消防工程毕业论文.doc

氮气灭火剂在封闭空间的作用机理及其应用的研究专业：安全技术及工程方向：消防工程摘要论文提出在建筑火灾中使用氮气灭火剂，并根据气体灭火系统选择的影响因素，应用模糊系统理论，建立模糊综合评价的指标体系和评价模型，从技术和经济两方面分析其可行性；讨论注入氮气的不同流态和燃烧消耗作用对大型封闭火区中氧浓度变化的影响,建立氮气注入量、氧浓度变化及注入时间的动态关系；论文分析封闭火区中可燃气体层的形成,特性及其预防措施；初步建立了固定式和移动式氮气灭火系统的设计，并对泄压口的位置及固定系统的管网压力损失计算进行了探讨；论文讨论地下建筑火灾扑救中可能出现的问题，提出采用封闭注氮法灭火时的一些技术和措施；关键词：哈龙替代物；气体灭火；氮气灭火剂；可行性分析；地下建筑火灾ABSTRACTThisdissertationputsforwardtheapplicationofthenitrogen-extinguishingagentintheundergroundbuildingfirefighting.Thefeasibilityofnitrogenextinguishingagentisanalyzedbasedontechnicalandeconomicalindex.Itanalyzestheinfluenceofthedifferentmovingstatusoftheinjectingnitrogenandoxygen-consumingonthevariationofoxygenconcentrationinenclosurefireareas.Adynamicrelationshipamongtheamountofinjectingnitrogen,thevariationoftheoxygenconcentrationandthetimeinjectingnitrogenisestablished.Theformationandfeaturesofcombustiblegaslayerareanalyzed,andsomecontrolmeasuresarebroughtforward.Thedissertationalsodiscussestheelementarydesignmethodoffixednitrogenfire-extinguishingsystem,thelocationofpressure-decreasingorificeandthecalculatingformulationofthepipepressureloss.Somepossibleproblemsappearinginextinguishingundergroundbuildingfireandrelativetechnologiesandmeasuresarediscussed.ApplyingFuzzySystemtheory,thedissertationestablishestheassessmentindex-systemofthegasfire-extinguishingsystembasedoninvestigatingandanalyzingitsinfluencingfactors.Theexampleshowsitisreliable.KEYWORDS:HalonAlternative；GasFire-Extinguishing；NitrogenExtinguishingAgent；Feasibility-Analyzing；UndergroundBuildingFireI目录摘要第1章绪论.11.1引言.11.2地下建筑火灾特点和消防难点.21.2.1地下建筑火灾特点.21.2.2消防难点.31.3气体灭火概述.41.3.1火灾类型.41.3.2有关气体灭火的几个基本概念.41.4国内外灭火剂研究现状.51.4.1水添加剂的发展.51.4.2泡沫灭火剂的发展.61.4.3干粉灭火剂的发展.81.4.4气体灭火剂.91.4.5哈龙灭火剂的发展.101.5哈龙灭火剂面临的问题及其替代品的研究现状.111.5.1哈龙灭火剂面临的问题.111.5.2哈龙替代灭火剂的选择原则.121.5.3哈龙替代灭火剂研究现状.121.5.4常用哈龙替代灭火剂的灭火机理及其特点.131.6课题研究的意义.161.7课题的研究内容.171.8本章小结.18第2章氮气灭火剂的可行性研究.192.1引言.192.2氮气及其它替代灭火剂的技术特性.202.2.1灭火性能.202.2.2环境保护.222.2.3毒性.222.3氮气和其它替代灭火剂的综合评价.262.3.1评价的指标体系.272.3.2综合评价指标集的建立.272.4定性参数的处理方法.282.4.1定性指标特征值和权重的处理.282.4.2集值统计法应用举例.312.5多目标多层次的模糊综合评价模型.312.4.1最低层相对隶属度的计算.312.4.2第i分系统的单排序.322.4.3上一层次的排序.34II2.6氮气与其它气体灭火系统的综合评价.342.7地下建筑火灾中使用氮气和其它惰性气体特性分析.352.8结论.362.9本章小结.36第3章氮气灭火剂在封闭空间的作用机理.373.1引言.373.2封闭火区中氧浓度变化的影响因素.373.3注入氮气的不同流态对火区氧浓度的影响.383.3.1紊流状态下氧气、氮气浓度与注入时间及流量的动态关系.383.3.2层流状态下氧气、氮气浓度与注入时间及流量的动态关系.403.3.3氮气在不同流动状态下对氧浓度变化的影响比较.423.4燃烧耗氧作用对封闭火区中氧浓度的影响.432.2.1火区完全密封下燃烧消耗作用对氧浓度的影响.442.2.2不完全密封时消耗对空间中氧浓度的影响.452.2.3稀释和消耗作用对氧浓度变化的综合影响.463.5燃烧生成物对氧浓度的影响.473.6注入氮气呈紊流流动的条件.503.7封闭空间的温度变化.503.10.1无氮气注入时的温度变化.513.10.2氮气注入时的温度变化.533.8注入氮气的不同流态对可燃气体层的影响.553.8.1火区中的可燃气体层.553.8.2层流中的可燃气体层.573.8.3紊流中的可燃气体层.573.9本章小结.59第4章氮气灭火系统设计.604.1引言.604.2氮气灭火系统的适用范围.604.2.1适用场所.604.2.2不适应场所.604.3氮气灭火剂用量计算.614.3.1灭火剂的设计浓度.614.3.2防护区的爆炸性.614.3.3氮气的设计灭火浓度.624.3.4灭火剂设计用量计算.634.3.5设计系数.644.4防护区设置要求.654.4.1防护区的确定.654.4.2防护区开口.654.4.3建筑构件的耐压性能和防护区泄压.664.4.4建筑构件的耐火性能.68III4.5灭火系统的管网设计.684.5.1管网设计的环境温度.684.5.2设计流量计算.694.5.3管道内径计算.694.5.4喷咀孔口面积计算.704.5.5管网压力损失计算.704.6移动式氮气灭火系统设计.734.6.1制氮设备的选择.734.6.2氮气灭火剂用量计算.754.6.3氮气的注入方式.754.6.4输送管道选择.754.7本章小结.76第5章氮气灭火剂在地下建筑火灾中的应用研究.775.1引言.775.2直接灭火时的风流紊乱现象、危害及控制.775.3.1烟流.775.3.2火灾产生的风流紊乱现象.775.3.3风流紊乱现象的危害.785.3.4风流紊乱现象的控制.785.3直接灭火时的气体监测.795.4火区封闭.805.5封闭火区内火源状态的分析.815.5.1气样中被检气体浓度的分析判断.815.5.2气样的可靠性.825.6火区启封.825.7氮气灭火应用实例.835.8本章小结.86第6章结论与设想.87致谢.88参考文献.89攻读博士期间从事的科研项目及发表的论文.错误!未定义书签。第1章绪论1第1章绪论1.1引言随着科学技术的进步及大型城市的发展，现代地下工程迅速发展，现代地下空间的利用，在本世纪60和70年代达到了空前的规模，包括平战结合的地下居住和公共建筑、地铁、隧道、地下商业街、节约能源型的中小型地下建筑、地下公用设施和服务设施等。在许多国家，公路和铁路隧道是一种非常便利的运输通道，因而世界范围的隧道数量和建立增长都在不断增加。截止1997年，我国的铁路隧道总长度已有2457.89km1。随之而来的是由于隧道设计的不合理，以及不断增加的隧道负载，使得隧道火灾的风险也不断加大2。由于地下建筑的特殊性，其火灾特点使得扑救非常困难。1985年8月19日，西安红安公司发生一起地下建筑火灾，这起火灾连续燃烧了5天多。灭火的措施主要是用水，经过几次强攻后，火势仍然没有得到遏制，最后使用沙袋封堵所有出入口和通风洞，采用窒息灭火，才将大火扑灭，这次火灾的直接损失达38万元。我国地下建筑火灾延烧时间最长的一次有41天，这次火灾造成4名救火人员死亡，80多人受伤3。1990年7月3日，四川达县附近的梨子园铁路隧道一列军用油罐车爆炸燃烧，使这条铁路大动脉停运22天。1993年6月12日，一列原油列车行至蔺家川隧道发生爆炸燃烧，消防队员奋勇扑救了15个日夜才把火灾扑灭4。列车在铁路隧道内着火成灾的事故后果极为严重。据不完全统计，仅50年来国内外客货车在隧道内发生的火灾事故已达30多起，我国自1976年以来，在铁路隧道内已经发生了列车事故7起（其中油罐列车火灾6起），不仅烧毁车辆、运输物资、隧道设施与线路，而且造成了百余人死亡，直接经济损失近2000万元，累计中断行车时间为1800小时以上，间接经济损失难于估计，并且造成不良的社会影响4。1988年9月，南昌市福山地下贸易中心发生大火灾，直接经济损失达148.7万元。2003年2月韩国大邱地铁发生火灾，至少造成196人死亡，直接损失达40亿韩元。这些火灾的发生引起了世界各国对隧道、地铁和地下商业街等地下建筑物火灾的高度重视，纷纷成立专门的机构并投入大量的资金进行防灭火研究5-7，并规定在新建隧道、地铁、地下商业街等地下建筑中增加消防设计，以及尽可能地在原有的地下建筑中增加消防系统8-11。我国也成立了专门的课题对隧道火灾报警和消防方法进行研究12。由于绝大部分隧道都是远离城市的山岭隧道，而且交通部门没有专门的消防队伍和现代化的消防设施，因此，即使有着良好的隧道研发13和重要的预防设计措施，海底隧道火灾仍然具有极大的破坏性14，15。国内的几次隧道列车火灾事故，大部分是采用封堵窒息法灭火4。火灾发生初期，主要依靠自动喷淋和全淹没式气体灭火系统，可采用的方案较多，固定式氮气灭火系统是其中的一种。当这些建筑火灾规模进一步发展，使用直接灭火措施不能完全灭火时，就需要采用封堵窒息法灭火。水是天然的灭火剂，因而其使用范围也最为广泛，封堵注水灭火理所当然地成为首选。但是用水灭火也存在许多缺点：（1）水灭火可能对地下建筑造成损害；（2）在偏远地区，水量严重不足，满足不了灭火的用水需求；（3）许多类型的火灾不能使用水灭火。在全淹没式气体灭火系统方面，随着哈龙替代灭火灭火剂研究的进展，人们开始进一步深入研究惰性气体灭火剂的相关性能和特性。氮中国矿业大学（北京校区）博士学位论文2气是一种惰性气体，具有不导电、无污染、为天然气体等特性，是真正清洁灭火气体，它对于扑救A、B、C和D类火灾都有较好的效果。氮气灭火剂可应用于地下建筑、地下商业街、地铁、隧道、控制室、计算机房、图书馆、通讯设备、变电站、重点文物保护区等场所的火灾。由于具有这些优点，国外对它进行了大量的研究16，17，希望它能成为一种良好的哈龙替代灭火剂，目前国外已出现了商业化的氮气灭火系统IG100，但是氮气的灭火浓度高，贮存压力大，影响了它的应用和推广，目前只在少数国家开始使用。氮气除了可应用于固定式系统外，还可以作为移动式灭火系统应用，多年的矿井火灾防治为此提供最有力的证明18-21。使用移动式氮气灭火系统可以很好地解决用水扑救封闭火区中存在的问题。因此，采用封闭窒息灭火时，氮气灭火剂更是有着巨大的优势。由于矿井火灾与地下建筑火灾的存在许多相同的特点，对氮气灭火剂在封闭空间中的作用机理的研究，将有助于利用在矿井地下火灾扑救中行之有效的经验和技术，使用移动式氮气灭火系统来扑救地下建筑火灾。此外，在行之有效的哈龙替代灭火剂出现之前，对固定式氮气灭火系统的应用可行性、以及系统的设计方法进行研究，在我国气体灭火系统的研究中具有非常现实的意义。上面提及矿井与地下建筑具有许多相同的特点，但它们究竟有哪些相同的特点呢？下面就对它们的一些共同特点和消防难点进行分析。1.2地下建筑火灾特点和消防难点1.2.1地下建筑火灾特点地下建筑由于其自身建筑的特点，发生火灾的主要特点是：1.烟雾多，易于积聚大多数地下建筑只有很少的通道与外部进行连接，建筑的出口有限，近似于半密闭状态，建筑物内的空气与外部交换也少，平时通过通风或空调系统进行供风，氧的供应比较少。发生火灾后，燃烧消耗大量的氧气，降低了空间中的氧含量，但空气中的氧含量仍可以维持物质的燃烧。在供氧不足条件下，物质燃烧不完全，产生大量烟雾；火灾发生后，通风、空调系统常常因为电源切断而失去排烟作用，地下建筑的自然通风条件比较差，自然排烟的数量少，有大量浓烟在地下空间蓄积。地下建筑散热条件差，空间里的温度会迅速上升，燃烧会形成火风压，导致空间中地下建筑内的气压增高。在高温条件下，气体体积迅速膨胀，可达到平时的两倍或更多，这也是导致地下建筑内烟雾扩散速度非常快的重要原因。当从安全出口或通风口进入的冷空气与火灾时产生的热烟气相遇，便产生自然对流现象，冷空气沿安全出口的下部空间进入，热空气从安全出口的上部空间逸出，形成一种烟囱效应，使地下建筑内的空气得以置换。但是地下建筑内空气的置换速度很慢，这个过程受地下建筑的结构形状，物体的阻挡等因素的制约，尤其在狭长曲折、上下起伏的地下建筑内，热空气和热量便在地下建筑内蓄积起来，要经过很长时间才能得以冷却消散。2.浓烟毒气多，人员难于疏散在火灾条件下，大多数易燃、可燃、难燃的物质，都会释放出一些有毒、剧毒或窒息