专利名称：地下空间气幕分区防火系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扑灭火灾的系统，具体指一种利用空气幕将地下空间分隔成独立防火分区的自窒息灭火系统。
背景技术：
随着经济快速发展，我国对能源的需求越来越大，以原油为例，中国原油消耗量2004年为28,800万吨，今后我国原油消耗将以5％的速度递增，而能源中原油有63.5％是通过铁路运输到全国各地。据统计，到目前为止，中国总铁路营业里程达到7.3万公里，已建成并交付运营的隧道达5500余座，总长度超过2700km，其中5km以上隧道就有22座，隧道总里程占铁路网总长度的4.69％，成为世界上铁路隧道数量最多、长度最长的国家。
中国铁路营运隧道逐渐增多，运送原油等危险物资任务日益加重，在铁路不断提速的情况下，要完全杜绝长大隧道中大规模油料火灾很困难，而隧道是铁路运输的咽喉要道，尽管发生火灾的概率较低，但一旦发生将产生极其严重的后果，因此亟需进行有针对性研究，对确保铁路隧道运营安全有着重要意义。
目前国内外扑灭隧道内油罐列车火灾通常采用沙土袋封堵隧道口或炸隧道封堵洞口的方法，使内部大火因缺氧而窒息。但这种灭火方法动用人力物力多、耗时长、火灾对隧道结构和线路破坏大、交通中断时间长。如1987年美国斯普罗乌尔隧道火灾，救援人员采用封堵洞口方法，花了13天才扑灭大火，到第15天线路才恢复正常运行。有鉴于此，各国纷纷开展一些新的灭火方法研究和新的灭火装备开发工作，如灭火列车、细水雾灭火法、移动水囊封堵法等。但上述方法和装备针对隧道油罐大火还存在一些不足之处，表现在灭火火车造价高昂，配置过多不够经济，配置过少则接到火警后从驻守地赶到火灾现场需长途奔袭，耗时不少、延误战机，并且对于油品等重大火灾只能起辅助灭火的作用。细水雾法在火灾初期很有效果，但当火灾扩大到一定规模后，难以让水雾笼罩整个火场，救援人员手持细水雾发生器在这类火灾中也不大可能太过于接近火场灭火。移动水囊封堵法目前尚处在研究阶段，要投入实际应用还需得到火灾救援列车的支持，且从发现火灾到逼近火场需要较长时间，封堵灭火需要在隧道内人员疏散完毕后才可进行，而此期间火势会不断扩大，增加灭火难度。加上灭火人员需要深入隧道灭火，必须携带呼吸用氧，一旦发生爆炸产生的冲击波将给救援设施和人员带来伤害，使救援陷入中断。
发明内容
本发明的目的是提供一种能快速扑灭隧道油罐列车火灾的有效方法，本发明所述的气幕分区防火系统主要由火情监测、防火分区气幕、能源和控制等部分组成，其防火气幕又由进风口、风机、风管和吹风口构成。
本发明的工作原理是在隧道内每间隔一定距离设置有喷射装置，将隧道分割成一个个独立的防火分区，当检测到火情或在人为控制开启下，喷射装置即可喷射出高速空气流形成一道气幕，这道气幕可以破坏该处隧道截面范围附近空气因温差形成的热压差和隧道上部流出下部吸入的空气流动现象。由于火场分区内的温度高压力大，外部新鲜空气就不可能补充进入到火场里，一旦防火分区内的氧气消耗低到一定含量，大火会因缺氧而熄灭。
影响到气幕分区法是否能成功扑灭隧道油罐列车大火的因素主要有气幕能否阻止外界空气进入火场、扑灭大火的时间、是否会影响到隧道内人员的疏散、系统的经济性、设备的耐火稳定性和能否彻底扑灭火灾。以下对此进一步说明1、气幕射流的作用通常在工业建筑的洁净生产车间或医院建筑的洁净病区内，同一建筑空间需要划分出不同洁净等级时，就会设置一道垂直的气幕，高等级区域内的送风量大于排风量以保持此区域内的正压，气幕的设置会使该区域成为一个等压体，确保空气从高洁净度空间区向低洁净度区空间区单向流动，以保持较高的洁净度要求。在隧道内设置气幕会产生类似情形，只是火场区段内的压差来源于燃烧，整个火场区段对相邻区段也将成为一个等压体，烟气将只能从该区段向外单向溢出。
根据我国何嘉鹏等在剧院舞台设置防烟空气幕(ZL200410014975.6)的相关研究，大型剧院的空气幕只要达到流量为4178m3/h，出口速度为20.07m/s时，舞台处的烟气不会穿过空气幕到达观众席，其计算公式可表示为
式中L0——气幕流量L1——无气幕时因热压作用扩散到观众厅的烟气量h——地面到天花板的距离h0——气幕吹风口到天花板的距离b0——吹风口宽度K=32(σcosα)12th(sinαcosασ),]]>α为气幕射流轴线与x轴夹角，σ为紊流系数上述防烟空气幕的气源是通过风管从远离气幕的建筑外部抽吸过来，而在本发明中气幕吹出的气体就来自气幕附近，并且流经气幕的气流又经进风口吸入，在进风口、风机、风管、吹风口和气幕之间形成循环的气流回路，能够更有效地阻挡火场气幕外的新鲜空气进入火场，但其气幕临界流量与出口风速确定有待进一步研究。
2、燃烧时间计算1)假设燃烧的物质为原油原油的成分为C％+H％+O％+N％+S％+A％+W％＝100％，其中C、H、O、N、S、A、W分别为碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水的含量。
其完全燃烧反应式可写为 将原油各元素的含量C＝85.5％、H＝11.3％、O＝2.7％、S＝0.3％、剩余0.2％为水分代入(2)式得到每公斤原油完全燃烧需要3.16公斤氧气，合2.21m3氧气。
2)假设两道气幕之间相距500米，考虑到最不利的情况即着火点就在某一气幕处，该气幕将失去分隔火场地作用，则火场区为1000m长，隧道截面面积取56m2里面的空气容积为1000×56＝56000m3设火场平均温度为80℃，由于气幕并未阻止火场内的空气向外流动，可近似认为火场内气压与外部相同由P0V0T0=PVT]]>得V0=PVT0PT=56000×273353=40986.6m3]]>式中P——气体压力V——气体体积T——气体温度3)又当氧气含量低于14％时燃烧会自行终止，则可供燃烧的氧气为40986.6×(21％-14％)＝2869m3这仅能供1298公斤原油完全燃烧。
假如在长达14295m的大瑶山隧道发生油罐列车火灾，如果采取封堵洞口或炸洞口的灭火方法，则隧道内的空气量为14295×56＝800520m3，在不考虑隧道内压力会高过外界的情况下也足可以维持18555kg的原油完全燃烧。
如果气幕分区窒息法分区内大火约需2小时即自行熄灭，而封堵洞口法则在封堵好洞口后仍需30小时以上方能扑灭大火，两者相比不难看出气幕分区窒息法灭火效果十分明显。如果火灾范围没有超出一个防火分区，则灭火时间会更短。
3、隧道内人员疏散通常在无风情况下，隧道内烟气向两侧扩散速度约为0.8～1m/s，且火灾热烟气和冷空气会分层流动，人员的疏散速度约为1.5m/s，人们可利用隧道下部为冷空气层的特性逃离火场，但火灾烟气只在起火初期8分钟内约距火场中心700米范围内保持分层流动的特性，超过这一距离因烟气温度下降将与下部空气混合，因此人员应在起火后迅速逃离才能安全逃生。在有风情况下，逆风向流动的烟气可能被压制，在上风向成为无烟区间，但顺风方向烟气会迅速充满隧道，人员难以逃生。因此隧道内人员要想安全疏散其速度必须快过火灾烟气的扩散速度，如能利用气幕阻止或减缓烟气流动，人员疏散就容易组织了。在火场分区内可以看成是无风状况，人员疏散速度较烟气流动速度快，火场内的人员可以安全撤离。在火场外，气幕可使烟气流动受限，烟气溢出的量大为减少，速度减缓。因为设置气幕后火场区段内的气体只能向外流动，因此向外流出的气体体积就是火场区段内气体因火灾膨胀多出的部分，这与两方面因素有关一是由于区段内温度升高引起的气体膨胀，可表示为Vs＝V0[1+β(ts-t0)](3)式中Vs——温度为ts时气体体积V0——温度为t0时气体体积ts——燃烧时烟气的温度t0——环境温度β——气体体积膨胀系数，β＝1/273虽然着火区上方附近火焰的温度高达800～1200℃甚至更高，但随着向隧道顶向两侧流动，其能量会逐步传导至周围的空气和隧道壁上，在离火区500米后烟气的温度会降至250℃以下，并且隧道中部下部空气温度在较长时间内维持在80℃以下。假设着火1小时后隧道内空气平均温度为180℃，则火场内空气体积因温升而体积扩大为V=56000×[1+1273(453-293)]=88820.5m3,]]>体积增加32816m3，扩大0.586倍。
二是由于燃烧本身产生的体积扩大，可表示为V＝(Vb-Vo)[1+β(ts-t0)]-Vt(4)式中V——因燃烧增加的体积Vb——常温下燃烧产物体积Vo——常温下燃烧消耗氧气的体积V1——燃烧物原有体积假设火焰区温度为800℃，原油完全燃烧，则每燃烧掉1Kg原油会生成2.87m3气态产物，消耗掉2.21m3氧气，代入上式得新增体积为2.55m3；如果燃烧不充分，设生成的CO2和CO的比值为5∶1，则每燃烧掉1Kg原油会生成2.87m3气态产物，消耗掉2.08m3氧气，代入上式得新增体积为3.05m3。
设隧道内有1350公斤原油不完全燃烧，则燃烧净增4117.5m3的体积，加上因升温而增加的体积32816m3，共计增加36933.5m3。由于压力差的关系，这部分气体会穿过火场两侧气幕进入相邻的区段内，其温度和有害气体浓度经稀释后都会相应降低，并且与火场相邻区段内也会有近18465m3的空气被挤压至下一个区段，如此类推，只要经过2到3个防火区段后隧道内空气的成分和温度基本对人员无害。因此发生火灾后隧道内的人员只要能够逃离火场区段就有逃生机会，离火场越远的区段会越安全，因为火灾的高温及对人体有害的烟气被气幕约束在火场及其附近的区段。为了增加列车司乘人员从隧道火灾中逃离的机会，可以在油罐列车及隧道沿线装配一定数量的有氧呼吸器。
4、系统的经济性、设备的耐火稳定性和火灾会否复燃该方法整套系统由火情监测、分区气幕、能源和控制系统几部分组成。由于针对的是大规模的油料火灾，火情监测可按每500米设置1个视频摄像头和1套温感报警装置；而组成气幕的设备构件主要包括风机、风管和气幕喷嘴，每道气幕的造价可控制在10万元人民币之内，加上监测、电源和控制系统，一座长15km的长大铁路隧道在防火安全上的投入只需1000万元人民币，还不及隧道总造价的1％。
因为气幕只有喷嘴和风管安装在隧道顶或较高位置，这些构件能经受得住火灾高温烟气的薰烤，而风机可以装在距地面2米的范围内，这一范围通常距离火场中心300米以上温度会低于100℃，即使有部分隧道上层高温烟气被吸卷进风机的可能，只要经过适当技术处理及选择耐高温的风机后就能保证系统平稳工作。
火灾窒息灭火后，因温度逐渐降低，气压下降，会从周围空间吸入空气。因为火场内仍有温度较高处，一旦吸入的空气中氧含量较高就会发生火灾复燃甚至爆炸。但在气幕分区灭火法中不会出现类似现象，只要气幕持续工作，火场回吸的空气大部分是才从火场挤压出的氧含量较低的烟气，而新鲜空气很难穿过重重气幕进入火场，从而避免火灾的复燃。
5、加速灭火辅助方法为了缩短灭火时间，可以在人员逃离火场几个区段后就开始向火场中心加注液氮。在20℃时，1kg液氮气化能吸收199kJ热量，能迅速降低火场温度，更为重要的是，液氮气化后体积急剧扩大(0.1MPa、20℃时1m3液氮气化能生成696m3氮气)，迅速降低火场中氧气和可燃气体的含量，使大火在短时间内室息缺氧而停止燃烧。因此在长大隧道口外预备液氮储罐，隧道内铺设输送液氮的管道和阀门，一旦发生大型火灾，在确认人员逃至安全区段后即可向火场内加注液氮灭火，采用气幕分区窒息和加注液氮的方法可在1小时内将大火扑灭。
综上所述，采用以上的技术方案后，气幕防火分区法能够快速而有效的扑灭铁路隧道内的大规模油罐车火灾，相对其它灭火方法更为经济快捷，实施后对确保铁路隧道安全营运和国民经济健康发展有着重要意义。
图1是未安装气幕时隧道火灾烟气流动示意图。
图2是本发明火灾初期示意图。
图3是本发明火灾发展期示意图。
图4是本发明火灾衰弱期示意图。
图5是本发明火灾因缺氧熄灭示意图。
图中隧道顶面1，隧道底面2，着火点3，火灾烟气4，新鲜空气5，可燃物6，进风口7，风机8，风管9，吹风口10，气幕11，防火区段12。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明
如图1所示，在未安装气幕的隧道内发生火灾时，如无纵向通风，着火点3处燃烧过程产生的烟气羽流到达隧道顶面1后转为水平方向运动的顶棚射流，并逐步漫延到整个顶棚面，由于烟气较隧道内空气温度高密度低，于是在隧道上层空间形成稳定的热烟气层。而烟气4空出的下部空间则由温度低密度大的新鲜空气5沿隧道底面2补充进来，形成上下部对流，燃烧时所需的氧气通过这种对流获得不断的补充，燃烧可以持续进行。采用封堵洞口的灭火方法，隧道内燃烧情况与以上类似，直到隧道内氧气耗尽或可燃物6燃烧完大火才会熄灭。
为了快速扑灭隧道内大规模火灾，本发明在隧道内每间隔一定距离设置气幕11喷射装置，将隧道分成一个个独立的防火分区12，当检测到火情或在人为控制开启下，风机8启动，从进风口7吸入附近的气体，经由风管9到达扁平的吹风口10，喷射出一道连续的高速流动的气幕11，气幕11的气流又经进风口7吸入而形成循环的气流回路，因此气幕11可以破坏该处隧道截面范围附近空气因温差形成的热压差和隧道上部流出下部吸入的空气流动现象，使整个火场区段相对于外部成为等压体。因为火场区段内气体压力较高，火场相邻区段的新鲜空气5就不可能补充进入到火场里，补充到着火点3下部的气体最后只能是下沉的上部烟气4，经过一段时间火场内的空气5和烟气4将充分混合，一旦防火分区12内的氧气消耗低到一定含量，大火就会因缺氧而熄灭。火灾从起火到熄灭的过程以及气幕防火作用如图2-5所示。
在吹风口10内加装喷射高速水流，或在其外侧设置水幕，使接近气幕11的烟气4快速降温而下沉，转而流向着火点3，加快火场内烟气4和冷空气5的混合，尽快扑灭大火，同时可以起到保护气幕系统免受高温损害。
为了进一步缩短灭火时间，可以向火场区段加注液氮或其它惰性气体。迅速降低火场温度，降低火场中氧气和可燃气体的含量，使大火在短时间内窒息缺氧而停止燃烧。
气幕分区窒息灭火法除铁路隧道外，还可广泛应用于公路隧道、地铁区间隧道及站场、地下商场、地下仓库等众多地下空间或相对封闭的建筑空间内进行防火设防。
权利要求
1.一种地下空间气幕分区防火系统，其防火气幕主要由进风口、风机、风管和吹风口构成，其特征是由吹风口吹出的高速气流形成连贯的气幕，将地下空间分隔成相对独立的防火分区，阻止外界空气进入火场，燃烧将因氧气耗尽而自行熄灭。
2.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是吹风口安装在地下空间顶面或上部，进风口和风机安装在地下空间较低部位，气流沿进风口、风机、风管、吹风口和气幕形成循环回路。
3.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是吹风口安装在地下空间的侧面，进风口安装在地下空间的另一侧面，气流沿进风口、风机、风管、吹风口和气幕形成循环回路。
4.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是与风机相连的电源和控制系统以及风机能耐高温，在设计时间和设计温度内正常工作。
5.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是吹风口内安装有喷水或水雾的喷头。
6.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是气幕的一侧或两侧安装有水幕。
7.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是地下空间外预设有液氮储罐，地下空间内铺设有加注液氮的管道和控制阀。
8.根据权利要求1所述的气幕分区防火系统，其特征是地下空间外预设有惰性气体储罐，地下空间内铺设有加注惰性气体的管道和控制阀。
全文摘要
本发明公开了一种能快速扑灭隧道油罐列车火灾等地下空间火灾的有效方法，主要由火情监测、防火分区气幕、能源和控制等部分组成，其防火气幕又由进风口、风机、风管和吹风口构成。利用气幕将隧道等地下空间分隔成相对独立的防火分区，阻止火场外新鲜空气补充进入到火场，防火分区内的氧气消耗低到一定含量，大火会因缺氧而熄灭。该方法能快速有效地扑灭地下空间大规模火灾，减少火灾带来的直接和间接损失，此外也有利于火灾中的人员疏散。
文档编号E21D5/00GK1710250SQ200510031889
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月19日 优先权日2005年7月19日
发明者赵明桥 申请人:赵明桥