ratio of 19 mm foam nozzle1394消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期试验结果表明,通过采用与实际工程相同的 19 mm泡沫枪和调节泡沫混合液流量、气液比等输入参数,可产生流量、发泡倍数、射程等性能均与超高层建筑实际工程中喷射泡沫一致的等效泡沫。2.220A木垛火灭火试验过程分析根据 2.1 节分析测试结果,开展如表 1 所示 2 种工况下的灭火试验,验证了垂直长距离输送后等效泡沫灭20A 木垛火的能力,具体的灭火试验结果及灭火过程如表 2及图 4、图 5所示。图 4、图 5 展示了 2 种工况下 20A 木垛火燃烧及压缩空气
15、泡沫灭火过程。在工况 1 试验中,混合液流量为 92 L/min、气液比为 9.8:1.0、发泡倍数为 11.4,供泡 141 s 可完全扑灭 20A 标准木垛明火,且停止施加泡沫 10 min 内没有可见的火焰,证明灭火成功。在工况 2 试验中,混合液流量为 126 L/min、气液比为 6.0:1.0、发泡倍数为 11.3,供泡 54 s 可完全扑灭 20A 标准木垛明火,且停止施加泡沫 10 min内没有可见的火焰,证明灭火成功。以上说明,基于 19 mm 泡沫枪的等效压缩空气泡沫,能快速扑灭20A木垛火,达到快速控灭火和高效抗复燃目标需求。2.3灭火过程中的温度变化情况不同工况条件下
16、20A 木垛火灭火试验过程中不同位置热辐射强度变化如图 6所示,不同工况条件下灭火过程中各点温度变化情况如图 7、图 8所示。可以看出木垛火的燃烧过程分为 3个阶段。第一阶段是引燃阶段,引燃油盘被点燃,燃烧约 2 min,距离木垛面约 3 m,H1H3 热辐射强度达到第一个峰值。点燃后约 3 min,引燃盘 120#溶剂油耗尽。结合图 4、图 5可知,在引燃油盘内的燃料完全耗尽时,木垛并未完全燃烧,不同位置热辐射强度均大幅降低。第二阶段是木垛的稳定燃烧阶段,热辐射强度逐步上升,达到第二个峰值,木垛进入完全燃烧状态。第三阶段是压缩空气泡沫灭火阶段,开始施加泡沫后,火势开始减小,辐射值开始急剧降低
17、,最终成功灭火,10 min后仍无复燃。两种不同工况条件下进行的灭火试验变化趋势基本相似。如图 7 所示,在工况 1 条件下,点火后引燃油盘中心火焰温度逐渐升高,约 40 s 时达到最高温度,约为 735(T1),由于溶剂油燃烧消耗,引燃油盘火焰温度缓慢降低至 200 左右。459 s 时开始施加压缩空气泡沫液,油盘中心温度下降至 30 左右,即下降至常温;木垛正中心温度由最高温度 650、500、350 (T2T4)迅速下降,600 s时 20A 木垛火完全扑灭,木垛正中心温度已降低至 100 以下。气液比0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24射程/m242220
18、181614121090 L/min120 L/min射程 13 m射程 17 m图 319 mm 泡沫枪射程与气液比的关系曲线Fig.3The relationship curve between the range and gas-liquid ratio of 19 mm foam nozzle表 120A木垛火灭火试验工况表Table 1Extinguishing test conditions of 20A wood crib fire泡沫枪类型19 mm泡沫枪19 mm泡沫枪系统参数混合液流量/L/min92126气液比9.86.0泡沫性能发泡倍数11.411.325%析液时间/s
19、656549温度/2221射程/m17.417.3表 220A木垛火灭火试验结果Table 2The extinguishing test results of 20A wood crib fire预燃时间/s459534持续供液时间/s194118是否灭火是是灭火时间/s14154是否复燃否否(a)0 s,点火(b)155 s,燃油耗尽(c)459 s,喷射 CAF(d)600 s,灭火(e)653 s,停止供泡(f)1 253 s,停止供泡 10 min图 4工况 1灭火过程实况图Fig.4Extinguishing process of test 11395Fire Science an
20、d Technology,October 2023,Vol.42,No.10时间/s0 200 400 1 000 1 200温度/9008007006005004003002001000施加泡沫灭火T1T2T3T4T5T6T7534588800T8T9T10T11T12T13(a)全部600时间/s0 200 400 1 000 1 200温度/9008007006005004003002001000施加泡沫灭火T1T2T3T4T5534588800600(b)木垛正中间图 8工况 2灭火过程中木垛不同位置处温度变化曲线Fig.8Temperature change curve of woo
21、d crib in test 2工况 2 时,引燃盘引燃后约 130 s 时达到 820 (T1)左右。由于溶剂油燃烧消耗,引燃油盘火焰温度缓慢降低至 100 左右。534 s 时开始施加泡沫,油盘中心温度(a)0 s,点火(b)172 s,燃油耗尽(c)534 s,喷射 CAF(d)588 s,灭火(e)652 s,停止供泡(f)1 252 s,停止供泡 10 min图 5工况 2灭火过程实况图Fig.5Extinguishing process of test 2时间/s0 200 400 600 800 1 000 1 200热辐射强度/kW/m26543210施加泡沫灭火H1H2H34
22、59(a)工况 1时间/s0 200 400 1 000 1 200热辐射强度/kW/m2543210施加泡沫灭火H1H2H3534588800(b)工况 2图 6不同工况下距木垛面 3 m 处热辐射强度变化曲线Fig.6Change curve of heat radiation intensity at 3 m away from wood crib surface under different working conditions时间/s0 200 400 1 000 1 200温度/9008007006005004003002001000施加泡沫灭火T1T2T3T4T5T6T7459
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