机械通风对舰船机舱火灾烟气控制实验研究

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(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；2.海军研究院，北京 100161)

舰船具有结构复杂、空间狭窄、交通条件受限、火灾处置难度大、起火点难以确认等特点[1]，火灾烟气常常造成大量人员伤亡，严重威胁舰船生命力，在船舶工业快速发展的进程中一直受到广泛关注[2]。机舱作为舰船动力系统所在地，存在大量燃油及润滑油、高温设备等火灾危险源，一旦舰船机舱发生火灾事故，将难以保证舰船安全[3]。因此，科学合理地设计舰船防烟控制对于减缓火灾蔓延、争取人员疏散时间、保障舰船生命力，具有重要意义[4]。

英、美等国海军曾开展了大量关于舰船火灾烟气控制的研究[5]，涉及控烟区域划分、火灾后环境快速恢复、限制烟气蔓延等。1992年，美国海军在Shadwell号上开展实船大尺度实验[6]，测试固定式排烟系统性能[7]。2001年，美国海军又进行了武器攻击条件下的火灾烟气控制实验[8]。我国对于舰船火灾烟气的研究也取得了一些进展，例如舰船大空间舱室火灾烟气填充、封闭舱室火灾烟气温度特性、顶部开口舱室火灾烟气特性等方面的研究。我国的研究人员进行了全尺寸机舱火灾烟气填充试验，研究不规则截面舱室的烟气沉降规律,同时改变油池尺寸和抬升火源研究火源功率和火源高度对烟气温度分布和烟气层沉降的影响[9]。我国的研究人员还运用火灾动力学软件FDS对CRH2A动车组的一节车厢进行了模拟计算。分别采用机械排烟系统、空气幕系统及二者复合系统对车厢内烟气进行控制,对比分析不同排烟系统下车厢内烟气温度、烟气层高度和O2、CO、CO2体积分数的变化规律[10]。

针对舰船机舱机械通风控烟问题，结合舰船机舱通风系统的现实情况，开展舱内不同排烟量、不同补风口高度及单双侧补风口配置方案的实验，揭示不同排烟和补风速率以及不同补风口配置对于舰船机舱火灾发展过程和典型火灾参数变化规律的影响。

1 实验方法与工况设计

实验在陆地上的模拟实验舱内进行，舱体顶板为8.5 m(长)×7.6 m(宽 )，底板为8.5 m(长)×6 m(宽)，整舱高2.7 m，内底之下的弧形底板高0.8 m，内部下层高度为0.7 m，上层高度为1.2 m。模拟实验舱见图1。

图1 模拟实验舱

根据美国海军实验，机舱发生火灾后，将通风系统反转转换为排烟状态，即将原送风系统改为排烟系统、原排风系统改为补风系统[11]。因此，本机舱通风系统也采用类似布局，见图2。在排烟状态下，机舱共布置了2台排烟风机，2台补风机。排烟口尺寸为1 m(长)×0.5 m(宽)，补风口尺寸为0.75 m(长)×0.75 m(宽)。

图2 通风管路布置

实验火源采用油池火形式，油盘直径为0.4 m，燃料为庚烷，每次实验中的庚烷用量均为3.5 L，油盘布置在2台主机之间。在2台轮机之间的通道处布置了A、B、C 3组热电偶树，在机舱内楼梯附近布置了D热电偶树，在人孔位置布置了E热电偶树，油盘及热电偶树的位置见图3。

图3 油盘位置示意

实验中为实现燃料的质量损失速率(MLR)、舱内温度、O2、CO、CO2体积分数、火焰形态、烟气流动状态的测量，将油盘放置在D&T ES60K型电子天平上，通过与计算机实时传输重量，可以测定燃料的质量损失速率(MLR)；在舱内设置了5组热电偶树，可以实现舱内温度的实时采集；选用英国KANE公司KM9106型烟气分析仪，该烟气分析仪可同时测量O2、CO、CO2体积分数，测量数据可实时传输至计算机。

2 补风口位置对烟气控制效果影响

2.1 温度分布

根据实验方案的设计，采用直径为40 cm、初始燃料量为3 500 mL的正庚烷池火作为火源。实验中测量了燃料质量变化和舱内O2、CO、CO2体积分数、温度等火灾参数。

补风口位置对机舱火灾影响的研究中，共开展不同补风口配置工况8组，每组工况实验次数为2次，实验分析中所提供的数据为2次重复实验的平均值。补风口高度分别为0.15、0.45、0.75、1.05 m，分别测试了单侧及双侧补风配置。

与双侧补风工况相比，单侧补风工况火焰熄灭后的降温过程持续时间更长，不利于火灾后消防人员进入。与其他补风口高度相比，当补风口高度为1.05 m时，通道处的峰值温度最低。对于人孔处的温度而言，补风口高度为0.75 m双侧补风工况温度控制效果最好。见图4、5。

图4 通道处温度分布(热电偶树C)

图5 人孔处温度分(热电偶树E)

2.2 燃料质量损失速率

燃料质量损失速率反映了火源燃烧状态，舱室上部烟气温度及油盘附近空气氧含量影响了燃料质量损失速率的变化，随着燃烧的进行，舱室上部烟气温度上升，热烟气对油池的热辐射得到增强，加速了燃料的蒸发过程；而逐渐降低的氧含量导致火焰温度下降，进而降低了燃料的辐射热通量。在机械通风的影响下，机舱上部的热烟气被排出，舱内氧气也得到了补充，上述过程受到了影响。各工况平均质量损失速率见图6。

图6 不同补风高度工况质量损失速率

2.3 气体体积分数

烟气中的O2、CO、CO2体积分数直接影响人员生命安全，是重要的火灾参数。不同工况下的O2、CO、CO2体积分数见图7、8、9。

较高的氧气体积分数以及较低的CO、CO2体积分数是烟气控制的目标。由图7、8、9可以看出，补风口高度为1.05 m时双侧补风工况烟气控制效果最好，而补风口高度为0.45 m时双侧补风工况烟气控制效果最差。综合考虑，应当选用补风口高度为1.05 m双侧补风通风配置最佳。

图7 不同补风高度工况O2体积分数

图8 不同补风高度工况CO体积分数

图9 不同补风高度工况CO2体积分数

3 补风量对烟气控制效果影响

在补风量对机舱火灾影响的研究中，共取不同补风量工况5组，每组工况实验次数为2次，实验分析中所提供的数据为2次重复实验的平均值。5组机械通风实验工况使用了补风口高度为1.05 m双侧补风通风配置，设计补风量1.47 m3/s。机械补风量分别为设计风量的0、60%、70%、90%、100%。

3.1 温度分布

在60%补风量工况下，火最先熄灭时间约为220 s，说明在火灾情况下，适当降低补风量可以控制火灾发展；在100%补风量工况下，火灾持续时间较长，熄火时间约为450 s，此时风机工作在设计补风量条件下。尽管补风量对于火灾发展有明显影响，但无通风工况下的火灾持续时间最长，舱内温度也最高。对于该机舱，火灾条件下应保持通风。见图10。

图10 顶棚下方10 cm处温度-时间变化曲线

3.2 燃料质量损失速率

在火灾增长阶段，70%补风量及90%补风量工况的质量损失速率增加较快，且达到峰值的时间较短；其余有通风工况质量损失速率变化基本相同；无通风对照组的燃料质量损失速率先缓慢增加，随后基本保持在较低水平不变。由此可见，补风量对于燃料质量损失速率的影响符合前文的分析，即通风对于机舱火灾的双重影响。见图11。

图11 不同补风量工况质量损失速率

3.3 气体体积分数

庚烷燃烧产生了大量CO2及不完全燃烧产物CO，而机械通风引入舱内的新风稀释了CO、CO2体积分数，有利于保障损管人员生命安全。新风补充了燃烧消耗的O2，支持了燃烧的进行，因此，在气体体积分数方面，机械通风同样具有对火灾的双重效应[12]。

在维持舱内O2方面，90%补风量工况效果最好，与质量损失速率的实验结果相对应，较高的O2体积分数有利于燃烧进行。相关研究表明，CO能够迅速与血红蛋白结合，导致人体缺氧；较高体积分数的CO2能够刺激人的呼吸系统中枢，导致人过多吸入火灾烟气[13]。100%补风量工况下，CO与CO2体积分数均比其他工况低。该工况能够为救援人员提供更加有利的施救条件。见图12、13、14。

图12 不同补风量工况O2体积分数

图13 不同补风量工况CO体积分数

图14 不同补风量工况CO2体积分数

4 结论

针对舰船机舱机械通风控烟问题，结合舰船机舱通风系统的现实情况，开展舱内不同排烟量、不同补风口高度及单双侧补风口配置方案的实验，揭示不同排烟和补风速率及不同补风口配置对于舰船机舱火灾发展过程和典型火灾参数变化规律的影响。实验结果表明：

1)能够通过改变补风口高度位置、补风量大小、单双侧补风等参数，优化舰船机舱烟气控制效果。

2)为实现最佳的控烟效果，针对该舰船机舱，应采用1.05 m补风口高度双侧补风90%以上补风量配置。