（机械工程专业论文）船用高压细水雾喷头的设计与试验研究.pdf

摘要 题名：船用高压细水雾喷头的设计与试验研究 硕士研究生姓名：董加强 导师姓名：汤文成( 教授) 姚效刚( 高级工程师) 学校名称：东南大学 近十多年来，国际安全领域对哈龙主要替代技术之一的细水雾灭火技术研究方兴未艾。 本课题为高压细水雾喷头在船舶消防领域的应用研究，目的是探索适合船舶领域应用的高压 细水雾喷头。 本论文简述了我国开发船用细水雾灭火系统的必要性，按照m s c c i r c 9 1 3 标准规定，建 立了船用试验系统及火灾模型。采用三维软件设计了系列高压船用细水雾喷头，由此提出了 高压船用细水雾喷头的总体试验研究方案。通过激光粒度仪等测试设备，测量了多种喷头的 喷雾特性。通过对比分析，确定了适合于船舶消防的高压细水雾喷头。根据选定的喷头对试 验系统进行了水力计算、水泵选型。然后采用设计的喷头进行了大量灭火试验，采用均匀设 计、正交设计、e x c e l 表格分类整理的方法，对灭火试验数据进行了回归分析、因素指标分 析，从而总结出高压船用细水雾喷头的高效研发试验程序，为细水雾灭火系统的试验研究提 供了行之有效的方法。通过研究得出了比较理想的船用高压细水雾喷头喷雾特征，并对灭火过 程中各参数变化对灭火效果的影响进行了分析。此外，进行了船用高压细水雾喷头对电气设 备的影响性试验，验证了细水雾良好的电绝缘性。以上研究对工程实践具有积极的参考价值。 关键词：哈龙替代品细水雾喷头喷射火 a bs t r a c t t i t l e ：d e s i g na n de x p e r i m e n t a ls t u d y0 1 1 3 m a r i n et y p en o z z l eo fh i g hp l 髓$ u r ew a t e rm i s t s y s t e m n a m eo f g r a d u a t es t u d e n to f m a s t e r ：d o n gj i a - q i a n g t e a c h e r ：p r o f t a n gw e n - c h e n ga n ds e n i o i e n g i n e e ry a o x i a o - g a n g i j n i v e r s i t y ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y i nt h ep a s tt e ny e a l s ，t h ew a t e rm i s te x t i n g u i s hs y s t e mw h i c hc a ns u b s t i t u t et h eh a l o na g e n ti s b e i n gr e s e a r c h e db yt h ei n t e r n a t i o n a ls e c u r i t yo r g a n i z a t i o n n 玲p a p e ri st e l l i n ga b o u tt h er e s e a r c h o ft h eh i g hp r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l eu s e di nt h em a r i n ef i r ef i e l d ，t h ea i mi st oe x p l o r eh i g h p r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l es u i t a b l ef o rm a r i n ef i e l d t h en e e e s s i t yo f d e v e l o p i n gt h em a r i n ew a t e rm i s te x t i n g u i s hs y s t e mi nc h i n ai se x p a t i a t e di n t h ep a p e r a e c o r d i n gt ot h em s c c i r e 9 1 3r e g u l a t i o n ，t h et e s ts y s t e ma n df i r em o d e lw a ss e tu p s e r i e so fh i g hp r e s s u r el n a r i n ew a t e rm i s tn o z z l e sw e r l ed e s i g n e db yt h e3 ds o f t w a r e t h e r e f o r e ，t h e t o t a lt c s ta n dr e s e a r c hs c h e m ef o rh i g hp r e s s u r em ew a t e rm i s tn o z z l ew 黜s u m m a r i z e d n l c n o z z l e ss p r a yc h a r a e t e r i s t i ew e r em e a s u r e da n da n a l y z e db yl a s e rg r a n u l a r i t yi n s t r u m e n t t h e s u i t a b l eh i g hp r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l ef o rm a t j l 3 ef i r ew a sd e s i g n e dt h r o u g hc o n t r a s ta n a l y s i s a u k i n d so f m e t h o d ss u c ha su n i f o r md e s i g n 、o r t h o g o n a ld e s i g na n de x c e lt a b l e ，w e r eu s e dt oe l a s s i f y a n dt r i ma n dt or e g r e s s i o na n a l y s i sa n di n g r e d i e n tt a r g e ta n a l y s i st h ef i l et e s td a t a a s1 1r e s u l tt h e l l i g he f f i c i e n c yr & dt e s tp r o c e d u r ef o rt h eh i g hp r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l ew e r e $ 1 m l n l a l j z e d ， w h i c hp r o v i d e da l la v a i l a b l em e t h o df o re x p e r i m e n t a ls t u d yo nw a t e rm i s te x t i n g u i s h i n gs y s t e ma n d d r e wae o n e l u s i o na b o u tt h es p r a yc h a r a c t e rf o rt l l en l a r i n e ：h i g h1 9 r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l e t o g e t h e r w i t ht h ea n a l y z eo ft h ee f f e e tw h e ne v e r yp a r a m e t e rc h a n g e dt op u to u taf i r e a n d , i na d d i t i o n , w h i c hw f l , sp r o v e db ye x p e r i m e n tt h a tt h ew a t e rm i s th a sw e l le l e c t r i c a li n s u l a t i o np e r f o r m a n c e 灿l o f t h e s ew i l lp l a yl i tp o s i t i v er o l ei nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf o rw a t e rm i s ts y s t e m k e y w o r d s ：s u b s t i t u t eo f l a a l o n , w a t e rm i s t , n o z z l e , s p r a yf i r e 。 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 勃丝日期：巡哆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盏血主墨导师签名：研究生签名：鱼尘垒塾导师签名：盗鱼垒日期： 第l 章绪论 第一章绪论 本研究来源于南京消防器材股份有限公司的细水雾开发项目“z s x c 船用细水雾灭火系统气 选题依据： 为了保障船舶安全，将灾难造成的生命和财产损失降到最低，国际海事组织发展了国际海上人命安全公 约1 1 】，即s o l , s 公约，该公约已经成为全世界国际航海领域共同遵守的标准。1 9 7 4s 乱a s 公约2 0 0 0 修正案第 一2 章中规定：从2 0 0 2 年7 月1 日起，5 0 0 吨及以上的客船和2 0 0 0 吨及以上的货船，容积超过5 0 0 的a 类 机器处所均应设置细水雾灭火系统( 固定式局部水基灭火系统) ；另外，2 0 0 2 年7 月1 目前制造的2 0 0 0 吨及以 上的客船必须不迟于2 0 0 5 年1 0 月1 日前设置细水雾灭火系统( 固定式局部水基灭火系统) 。从标准t 对细水雾 灭火系统在船船顶域的使用进 亍了规定。 此后国际海事组织( i 啪) 海事安全委员会贼9 8 ( 7 3 ) 决议通过的国际消防安全系统规则( f s s 规则) 进步强调这一规定从2 0 0 2 年7 月1 日起成为强制性要求i “。我国政府在交通部第 2 0 0 2 3 2 8 文件中要求执行 此规定。由此可见船舶工业领域对细水雾灭火产品的需求十分巨大，市场前景广阔。 细水雾灭火技术在船舶领域的应用必须满足海安会通函“瞒c c i r c 9 1 3 适用于a 类机器处所的固定 式局部水基灭火系统认可导则”的相关要求鸭喷头作为细水雾灭火系统必不可少的零部件，其性能是 满足“m s c c i r c 9 1 3 ”相关要求的关键所在，因此对其结构的设计和应用研究就显得比较迫切。 本课题依据n f p a 7 5 02 0 0 0e d i t i o n 美国消防协会细水雾灭火系统设计标准f 4 j 、q 3 2 0 i n x q i l 3 - - 2 0 0 4 细 水雾灭火自动灭火装置 5 1 和m s c c i r c 9 1 3 ( 1 9 9 9 年6 月4 日) 适用于a 类机器处所的固定式局部水基灭火系统 认可导则进行设计。 课题研究目的： 我国目前是世界第三大造船国，正在向世界第一大造船国冲击，因此对船舶消防需求量彳匣大。船用 细水雾灭火系统国内目前主要依赖进口。我公司作为消防器材的专业生产企业，已经在国内率先开发出 陆用细水雾自动灭火系统。陆用细水雾产品要想在船舶上应用，关键就是设计出船用喷头。列出相 关工程应用参数，以满足“城s c c i r c 9 1 3 ( 1 9 9 9 年6 月4 日) 适用于a 类机器处所的固定式局部水基灭火系统 认可导则”相关要求 工程应用价值； 船用细水雾灭火系统主要用于船上a 类机器处所消防保护，如：用作主推进的内燃机；用作非主推进的合 计总输出功率不小于3 7 5 k w 的内燃机；任何燃油锅炉或燃油装置和一切其它包括推进机器、锅炉、燃油装置、蒸 气机和内燃机、发电机和主要电动机、加油站、冷藏机、防摇装置、通风机和空调机的处所，以及类似处所和连 同通往这些处所的围壁通道。 船用细水雾喷头以水作为灭火介质，喷射出的细水雾无毒、无味、无残留物，不会对保护对象及空间造成 污染及其它危害，不影响人员呼吸，不会破坏臭氧层，清洁、环保、高效，安全。 鉴于s o l a s 公约及国际消防安全系统规则( f s s 规则) 从标准上对细水雾灭火系统在船舶领域的 应用进行强制规定，因此细水雾必将在船舶领域发挥重要作用。而高压细水雾以其更加良好的灭火效果及 更少的水消耗，必将成为船舶消防的首选。 东南大学工程硕士学位论文 1 1 细水雾灭火技术产生的背景 1 1 i 哈龙灭火技术的淘汰 火的使用是人类历史发展的里程碑，同时火也一直威胁着人类的生命和财产安全，战胜火灾，保护生 命，保护财产，保护环境是现代消防科技人员一直追求的目标。既要灭火效率高，又要对环境无影响是消 防科技前进的方向。 地球是人类共同的家园，而臭氧层是地球的天然屏障。7 0 年代以来，臭氧层破坏已成为全球普遍关注 的环境焦点问题。随着1 9 8 5 年底南极臭氧空洞的发现，为了保护臭氧层，国际社会分别于1 9 8 5 年和1 9 8 7 年制定了保护臭氧层维也纳公约1 6 1 和关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书j ，确定了全球保护 臭氧层国际合作框架，目前已有1 7 0 多个缔约方。在1 9 9 0 年伦敦、1 9 9 2 年哥本哈根、1 9 9 5 年维也纳和1 9 9 7 年蒙特利尔的会议上对关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书进行了调整，加快了淘汰时间表。蒙 特利尔议定书也被修正以引进其他控制措施，增加新的受控物质种类。根据蒙特利尔议定书淘汰时 问表的要求，发达国家已于1 9 9 4 年和1 9 9 6 年完全停止了哈龙和c f c 的生产和使用。 我国始终关注全球环境问题，积极参与全球环境合作，倡导在公平合理原则下承担共同但有区别的责 任。自1 9 9 1 年6 月加入蒙特利尔议定书以来，一直以认真的态度履行所承担的国际义务。为加强对 保护臭氧层工作的协调和领导，1 9 9 2 年，成立了国家保护臭氧层领导小组。1 9 9 3 年开始实施国务院批准 的中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案咧。其后又对国家方案进行了修订，1 9 9 9 年1 2 月国务 院批准了修订后的国家方案。我国还陆续制定了2 0 多项有关保护臭氧层的政策规章。2 0 0 0 年9 月1 日 开始实施的修订后的中华人民共和国大气污染防治法还增加了关于臭氧层保护的有关条款。逐步完善 的法律法规为有效地控制消耗臭氧层物质的生产和消费，促进替代品开发、生产和使用。 出于对自然界的保护，消防人员不得不放弃了安全与灭火效果俱佳的哈龙产品。现代灭火技术也由过 去的灭火效果和人身安全两个主要考虑因素演变成为今天的“灭火效果、人身安全和保护自然环境”兰位 一体的发展思路。按照中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，我国将于2 0 0 5 年停止生产哈龙1 2 1 1 灭火剂，2 0 1 0 年停止生产哈龙1 3 0 1 灭火剂。近年来，随着中国消防行业哈龙整体淘汰计划例的实施， 哈龙生产和消费量大幅度削减。哈龙替代品和替代技术迅速发展。 1 1 2 我国目前用于替代哈龙的几种灭火技术 公安部下发2 0 0 1 公消【2 0 0 1 】2 1 7 号关于进一步加强哈龙替代品及其替代技术管理的通知 i o l 中指出 现在我国用于替代哈龙的几种灭火技术：= 氧化碳灭火系统、卤代烃类哈龙替代灭火系统、新型惰性气体 灭火系统、气溶胶灭火装置、细水雾灭火系统。 二氧化碳灭火系统 二氧化碳( c 0 9 是地球大气成分之一，在常温常压下是一种无色、无味、不导电、化学上呈中性、无腐 蚀的气体。其灭火机理主要是稀释氧气，起窒息作用，二氧化碳可液化储存。由于c 0 2 的浓度达到1 0 时 在几分种内会使人丧失意识甚至死亡，这一浓度远低于其3 4 的最小设计浓度。因此c 0 2 系统应用于有人 环境时必须考虑人身安全防范问题。 二氧化碳灭火系统有高压和低压两类系统。对于大型保护场所，低压二氧化碳灭火系统较高压二氧化 碳灭火系统占地面积小，便于安装和维护保养。二氧化碳灭火系统适用于扑救a ( 表面火) 、b 、c 类及电 气火灾，不能用于保护经常有人场所。 二氧化碳灭火系统( 高压、低压) 在释放过程中，由于有固态c 0 2 ( 于冰) 存在，会使防护区的温度急 剧下降，可能会对精密仪器、设备有一定影响。 二氧化碳灭火系统( 高压、低压) 对释放管路和喷嘴选型有严格的要求，如设计、施工不合理，会因释 2 第1 章绪论 放过程中产生的大量干冰阻塞管道或喷嘴造成事故。 卤代烃类灭火系统 卤代烃类主要有三氟甲烷，六氟丙烷、七氟丙烷，我国目前使用较多的主要是七氟丙烷( h f c - 2 2 7 e a ) 灭火系统。 七氟丙烷气体灭火剂不导电、不破坏大气臭氧层，在常温下可加压液化，在常温、常压条件下能全部 挥发，灭火后无残留物。七氟丙烷属于全淹没系统，可以扑救a ( 表面火) 、b 、c 类和电器火灾，可用于 保护经常有人场所。 七氟丙烷灭火系统的灭火原理为化学和物理作用，在火灾的类型、规模、喷放时间相同的条件下，灭 a 类表面火的最小设计浓度高于哈龙1 3 0 1 灭火系统，为7 5 ( 体积百分比) 。灭火时药剂本身的分解产物 氟化氢( h f ) 的浓度也高于哈龙1 3 0 1 。氟化氢气体与气态水结合，形成氢氟酸，而氢氟酸是一种腐蚀性很强 的酸，对皮肤、纸张、玻璃、精密仪器有强烈的酸腐作用。 惰性气体灭火系统 惰性气体可在1 分钟左右使封闭环境中的氧含量降到不能支持燃烧的水平，却仍然可以满足人体呼吸 的需要。此类技术主要包括i g 5 4 1 、i g 5 5 、i g - 0 1 、i g 1 0 0 固定灭火系统。在我国常用的只有i g 一5 4 1 。 i g 5 4 1 灭火剂是由氮气( n 2 ，5 2 ) 、氩气( a t ，4 0 ) 和二氧化碳( c 0 2 ，8 ) 三种气体组成的无 色、无味、无毒的混合气体，不破坏大气臭氧层，对环境无任何不利影响。不导电、灭火过程洁净，灭火 后不留痕迹。i g 5 4 1 属于全淹没系统，适用于扑救a ( 表面火) 、b 、c 类及电气火灾，可用于保护经常有 人场所。 i g 5 4 1 惰性气体灭火系统是通过降低燃烧物周围的氧浓度的物理作用灭火。灭a 类表面火的最小设计 浓度为3 6 5 ，储存压力为1 5 m p a 、2 0 m p a ( 2 0 1 ，属于高压系统。 气溶胶灭火装置 按产生气溶胶的方式可分为热气溶胶和冷气溶胶。目前国内工程上应用的气溶胶灭火装置都属于热 型，冷气溶胶灭火技术尚处于研制阶段。热气溶胶以负催化、窒息等原理灭火。气溶胶与卤代烷类和惰性 气体类哈龙替代技术不同，灭火后有残留物，属非洁净灭火剂。各企业采取的药剂配方不同，残留物的性 质也不相同。热气溶胶属于全淹没系统，适用于变配电间、发电机房、电缆夹层、电缆井、电缆沟等无人， 相对封闭、空间较小的场所，适用扑救生产、贮存柴油( 一3 5 号柴油除外) 、重油、润滑油等丙类可燃液体 的火灾和可燃固体物质表面火灾。 气溶胶灭火剂在释放过程中需要经过燃烧反应，产生的高温会造成一定的危害，同时悬浮于空气中的 粉尘呈电中性，虽容易清除，但残留的微粒尘中含有的金属氧化物碳酸盐碳酸氢盐在遇到水分时星弱 碱性，对特定的设备也可造成一定的损害。气溶胶灭火装置不能用于保护经常有人场所，不能用于保护易 燃易爆场所。气溶胶属于气固混合相，不能用于管网输送系统。气溶胶灭火后的残留物对精密仪器、设备 会有一定影响，不能用于保护此类场所。 细水雾灭火系统 细水雾技术是用高压或气流将流过喷嘴的水形成极细的水滴。细水雾灭火系统以冷却、窒息原理灭火。 细水雾具有良好的电绝缘性，对环境无污染，可以降低火灾中的烟气含量及毒性。 细水雾灭火系统既能以局部应用形式使用，也能以全淹没形式应用。细水雾适用于a ( 表面火) 、b 、 c 及电气火灾。可用于保护经常有人场所 东南大学工程硕士学位论文 1 1 3 哈龙替代灭火技术综合分析 表1 1 细水雾与哈龙替代灭火技术综合分析表 灭火剂名称哈龙1 3 0 1c 0 2七氟丙烷气溶胶 1 g 5 4 1 细水雾 主要灭火方式化学物理化学化学物理物理 o d p 值1 6o00o 0 g w p 值 5 8 0 012 0 5 0o 50o a l t 值 1 0 01 2 03 1 4 20 00 灭火产生物 f 、b r c 0 2 h f n 2 、c 0 2 、h 2 0n 2 、a r 、c 0 2 h 2 0 最小灭火浓度 5 3 4 5 7 5 3 7 5 喷水强度 灭火速度较快慢较慢快较慢适中 额定储存压力 2 5 口a5 1 7 胁2 5 4 2 h 仍a0 1 衅a1 5 h 缸 a o ( 2 0 ) 毒性值较低室息低于1 3 0 1无无无 能见度良中良差优良 占用体积较大 大一般一般非常大一般 综合费用适中较高较高适中高低 o d p 值：臭氧耗损潜能值o d p 是“o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ”的英文缩写，用于衡量o d s ( 耗损大气 臭氧物质o z o n ed e p l e t i o ns u b u s t a n c e 的缩写) 破坏臭氧层的能力。它是以c f c 1 1 ( c c l 3 f ) 为基准，设定 其o d p 值为1 ，其它o d s 的o d p 值按其耗臭氧能力比c f c 1 1 大或小的分数值表示，o d p 值大于0 2 的 物质属于必须停止使用。试验表明：一个b r 或c 1 可以破坏l o 万个臭氧分子。从而使臭氧浓度降低， 破坏臭氧层。专家估计：臭氧层中臭氧浓度减少l ，会使地面增加2 的紫外辐射量，可导致皮肤癌的发 病率增加2 - 5 。因此将保护臭氧层已经成为了目前人们刻不容缓的一个使命。 g w p 值：温室效应潜能值g w p 是“g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ”的英文缩写。用于表示和比较各类温 室气体对全球气侯变暖影响能力的大小。其以c 0 2 为基准，其它的温室气体的g w p 值按其导致全球变能 的能力比c 0 2 大或小的分数值表示。 a l t 值：大气存留时间a l t 是“a t m o s p h e r i cl i f e t i m e ”的英文缩写，其表示有机物在大气中的存在寿 命，一股以年为单位。 通常情况下，评定一种灭火剂对大气破坏的环境指标有三项： 对臭氧层( 0 3 ) 不破坏，即臭氡耗损潜能值( o d p ) 为零。 不产生温室效应或温室效应不明显，即全球温室效应值( g w p ) 为零或很小。 合成物在大气中的存活寿命要短，即在大气中的存留时问( a l t ) 越小越好。 从表1 1 可知，哈龙1 3 0 1 的三个环境特性指标值皆高，对大气环境都有不良影响，这正是其被淘汰 的主要原因之一。c c h 和七氟丙烷对臭氧层不破坏，但在大气中存活寿命较长，同时，大量的c 0 2 和七氟 丙烷进入大气层后，对全球温室效应会有较大影响，美、英等国已将其列入受控使用计划之列，不宜作长 期替代物考虑。而气溶胶在释放过程中需要经过燃烧反应，产生的高温会造成一定的危害，同时会产生悬 浮于空气中的粉尘，且残留的微粒尘中含有的金属氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐，在遇到水分时呈弱碱性， 对特定的设备也可造成一定的损害。至于烟烙尽，不存在温室效应，对臭氧层不破坏，更不会产生具有长 久大气寿命的化学物质，是一种真正意义上的“零污染”。但该系统储存、工作压力高，要求保护区要围封， 对灭火药剂的气体配比、储气瓶、管路、阀门、喷嘴、储瓶闻以及周围环境，温度的要求严格，系统的设 各制造及安装工艺相对复杂，投资成本高。 细水雾灭火系统采用水作为灭火剂，绿色环保、经济、高效，综合性能优良，值得研究，推广 4 第1 章绪论 1 2 船用细水雾灭火技术的发展 1 2 。1 船舶消防需求叫 船舶自诞生就被比喻为“可移动的海上城市”。形象地概括了它具有综合性生活和生产功能的这特 性。从船舶消防的安全来看，船舶在海上的推进移动，船上乘客和船员生活、照明以及船舶操纵所用电力 的产生，均需要通过燃料燃烧制成的热能来转化，因而船上设有专门储存燃料的燃料舱。客船上客房、文 化娱乐场所，健身中心等设施一应齐全，餐饮、洗染、熨烫、通讯、通风供暖服务种类繁多，这一切意味 着客船上拥有大量装饰材料、软垫家具、床上用品、帷幕窗帘、电线电缆等各种固体可燃物。而对于货船 来说，其所载运的固态、液态、气态货物中，很多是可燃物，如棉花、木材、石油、液化气等( 货物中有 的在一定条件下还会发生自燃) 。因此通常船上会拥有大量的可燃物。另外，船上还有许多可产生明火的 机电设备，如柴油机、锅炉、焚烧炉、厨房炉灶、电热炊具及配送电装置，这些都是火灾隐患。同时，船 舶通常要进行较长时间的海上连续航行，随时可能遭遇到恶劣气象条件和海况侵袭，难以得到外界救助， 一旦船上发生火灾，必须依靠其自身能力，包括人员和设施，予以控制和扑灭。就单一结构物来说，船舶 的火灾隐患远远大于陆上建筑物。 由于船舶的结构特点：同时拥有机器处所、服务处所、生活起居处所、控制站；布置特点；空间有限： 环境条件和使用特点：长期处于振动、颠簸状态，航行于水上，空气湿度较大，特别是海上航行的船舶， 将长期经受着空气中盐雾的腐蚀；获救条件：远离陆地，消防救援困难，船舶消防系统必须立足于自救等， 因而船舶的消防较陆地设施更严峻，船舶的消防要求比陆地设施更高。 根据我国港航公安消防监督机构关于船舶火灾统计资料，从1 9 4 9 年至1 9 9 9 年的五十年闻，发生在我 国内河及沿海水域( 包括岸际) 的1 0 0 总吨以上船舶的火灾事故计3 2 5 起。而1 9 7 0 年至1 9 9 9 年的三十年 中，船舶的火灾事故就有3 1 0 起，造成1 3 9 人死亡，1 9 5 人受伤。沉没船舶8 艘，船、货全损的船舶计l l 艘。3 0 年间船舶火灾造成的直接经济损失总计达3 4 4 1 8 5 9 万元，这其中7 0 、8 0 、9 0 年代船舶火灾造成的 直接经济损失分别为：3 8 3 0 5 万元、1 0 0 7 8 5 1 万元和2 0 5 0 9 5 8 万元，如下表所示。 表1 2 船舶火灾统计表 直接经济损失船舶沉没船货全损 年代划分火灾起数死亡人数受伤人数 ( 万元) ( 艘)( 艘) 7 0 年代 5 53 8 3 0 53 24 713 8 0 年代 8 81 0 0 7 8 5 14 47 2l4 9 0 年代 1 6 72 0 5 0 9 5 86 37 664 小计 3 1 03 4 4 1 8 5 91 3 91 9 581 l 伴随着船舶火灾事故发生，往往还会引发燃油、货油、有毒有害物质的泄漏和船舶沉没，由此所造成 的水域环境污染、航道堵塞，以及其后的清污作业，环境治理恢复，救助打捞所需之巨额费用和人命伤亡 带来的巨大社会影响则更是难以估计。船舶火灾危害的严重性和船舶消防安全工作的重要性已引起社会和 有关领导的高度关注。 2 0 0 0 年至2 0 0 4 年问的船舶火灾事故统计表明，内河船舶的火灾事故率有大幅增加，标志火灾危害严 重性的人员伤亡指标大幅度上升，客轮火灾比重呈上升趋势，仅渤海湾五年中就发生了7 次客滚船失火事 件 此外，随着我国国民经济持续稳定增长，能源运输量以每年2 - 3 千万吨增幅增长，据2 0 0 4 年初统计， 我国2 0 0 3 年进口石油量达7 0 0 0 万吨，估计2 0 0 4 年将达l 亿万吨。随着石油运量增长，油船需要逐年增 长，预计到2 0 0 5 年我国将拥有油船7 0 0 万吨，其中3 0 万吨级油船和1 5 万吨油船均将超过l o 艘。到2 0 1 0 年我国拥有的油船吨位将上升至1 5 0 0 万吨。这些发展在带给我们先进生产力的同时，对船舶消防安全也 提出了新的高严要求，任何一点疏忽都可能造成灾难性事故同时，我国化学品、危险品货物运输及液化 5 东南大学工程硕士学位论文 天然气和液化石油气运输量也有可观的增长，而我国目前从事这类运输业务的船舶特点是，内河运输船舶 多，中小型船舶多，老旧船舶多，事故隐患及事故可能造成的严重危害也不可忽视。 综上所述，船舶火灾形势依然严峻，必须大力发展船舶消防技术。8 0 年代，国际海事组织( 埘0 ) 强 制规定在载客能力超过5 人的客船上安装自动喷水灭火系统，但自动喷水灭火系统会在重量上、空间上和 稳定性方面给客船造成负面影响。瑞典、挪威和芬兰等国进行了细水雾灭火系统的开发，针对客船机舱、 客舱和公共空间进行了火灾试验。 1 2 2 细水雾灭火技术发展概况 根据历史研究，可将水灭火技术分为四个阶段。 消防栓：在古代最常见的火灾是固体火灾即a 类火灾，可燃物主要为木材等，人们采用的灭火方 法就是用容器盛水“浇灭”它，包括目前使用的消防栓，这是最基本的灭火方法。 自动水喷淋灭火系统：随着大量建筑物的出现，在安装消防栓的防火设备的同时，为了更加减少 人们的生命财产损失，缩短发现火灾时间并自动喷水灭火，发明了自动水喷淋灭火系统，喷淋系 统的设计、安装都有明确的规范。由于与建筑物设计防火规范相结合，因此喷淋系统的设计规定 相对来讲是比较宽泛的，设计参数也比较统一。灭火采用的方式只是局部灭火，灭火机理主要是 冷却。 水喷雾灭火系统：随着工业技术的发展，水与其他灭火剂( 泡沫、气体等) 系统的竞争中，落在了 后面，这不仅仅是由于水灭火后会产生水的损失，更因为在人们常识里，水市不可能扑灭电器火、 油类火，自动水喷淋灭火系统也不例外。但是水的廉价和方便等优点又引起了人们的关注。直到 水喷雾灭火系统的出现，改变了人们的看法，将水雾化成 i t 4 , 的水滴，可以安全地扑灭电器和油 类火灾，现在在各个领域的应用也越来越广泛。水喷雾灭火系统的设计规范更加突出了区分不同 保护对象的特点，电缆火灾、变压器火灾和不同闪点油类火灾的喷雾强度有明显区别，灭火采用 的方式只是局部应用，水喷雾灭火主要的机理是冷却和窒息。 细水雾灭火系统：水喷雾灭火系统用水量很大，我国( 水喷雾灭火系统设计规范) g b 5 0 2 1 9 - 9 5 规 定除油浸电力变压器集油坑外其他保护对象最小的灭火喷雾强度为1 3 l ( m i n m 2 ) ，一般情况系 统工作在3 0 m i n 左右。在扑灭火灾的同时也有很大的水渍损失。随着哈龙替代的需求产生了细水 雾灭火系统，其灭火方式为局部应用和全淹没灭火方式，采用的主要灭火机理为窒息和吸热，用 水量比水喷雾少很多。 细水雾灭火技术的应用始于二十世纪四十年代，随着科学技术的进步、人们防灭火观念的转变，特别 是发现卤代烷灭火荆对大气臭氧层有破坏作用以及一九八七年蒙特利尔议定书签署之后，细水雾灭火技术 作为哈龙主要替代技术之一得到各界的关注和青睐。细水雾灭火技术在二十世纪九十年代得到飞跃性地发 展。 1 9 9 3 年，美国工程界和科研部门、细水雾系统的制造商，保险公司、行政管理部门和工业用户代表， 组成了美国消防联合会细水雾灭火系统技术委员会，该委员会开始编制用于规范细水雾技术的n f p a 标准， 并作为设计和安装的依据。1 9 9 6 年，在美国的马萨诸塞州波士顿市每年5 月的年会上，细水雾灭火系统技 术委员会提交了细水雾灭火系统标准，并获得美国消防联合会的批准。并于同年7 月1 8 日颁布，8 月9 日 开始实施。7 月2 6 日，9 6 版n f p a 7 5 0 被批准为美国国家规范。这是世界上第一本细水雾灭火系统的设计 安装规范，而且是一本性能化的规范。它的出现进一步推动了细水雾灭火技术的深入研究。 许多发达国家( 主要是欧美国家) 在经历了多年的理论性试验探索以及应用性研究后，相继开发出多种 类型的细水雾灭火系统。日本、韩国等国家也在该项技术上做了大量的研究工作，并有相关工程应用。 为了保障船舶安全，将灾难造成的生命和财产损失降到最低，国际海事组织发展了海上人命安全公 约，即s o l a s 公约，该公约已经成为全世界国际航海领域共同遵守的圭臬。 公约对船舶的消防安全提出了明确的要求，列于公约的第二部分；对船舶的建造要求，命名为第1 i - 2 章。自1 9 1 4 年诞生至2 0 0 4 年，它不断得到发展，有过五个版本，即1 9 1 4 公约、1 9 2 9 公约、1 9 4 8 公约、 1 9 6 0 公约和目前依据执行的1 9 7 4 公约 6 第1 章绪论 7 4s o l a s 公约2 0 0 0 修正案第一2 章中规定：从2 0 0 2 年7 月1 日起，5 0 0 吨及以上的客船和2 0 0 0 吨及以上的货船，容积超过5 0 0 m 的a 类机器处所均应设置细水雾灭火系统( 固定式局部水基灭火系统) ； 另外，2 0 0 2 年7 月1 日前制造的2 0 0 0 吨及以上的客船必须不迟于2 0 0 5 年1 0 月1 日前设置细水雾灭火系 统( 固定式局部水基灭火系统) 。从标准上对细水雾灭火系统在船舶领域的使用进行了规定。 此后国际海事组织( i m o ) 海事安全委员会m s c 9 8 ( 7 3 ) 决议通过的国际消防安全系统规则( f s s 规则) 进一步强调这一规定从2 0 0 2 年7 月1 日起成为强制性要求。我国政府在交通部第 2 0 0 2 1 3 2 8 文件中 要求执行此规定。 1 2 3 细水雾灭火技术研究现状 2 0 世纪9 0 年代芬兰、美国、加拿大等国家开发了细水雾灭火系统。国外船用细水雾灭火系统生产商 较多，如美国的安格斯( a n g u s ) 公司、芬兰h i f 0 6 公司，德国的f o g t e c 公司以及日本的y a i i a t 0p r o t e c c o r p o r a t i o n 等公司。在我国。船用细水雾的研究与开发处于起步阶段，南京消防器材股份有限公司的中 压细水雾灭火系统率先通过c c s 中国船级杜的认可，已经开始在船舶领域推广应用。 国f 目研究现状：细水雾消防技术9 0 年代末被列为国家“九五”科技攻关项目，也是国家自然科学基 金资助项目、中国科学院知识创新工程项目、国家重点基础发展( 9 7 3 项目) 。中国科学技术大学火灾科学 重点实验室、浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，公安部天津消防科学研究所、上海消防科学研究 所、南京消防器材股份有限公司均有效开展了细水雾灭火技术的研究。随着政府对消防重视，及细水雾灭 火技术作为哈龙主要替代技术之一认可，国内细水雾灭火技术( 包括细水雾喷头) 的研究最近发展迅猛， 已到了工程应用阶段。目前尚未制定相关的国家标准，但在北京，浙江、江苏、湖北、广州等省已有相关 的地方设计、施工、验收规范。 在船舶上应用的细水雾系统( 包括喷头) 必须要通过c c s 中国船级社认证，由于有一定的难度，目前 国内通过认证的企业较少，且通过认证的为低压、中压细水雾。因此对船用细水雾灭火系统特别是高压系 统用喷头的研究就显得极为迫切。 根据资料收集、整理，目前已经有细水雾陆用产品的国内外企业、研究所具体如下： 国外 美国c h e m e t r o n 、a q u a m i s t ! 圆细水雾灭火系统 芬兰m a r i o f f 公司h i f o g 细水雾灭火系统 澳大利亚p h i r c x 公司研制出f o g e x 细水雾灭火系统 挪威的m i s t e x 、a u t r o n i c a 细水雾灭火系统 德国的f o g t e c 、a f t 细水雾灭火系统； 瑞典的u l t r a f o g a b 公司细水雾灭火系统 英国的s c o t c hm i s t 、a q u a - m i s t 细水雾灭火系统 奥地利的a q u a s y s 细水雾灭火系统 西班牙的l p g 细水雾灭火系统 日本的y a g a t 0p r o t e cc o r p o r a t i o n 细水雾灭火系统 韩国也对细水雾技术做了大量的研究工作，并有相关工程应用。 国内 中国科学技术大学火灾科学重点实验室 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 公安部天津消防科学研究所 公安部上海消防科学研究所 国内少数几家企业( 南消、万安达、上海金盾、首安) 7 东南大学工程硕士学位论文 第二章细水雾基础知识 2 1 细水雾基本定义和概念【1 2 1 2 1 1 细水雾基本定义 细水雾；在喷头最小设计压力下，以距喷头1 m 处的平面上，测得水雾最粗部位的雾滴直径1 ) v o 9 9 不 超过i o o o i lm 。 体积中位数直径i ) v o 5 0 ：一种以喷雾液滴的体积来表示液滴大小的方法。当依照体积测量时，即表 示喷雾液滴总体积中，5 0 是由直径大于中位数值的液滴，另5 0 是由直径小于该数值的液滴组成的。一 般细水雾灭火系统，中位数直径d v o m 不应大于3 0 0 i im 。 体积9 9 直径d v o 9 9 ；一种以喷雾液滴的体积来表示液滴大小的方法。当依照体积测量时，即表示 喷雾液滴总体积中，1 是由直径大于该数值的液滴，另9 9 是由直径小于该数值的液滴组成的。一般情 况下细水雾是指雾滴直径d v n ”4 0 0 微米 细水雾喷头：被设计成含有一个或多个孔口，产生并排放细水雾的一种特殊用途的装置。按细水雾产 生原理可分为撞击式、离心式；按外观可分为开式、闭式。细水雾喷头是细水雾灭火系统中的关键部件， 是系统中的末端产品，水通过它的雾化，把细水雾送入火场，实施灭火。 细水雾系统：连接供水部件或同时供水及雾化介质的部件，并且配备一个或多个喷头，能够喷放细水 雾来控火、抑火、或灭火的配水系统 2 1 2 细水雾雾滴分类( 或分级) 按照喷射水雾中水微粒的大小分布，细水雾可分为三类。 i 类细水雾： 累积酉分容积分布曲线全部位于连接d v o - = i 0 0 微米和d v 一- 2 0 0 微米连线的左边，这代 表了最精细的水雾。目前大多数生产厂商生产的是i 类细水雾喷头。 类细水雾：是累积百分容积分布曲线的一部分，位于i 类喷雾界限以外，但全部在连接d 札- - - 2 0 0 微米和i ) v 。9 = 4 0 0 微米连线的左边。这类细水雾可以通过压力喷射喷头，双相流喷头及许多冲击式喷头产生， 由于有较大水滴出现，相对于i 类细水雾，类细水雾更容易产生较大的流量。 类细水雾：d v n 。大于4 0 0 微米，或者曲线任何部分超过i i 类分界线的右边( 但d v o 。小于1 0 0 0 微米) ， 这种细水雾主要由中压，小孔口喷头，各种冲击式喷头产生的，并且它们可以得到较大流量。这类细水雾 适于a 类易燃物，且在某些特定环境下，也可用来控制或扑灭b 类火灾。 一般情况下，细水雾 - 2 鑫 墨 水滴直径( m ) 图2 - 1 细水雾雾滴分类 s 第2 章细水雾基础知识 2 1 3 细水雾灭火机理 燃烧的条件：燃烧必须同时具备三个条件：可燃物、助燃物，点火源。每一个条件要有一定的 量，相互作用，燃烧才能发生。 凡是能与氧 或其他氧化 剂起燃烧化 学反应的物 质称为可燃 物。可燃烧物 质大多是含 碳和氢的化 合物，某些金 属如镁、铝、 钙等在某些 条件下也可 以燃烧，还有 许多物质如 肼、臭氧等在 高温下可以 通过自己的 分解而放出 光和热。 凡能帮助和维持燃烧的物质，均称为助燃物， 常见的助燃物是空气和氧气以及化学危险物 品分类中的氧化剂类物质 可燃物 助燃物 点火源 是指供给 可燃物与 氧或助燃 物发生燃 烧反应的 能量来 源。常见 的是热 能，其它 还有化学 能、电能、 机械能等 转变的热 能。 图2 - 2 燃烧三要素 细水雾灭火系统对保护对象可实施灭火、抑制火、降温、降尘的多种方式的保护，其灭火机理 可归纳如下： 高效吸热 由于细水雾的雾滴宣径很小，在火场中能完全蒸发，故其吸热率高，冷却效果强。 下表及图可看出随着水滴粒径的减小，其表面积增大的情况。 表2 1 各种雾滴直径、数量、总表面积对比 水滴类型水滴直径p m水滴数量总表蕊积 普通水滴 4 0 0 01l 洒水喷头洒水2 0 0 08 4 水喷雾5 0 05 1 2 6 4 细水雾5 05 1 2 0 0 0 6 4 0 0 9 东南大学工程硕士学位论文 细水雾喷头水滴标准洒水喷头水滴 图2 - 3 水滴对比图 窒息作用 细水雾喷入火场后，迅速蒸发形成蒸汽，体积急剧膨胀，排除空气，在燃烧物周围形成一道屏 障阻挡新鲜空气的吸入当氧气周围的氧气浓度降低到一定水平时，火焰将被窒息、熄灭。 阻隔辐射热作用 细水雾喷入火场后，蒸发形成的蒸汽迅速将燃烧物、火焰和烟羽笼罩，对火焰的辐射热具有极 佳的阻隔能力，能够有效抑制辐射热引燃周围其它物品，达到防止火焰蔓延的效果。 2 1 4 细水雾灭火技术优势 安全、环保：采用水为灭火剂；瓶组系统采用氮气或压缩空气为驱动气体； 高效：降温迅速，比一般喷淋系统快1 0 0 倍；仅对火源窒息灭火，不影响保护区其他地方氧浓度，对 人安全； 快速响应：可以做到无须