李馳原

(1.中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000；2.滅火救援技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，商業(yè)企業(yè)、生產(chǎn)制造企業(yè)、連鎖超市、零售業(yè)對(duì)物流倉儲(chǔ)、裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)和配送外包的需求逐步增多，為降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，不同類型、不同規(guī)模的大跨度、大空間物流倉庫不斷涌現(xiàn)，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也越來越大[1]。2015年，哈爾濱北方南勛陶瓷大市場倉庫起火，5名消防員在撲救火災(zāi)過程中不幸遇難。大跨度大空間倉庫火災(zāi)具有溫度高、火災(zāi)荷載大、煙氣蔓延迅速等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了消防員滅火救援行動(dòng)的開展[2-3]。因此，在撲救此類火災(zāi)中，研究如何設(shè)置水槍陣地，采取何種排煙技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)方法，以及內(nèi)攻時(shí)機(jī)的選擇是非常重要的。

1　物流倉庫模型的建立

1.1　幾何模型的建立

圖1　倉庫幾何模型示意圖

筆者以某大跨度、大空間物流倉庫為對(duì)象，結(jié)合該倉庫火災(zāi)荷載、建筑結(jié)構(gòu)情況和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50074-2014)對(duì)倉庫設(shè)計(jì)的規(guī)定，對(duì)該倉庫做適當(dāng)簡化以便利用軟件建模，倉庫幾何模型示意圖如圖1所示。圖1(a)顯示，該模型為一個(gè)單層丙Ⅱ類可燃固體高架物流倉庫，耐火等級(jí)二級(jí)。倉庫尺寸為60 m×30 m×12 m，設(shè)有前后兩個(gè)安全出口。圖1(b)顯示，在倉庫的東西兩側(cè)各有2列尺寸為2 m×0.8 m×11 m的單個(gè)托盤貨架組成的貨架組，貨架組之間通道的寬度為2.5 m，南側(cè)左右處各設(shè)置3個(gè)辦公桌椅和1個(gè)沙發(fā)。

1.2　火災(zāi)模型的設(shè)置

1.2.1火源位置

物流倉庫儲(chǔ)存的貨物大多是電器產(chǎn)品、日用品、紙張和塑料等[4]，且物流倉庫多采用木質(zhì)或塑料的托盤。為了模擬火災(zāi)場景最不利情況下的滅火行動(dòng)，選取東側(cè)第二列貨架處為起火點(diǎn)(見圖1(b))，并且假設(shè)該倉庫內(nèi)機(jī)械排煙和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)發(fā)生故障，未發(fā)揮作用。

1.2.2火源模型

參考《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中給出的常見火源模型熱釋放速率的規(guī)定[5]，如表1所示。已知該倉庫屬于“無噴淋的超市、倉庫”，故設(shè)定模擬火源熱釋放速率為20 MW?；馂?zāi)初期按t2規(guī)律發(fā)展，則火源熱釋放速率的計(jì)算式如式(1)所示。

表1　火災(zāi)模型熱釋放速率　MW

(1)

其中，α為火災(zāi)增長因子，根據(jù)α值的差異，t2火可分為慢速火、中速火、快速火、超快速火4種類型，物流倉庫中托運(yùn)物品的紙箱、板條架和泡沫塑料大致為快速火，則α取值0.188，計(jì)算得出熱釋放速率在327 s時(shí)達(dá)到最大值，并保持最大熱釋放速率不再增長。

1.2.3網(wǎng)格大小與模擬時(shí)間的確定

(1)網(wǎng)格大小。利用FDS軟件進(jìn)行模擬時(shí)，網(wǎng)格的大小對(duì)模擬的準(zhǔn)確性起著決定作用。FDS網(wǎng)格敏感性分析表明，當(dāng)網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗(yàn)值為特征火焰直徑的6.25%～25.00%時(shí)較為合適，實(shí)際應(yīng)用中一般取8.00%～12.50%，此處網(wǎng)格尺寸選取特征火焰直徑的10.00%[6]。特征火焰直徑D*的計(jì)算式為：

(2)

根據(jù)設(shè)計(jì)熱釋放速率為20 MW，計(jì)算得出特征火焰直徑為3.1 m，由于空間大，F(xiàn)DS計(jì)算量很大，所以取網(wǎng)格大小為0.3 m×0.3 m×0.3 m,在保證精度的同時(shí)優(yōu)化計(jì)算速度。

(2)模擬時(shí)間。消防站的布局一般應(yīng)以接到出動(dòng)指令后5 min內(nèi)消防隊(duì)可以到達(dá)轄區(qū)邊緣為宜，故將模擬轄區(qū)消防隊(duì)到場時(shí)間設(shè)為火災(zāi)發(fā)生300 s后，設(shè)定火災(zāi)模擬時(shí)間為900 s，即火災(zāi)發(fā)生5 min后，消防隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場實(shí)施滅火救援作戰(zhàn)，模擬滅火戰(zhàn)斗10 min內(nèi)的情況[7]。

1.3　火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備的設(shè)定

火災(zāi)過程伴隨著熱量的釋放和煙氣擴(kuò)散兩部分,此過程會(huì)影響火災(zāi)的發(fā)展變化，對(duì)消防員火災(zāi)撲救工作造成困難。因此在利用FDS軟件模擬不同水槍陣地設(shè)置、不同排煙技術(shù)和內(nèi)攻時(shí)機(jī)選擇3種火災(zāi)撲救技戰(zhàn)術(shù)方法時(shí)，設(shè)置了熱電偶和熱輻射探測設(shè)備作為衡量作戰(zhàn)行動(dòng)科學(xué)合理性的指標(biāo)。

(1)熱電偶。溫度是火場上對(duì)人員影響較大的因素，故選取溫度作為測量指標(biāo)，根據(jù)人眼的特征高度(通常為1.2 ～1.8 m),將熱電偶的高度設(shè)定為1.8 m。在著火貨架正上方高1 m屋頂處設(shè)置1個(gè)熱電偶測點(diǎn)，編號(hào)為 THCP01；在距起火點(diǎn)貨架南側(cè)5 m處設(shè)置1個(gè)熱電偶測點(diǎn)，編號(hào)為THCP02。

(2)熱輻射探測設(shè)備。熱輻射的存在使火災(zāi)撲救工作變得更加困難，消防員在進(jìn)行內(nèi)攻滅火作業(yè)時(shí)，較近的距離會(huì)使裝置和消防員受到大量熱輻射的威脅，增加了撲救火災(zāi)的難度。根據(jù)衡量熱輻射危險(xiǎn)性的熱通量準(zhǔn)則，一般人體能承受的熱通量值在2 kW/m2左右。試驗(yàn)表明,當(dāng)人體接受的熱通量值超過4 kW/m2時(shí),將造成嚴(yán)重灼傷[8]。因此，在著火貨架正上方高1m處設(shè)置1個(gè)熱輻射探測設(shè)備，編號(hào)為REFUSHE01；在起火貨架南側(cè)窗戶附近設(shè)置1個(gè)高為1.8 m的熱輻射探測設(shè)備，編號(hào)為REFUSHE02；在倉庫著火貨架旁的立柱后面設(shè)置1個(gè)高為1.8 m的熱輻射探測設(shè)備，編號(hào)為REFUSHE03，在起火貨架的北側(cè)相鄰貨架設(shè)置1個(gè)高為1.8 m的熱輻射探測設(shè)備，編號(hào)為REFUSHE04。

2　模擬結(jié)果及分析

2.1　模擬工況設(shè)置

2.1.1模擬不同水槍陣地設(shè)置

在模擬過程中用水噴淋代替實(shí)際滅火過程中的水槍，為了更符合滅火救援的實(shí)際情況，水噴頭的位置設(shè)置在高0.8 m處，水噴頭流量為390 L/min，噴口出口速度為5 m/s，具體設(shè)置如表2所示。

2.1.2模擬不同破拆排煙戰(zhàn)術(shù)

破拆排煙可以分為水平和垂直兩個(gè)方向的排

表2　工況一具體設(shè)置

煙[9]。因此，破拆臨近著火點(diǎn)附近的窗戶模擬水平排煙，破拆屋頂天窗模擬垂直排煙，為使模擬結(jié)果更加明顯，在破拆的同時(shí)，利用移動(dòng)正壓送風(fēng)機(jī)輔助火場破拆排煙，具體設(shè)置如表3所示。

表3　工況二具體設(shè)置

2.2　不同工況數(shù)值模擬分析

2.2.1工況一模擬分析

針對(duì)工況一進(jìn)行數(shù)值模擬，選取THCP01熱電偶和THCP02熱電偶測出的溫度隨時(shí)間變化的情況進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果分別如圖2和圖3所示，可以看出，屋頂和貨架南側(cè)5 m處在發(fā)生火災(zāi)后溫度迅速升高，達(dá)到相應(yīng)的峰值溫度后逐漸趨于穩(wěn)定。由圖2可看出，射水方式A情況下的溫度下降速度比較迅速，相對(duì)來說，射水方式B的溫度下降趨勢比較平緩，但射水方式B的溫度下降起始時(shí)間點(diǎn)比射水方式A提前了大約60 s。在600 s后，兩種射水方式的溫度發(fā)展變化趨勢基本一致，比未采取措施的溫度下降大約50 ℃?？傮w來看，屋頂處溫度在整個(gè)模擬過程中溫度較高，最高溫度約為250 ℃。由圖3可看出，當(dāng)在400 s處采用射水方式A時(shí)，溫度發(fā)展趨勢與未采取措施溫度發(fā)展變化基本一致；而在此時(shí)采用射水方式B后，溫度有很明顯的變化，比未采取措施下降約10 ℃。貨架南側(cè)5 m處溫度在整個(gè)模擬過程中始終較低，最高溫度約為45 ℃。

圖2　屋頂處(THCP01)溫度-時(shí)間變化曲線

圖3　貨架南側(cè)5 m處(THCP02)溫度-時(shí)間變化曲線

圖4　熱通量-時(shí)間變化曲線

在未采取滅火救援行動(dòng)下，分別對(duì)REFUSEH01～REFUSHE04測出的熱通量隨時(shí)間變化的情況進(jìn)行分析，如圖4所示，可看出熱通量的值隨著時(shí)間的增長在不斷增長，大約在327 s后達(dá)到最大值，之后慢慢趨于穩(wěn)定。在著火貨架正上方1 m處的熱通量值最高，熱輻射危險(xiǎn)性最大，貨架南側(cè)窗戶附近的熱通量值比著火貨架正上方高1 m屋頂處大約要低0.5 kW/m2,立柱后面的熱通量值比貨架南側(cè)窗戶附近的熱通量值大約要低0.2 kW/m2，北側(cè)相鄰貨架附近的熱通量值最低。因此在依托窗戶和立柱進(jìn)行遮擋的情況下布置水槍陣地可一定程度地降低輻射的危險(xiǎn)性，從而保護(hù)射水消防員使其受到盡量小的熱輻射傷害。

2.2.2工況二模擬分析

針對(duì)工況二進(jìn)行數(shù)值模擬，選取THCP01熱電偶和THCP02熱電偶測出的溫度隨時(shí)間的變化的情況進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果分別如圖5和圖6所示，可以看出屋頂和貨架南側(cè)5 m處在發(fā)生火災(zāi)后溫度迅速升高，在達(dá)到相應(yīng)的峰值后溫度逐漸趨于穩(wěn)定。由圖5可看出，當(dāng)采用破拆方式A時(shí)，在360 s溫度出現(xiàn)波動(dòng)，在480 s移動(dòng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，溫度迅速下降，最后溫度曲線變化趨于平緩，比未采取破拆行動(dòng)之前溫度下降約60 ℃；當(dāng)采用破拆方式B時(shí)，在360 s溫度出現(xiàn)第一次下降，下降幅度約50 ℃，而在480 s移動(dòng)風(fēng)機(jī)開始啟動(dòng)后，溫度出現(xiàn)第二次下降，比未采取破拆行動(dòng)之前溫度下降約40 ℃。由圖6可看出，當(dāng)采用破拆方式A時(shí)，在360 s破拆著火點(diǎn)西側(cè)墻壁后，溫度曲線出現(xiàn)波動(dòng)，在480 s移動(dòng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，溫度開始迅速下降至最低，比未破拆之前下降約20 ℃；當(dāng)采用破拆方式B時(shí)，溫度曲線下降幅度較小。

圖5　屋頂處溫度-時(shí)間變化曲線

圖6　南側(cè)5 m處溫度-時(shí)間變化曲線

此外，破拆后大量的煙氣會(huì)在破拆口涌出室外，提高了室內(nèi)的能見度，降低了有毒有害煙氣的濃度，為消防員內(nèi)攻滅火爭取了時(shí)間[10]。

3　結(jié)論

通過建立大跨度、大空間物流倉庫模型，并進(jìn)行不同滅火作戰(zhàn)行動(dòng)工況的數(shù)值模擬分析，得出了不同滅火技戰(zhàn)術(shù)方法下溫度、熱輻射、能見度的發(fā)展規(guī)律和特征。結(jié)合量化數(shù)據(jù)結(jié)果，得到如下結(jié)論：①倉庫的貨架發(fā)生火災(zāi)后，火勢蔓延迅速，若機(jī)械排煙系統(tǒng)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)沒有啟動(dòng)，煙氣會(huì)迅速蔓延至整個(gè)倉庫。在這種情況下，如果不及時(shí)控制火災(zāi)的發(fā)展，倉庫內(nèi)的人員生命安全會(huì)受到嚴(yán)重威脅，同時(shí)給消防員到場進(jìn)行滅火救援工作帶來困難；②從溫度-時(shí)間變化曲線和熱輻射-時(shí)間變化曲線對(duì)水槍陣地設(shè)置情況進(jìn)行了分析，得出倉庫火災(zāi)水槍陣地和內(nèi)攻滅火時(shí)間選擇的方法：當(dāng)倉庫發(fā)生火災(zāi)后，初期到場的消防隊(duì)，在火場能見度較差的情況下，可以依托外墻窗戶和倉庫立柱位置設(shè)置水槍陣地，出1支直流水槍滅火和2支噴霧水槍稀釋有毒煙氣，控制火勢蔓延，同時(shí)可以降低溫度和熱輻射對(duì)人員造成的傷害；③消防員到達(dá)現(xiàn)場后，要迅速采取排煙戰(zhàn)術(shù)，為后續(xù)的人員疏散和滅火戰(zhàn)斗行動(dòng)的展開提供有利環(huán)境條件。通過溫度-時(shí)間變化曲線對(duì)排煙作戰(zhàn)方法進(jìn)行了分析，得出倉庫火災(zāi)排煙的方法：應(yīng)采用破拆窗戶、屋頂進(jìn)行自然排煙和利用移動(dòng)風(fēng)機(jī)送風(fēng)排煙相結(jié)合的方法，在安全第一的情況下，破拆的位置盡量選擇起火點(diǎn)的正上方或者盡量靠近起火點(diǎn)的上方。

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