王笑非，王靜舞，劉志宏，葉 瑾，鄭曉東

1. 清華大學合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601；2. 中國煙草總公司云南省公司，云南 昆明 650011

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展，煙草企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，煙草倉庫儲存量大、單位價值高，煙草企業(yè)安全生產(chǎn)對消防設(shè)施建設(shè)與管理提出新要求，研究煙草倉庫火災煙氣蔓延規(guī)律，提升火災自動報警系統(tǒng)的有效性具有重要意義。前人對煙草燃燒特性進行了深入研究，王孝峰等［1-2］開展了煙絲熱解模擬試驗，得到煙絲質(zhì)量損失速率隨溫度變化趨勢；戴玉潔等［3-4］采用熱分析聯(lián)用技術(shù)研究煙草熱解行為，得到熱重曲線（TG）與微商熱重曲線（DTG）。煙葉燃燒初期為熱解產(chǎn)煙，在高密度集中堆放倉庫里難以發(fā)現(xiàn)，一旦進入火災快速發(fā)展階段，容易釀成大災。朱國慶等［5］利用FDS 軟件模擬卷煙制絲車間火災，驗證了卷煙制絲車間火災模型為慢速t2火，起火后40 min內(nèi)不影響鋼結(jié)構(gòu)屋頂安全；侯立萌［6］通過開展全尺寸試驗研究了細水霧對煙葉倉庫火災的抑制作用，結(jié)果表明火源位于底部或側(cè)面時滅火效果較好，火源位于紙箱夾縫間時滅火效果較差。許多研究表明，有效的火災自動報警系統(tǒng)可以將火災控制在初期階段［7-9］。辛雪梅［10］根據(jù)煙草儲存的火災危險性和高架庫的火災特點，提出煙葉醇化高架倉庫的火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計方案；曾祥文［11］為解決卷煙倉庫火災自動報警系統(tǒng)報警不及時、故障多、誤報多、設(shè)備腐蝕嚴重等問題，提出火災自動報警和消防聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計新方案并通過可靠性檢驗；鄒軍［12］分析了煙草企業(yè)火災自動報警系統(tǒng)誤報率高的原因，總結(jié)了誤報警的處理流程，最大限度降低誤報率?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)受環(huán)境因素影響易被腐蝕，干擾因素多，造成有效性低、報警不及時，是煙草倉庫火災防控重點問題之一［13-16］。但前人對煙草倉庫自動報警系統(tǒng)有效性研究較少，而且多為定性分析，缺乏試驗驗證和定量分析。本文利用1∕4縮尺寸模型，分析在特殊遮擋結(jié)構(gòu)微元和不同火源位置條件下火災早期溫度和煙氣分布規(guī)律，研究其對火災早期報警的影響，提出適應于煙草企業(yè)特性和火災特性的火災自動報警系統(tǒng)優(yōu)化布置方案。

1 研究方法

1.1 模型設(shè)置

煙草貨架由32 組寬0.6 m、高5 m、長2.68 m 的鋼架組成，分為9 層。一列貨架由8 個鋼架組成，總長21.5 m，貨架按照單列（左）—雙列（中）—單列（右）分布，中間留有0.75 m 寬的過道，貨架與墻體（可移動墻體）之間預留安全距離0.4 m。模擬貨物采用貨箱紙板制備，并在貨物表面噴灑水系滅火劑，防止高溫煙氣引燃周圍貨物。

煙葉燃燒裝置采用電爐加熱煙包，電爐最大功率為2 000 W，最高溫度700 ℃，為保證電爐熱量只用于加熱煙葉，采用隔熱棉包裹電爐外表面。試驗前使用DHG-9240A 鼓風干燥機將煙葉干燥4 h后作為試驗原料。試驗采用精度為0.1 g梅特勒MS 系列電子天平對煙葉燃燒時質(zhì)量損失變化進行實時測量，最大稱重為16 kg。溫度測量系統(tǒng)由JK4000多路溫度巡檢儀、串口和K 型鎧裝熱電偶等組成，熱電偶測量范圍為0～800 ℃，測量精度為±（讀數(shù)值×0.5%+1）℃。試驗設(shè)置12 個熱電偶樹，共70 個測點（包括環(huán)境溫度測點）。

火災探測器布置如下：（1）分布式光纖線型感溫火災探測器ZD-4C直線、正弦波形敷設(shè)在貨架側(cè)，根據(jù)煙草倉庫火災自動報警系統(tǒng)調(diào)研現(xiàn)狀，設(shè)定動作溫度為40 ℃，動作溫升為8 ℃·min-1，定位精度0.5～1 m。（2）線型光束感煙火災探測器JTY-HM-GST102和火災報警控制器JB-QB-GST200采用3個發(fā)射端、3 個反射板，布置于走道中心頂棚下0.5 m 處、走道貼近第4 層貨架高度處（與貨架水平距離0.08 m），靈敏度為30%。（3）吸氣式感煙火災探測器CCD-180-DP0 結(jié)合規(guī)范要求和煙草倉庫空間特征，采用貨架水平分層、過梁處布置方式，探測器主機裝于貨架尾端，開孔間隔2 m，采樣孔孔徑3 mm，根據(jù)《吸氣式煙霧探測火災報警系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗收規(guī)范》（DBJ 01-622-2005），空氣采樣管網(wǎng)設(shè)計滿足采樣孔的平衡度大于70%，氣流分配率大于70%。（4）煙霧、火焰、熱成像探測三合一圖像型火災探測器安裝于端墻走道中心位置距離頂棚1 m 處。試驗使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對試驗區(qū)域進行監(jiān)測。

1.2 工況設(shè)計

為研究煙氣在貨架側(cè)、走道側(cè)的蔓延規(guī)律和溫度時空分布，試驗選取中間貨架—底層貨物—列中間、中間貨架—底層貨物—列末端、中間貨架—頂層貨物—列中間、中間貨架—頂層貨物—列末端、側(cè)邊貨架—底層貨物—列中間、側(cè)邊貨架—底層貨物—列末端、側(cè)邊貨架—頂層貨物—列中間、側(cè)邊貨架—頂層貨物—列末端等8 處為火源位置。針對不同火源位置開展重復性試驗，兩組試驗不同溫度測點誤差在1 ℃以內(nèi)，則認為該試驗結(jié)果可靠。否則，重復做一組試驗，取三組重復試驗中不同溫度測點誤差不超過1 ℃的兩組作為可靠試驗結(jié)果。

在不同火源位置條件下，分別以探測器類型、閾值和布置位置進行工況設(shè)計，具體試驗工況見表1。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度時空分布及煙氣蔓延行為

2.1.1 溫度時空分布

由圖1、圖2 可知，煙葉陰燃時，點火后60 s 火源位置貨架上層溫度出現(xiàn)明顯溫升，最高升至41 ℃，火源位置貨架層外側(cè)、內(nèi)側(cè)及相鄰貨架層幾乎無溫升。煙葉燃燒出現(xiàn)明火時，因受火焰影響火源位置貨架上層溫度迅速升高，30 s內(nèi)溫升達到30 ℃，由于空氣不足，明火難以維持逐漸熄滅，轉(zhuǎn)為陰燃后溫度快速下降至70 ℃左右浮動?；鹪次恢眉跋噜徤蠈迂浖艿膬?nèi)側(cè)、中間、外側(cè)有溫度浮升，但溫升范圍較小，不超過3 ℃。

圖1 煙葉陰燃時溫度分布

圖2 煙葉燃燒出現(xiàn)明火時溫度分布

2.1.2 煙氣蔓延行為

圖3 至圖6 為火源位于貨架底層時的煙氣蔓延行為，煙氣在密度差和溫差影響下豎向蔓延快速撞擊上層貨架層，因煙囪效應作用，煙氣在貨箱與貨箱、貨箱與貨架之間狹小縫隙中橫向蔓延較弱。部分煙氣從無貨物遮擋的貨架空隙中豎直上升至高層貨架層（圖3至圖6中黃色箭頭標識），部分煙氣外溢至走道側(cè)越過貨架擋板上升至高層貨架層（圖3 至圖6 中紅色箭頭標識）。由于空氣不對稱卷吸作用，煙氣始終緊貼貨架外表面豎向蔓延，走道側(cè)未形成明顯煙氣羽流。煙氣豎向蔓延撞擊頂棚后向四周徑向擴散（圖5 中橘色箭頭標識），因頂棚射流在貨架與頂棚間大量卷吸空氣，煙氣流量增大，煙氣層下表面高度下降。當火源位于側(cè)邊貨架時，受端墻和頂棚夾角遮擋作用，煙氣在墻角匯聚，近墻側(cè)一端形成反浮力壁面射流。當火源位于貨架末端時，因貨架與端墻間大片空氣流動區(qū)域，煙氣與空氣接觸范圍更大，卷吸作用更強，煙氣在中高部位出現(xiàn)明顯橫向水平擴散（圖5中綠色箭頭標識）。

圖3 火源位于中間貨架—底層貨物—列中間時煙氣蔓延行為

圖4 火源位于側(cè)邊貨架—底層貨物—列中間時煙氣蔓延行為

圖5 火源位于中間貨架—底層貨物—列末端時煙氣蔓延行為

圖6 火源位于側(cè)邊貨架—底層貨物—列末端時煙氣蔓延行為

圖7至圖10為火源位于貨架頂層時的煙氣蔓延行為，在無貨物、貨架等遮擋作用下，煙氣羽流呈V字形豎向蔓延（圖7 至圖10 中黃色標識），并快速撞擊頂棚形成頂棚射流（圖7 至圖10 中橘色標識），受空氣卷吸作用，煙氣層下方出現(xiàn)彌散（圖7至圖10中綠色標識）。當火源位于貨架末端時，因頂棚和側(cè)墻、端墻形成的夾角遮擋作用，以及高溫煙流火風壓的影響，火源近墻側(cè)形成儲煙區(qū)域（圖7至圖10中紫色標識）。

圖7 火源位于中間貨架—頂層貨物—列中間時煙氣蔓延行為

圖8 火源位于側(cè)邊貨架—頂層貨物—列中間時煙氣蔓延行為

圖9 火源位于中間貨架—頂層貨物—列末端時煙氣蔓延行為

2.2 火災報警響應情況

線型感溫火災探測器貨架側(cè)直線敷設(shè)時，最快響應時間為244 s，正弦波形布設(shè)時，響應時間范圍為152～240 s。

線型光束感煙火災探測器位于走道中間頂棚下0.5 m 處響應時間范圍為304～453 s，位于走道貼近第4層貨架0.08 m處響應時間范圍為208～342 s。

當采樣管水平分層布置時，吸氣式感煙火災探測器在復雜環(huán)境—氣流常規(guī)條件下響應時間范圍為28～80 s，在普通環(huán)境—氣流靈敏條件下響應時間范圍為31～248 s。當采樣管在過梁處布置時，吸氣式感煙火災探測器在復雜環(huán)境—氣流常規(guī)條件下響應時間范圍為47～124 s，在普通環(huán)境—氣流靈敏條件下響應時間范圍為284～488 s。值得注意的是，不同火源位置和采樣管布置位置可能使吸氣式感煙火災探測器報警響應時間范圍較大。由煙氣蔓延行為可知，當火源位于底層時，由于貨架、貨物的遮擋，煙氣受不對稱空氣卷吸作用，當火源位于頂層時，煙氣在頂層貨物與頂棚之間大片空間里無遮擋擴散蔓延，受空氣卷吸作用較強，更易出現(xiàn)煙氣彌散，更難探測。另外，當火源位于底層時，煙氣至采樣管的蔓延途徑相比火源位于頂層時更短一些（相差不超過0.38 m），更容易早期觸發(fā)報警。

圖像型火災探測器當靈敏度為1 級時響應時間范圍為38～329 s，當靈敏度為2級時響應時間范圍為39～348 s。值得注意的是，不同火源位置和煙葉燃燒形式可能使圖像型火災探測器報警響應時間范圍較大。由煙氣蔓延行為可知，當火源位于底層時，由于倉庫內(nèi)貨箱、貨架等形成特殊遮擋條件，圖像型火災探測器難以探測報警；當火源位于頂層時，煙葉燃燒出現(xiàn)明火，圖像型火災探測器立即發(fā)出報警，煙葉燃燒為陰燃時，煙氣易出現(xiàn)彌散現(xiàn)象，燃燒產(chǎn)生的溫升更小、溫升范圍更小，更難探測。

多參數(shù)探測火災自動報警情況見表2，考慮不同火源位置和煙葉燃燒形式，基于火災自動報警系統(tǒng)安裝位置、閾值設(shè)置等，提出線型感溫火災探測器、線型光束感煙火災探測器、吸氣式感煙火災探測器和圖像型火災探測器的兩兩組合方案。在單個報警和耦合報警模式下，根據(jù)6 種方案火災早期報警響應時間平均值、最大值、最小值、中位數(shù)和標準差可得，方案2和方案6報警響應時間平均值和中位數(shù)相較于其他方案為最小且接近，方案2 標準差最小，表明其響應時間較短，響應有效性受火源位置和燃燒形式影響相對較弱，響應性能較為穩(wěn)定。但方案6在耦合報警模式下標準差偏大，表明其響應有效性受火源位置和燃燒形式影響較大，其只在火源位置無遮擋條件下可取得有效報警響應，僅適用于無明顯遮擋場景。在單個報警模式下，方案4 報警響應時間平均值和中位數(shù)較小且較為接近，但其標準差較大，在耦合報警模式下，方案4 報警響應時間特征數(shù)偏大，表明其響應時間波動性大，響應性能受火源位置和燃燒形式影響較大，更適于陰燃產(chǎn)煙較多、煙氣易集聚場景。方案1 和方案5 報警響應時間平均值、中位數(shù)和標準差較大，表明其響應時間相對更長，對火源位置、燃燒形式等影響因素敏感性較強，且方案5 只在火源位置無遮擋條件下可取得有效報警響應，僅適用于無明顯遮擋場景。方案3 響應時間相較于其他方案受火源位置和燃燒形式影響最大，在火災早期，煙葉陰燃時溫度較低、溫升較緩慢，未達到線型感溫火災探測器動作閾值，未發(fā)出報警響應；煙葉明火燃燒時溫度較高、溫升較快，線型感溫火災探測器可快速有效響應?；鹪次挥谪浖艿讓訒r，由于倉庫內(nèi)貨箱、貨架等形成特殊遮擋條件，圖像型火災探測器無法實現(xiàn)響應。因此，方案3 在特殊場景下存在探測盲區(qū)，只適用于易產(chǎn)生明火燃燒、無明顯遮擋場景，環(huán)境適應性較差，響應性能不穩(wěn)定。

表2 多參數(shù)探測火災自動報警系統(tǒng)方案

3 結(jié)論

通過1∕4 縮尺寸煙草高架倉庫火災自動報警系統(tǒng)有效性試驗，分析了煙草高架倉庫貨架及貨物等形成的特殊遮擋結(jié)構(gòu)微元對火災早期煙氣蔓延規(guī)律的影響，提出6 種火災自動報警系統(tǒng)組合方案，并對其有效性進行分析。結(jié)論如下：（1）火源位于底層時，由于走道側(cè)的不對稱卷吸，煙氣在豎向蔓延過程中緊貼貨架及貨物側(cè)面，產(chǎn)生類似“墻邊火”的卷吸模式，且受狹縫形成的煙囪效應影響，橫向蔓延進入貨架及貨物水平夾縫的煙氣同時快速向上蔓延，最終在貨架過道內(nèi)未出現(xiàn)成形的煙氣羽流，豎向蔓延的煙氣撞擊頂棚后徑向蔓延，撞擊端墻后煙氣貼壁下沉，形成反浮力壁面射流。火源位于頂層時，在無貨物、貨架等遮擋情況下，煙氣羽流呈V 字形豎向蔓延，煙氣撞擊頂棚后形成頂棚射流，頂棚、端墻、側(cè)墻形成特殊遮擋結(jié)構(gòu)微元，加上高溫煙流形成火風壓，造成煙氣停滯和節(jié)流作用，特殊遮擋結(jié)構(gòu)微元的空腔成為儲煙區(qū)域，煙氣與空氣溫差和密度差較大，浮升力較強，火災早期未出現(xiàn)煙氣下沉（反浮力壁面射流）。（2）線型感溫火災探測器+吸氣式感煙火災探測器組合方案和吸氣式感煙火災探測器+圖像型火災探測器組合方案的響應時間較短，線型感溫火災探測器+吸氣式感煙火災探測器組合方案響應有效性受火源位置和燃燒形式的影響相對較弱，響應性能較為穩(wěn)定，但吸氣式感煙火災探測器+圖像型火災探測器組合方案只適于無明顯遮擋場景。線型光束感煙火災探測器+吸氣式感煙火災探測器組合方案響應時間波動性大，響應性能受火源位置影響較大，更適于陰燃產(chǎn)煙較多、煙氣易集聚場景。線型感溫火災探測器+線型光束感煙火災探測器組合方案和線型光束感煙火災探測器+圖像型火災探測器組合方案響應時間相對更長，對火源位置、燃燒形式等影響因素的敏感性較強，且線型光束感煙火災探測器+圖像型火災探測器組合方案只適于無明顯遮擋場景。線型感溫火災探測器+圖像型火災探測器組合方案在特殊場景下存在探測盲區(qū)，只適于易產(chǎn)生明火燃燒、無明顯遮擋場景，環(huán)境適應性較差，響應性能不穩(wěn)定。