贮木场原木楞堆细水雾喷头优化布置.doc

贮木场原木楞堆细水雾喷头优化布置薛伟 李铎（东北林业大学 工程技术学院 ， 哈尔滨 150040）摘要:根据贮木场原木楞堆燃烧特性和细水雾喷头灭火特点，针对原木楞堆优化布置细水雾灭火系统中喷头的数量、安装角度、安装高度，以便最大限度提高细水雾灭火系统在贮木场的控制和灭火效果。利用单变量控制法对比细水雾喷头作用于原木楞堆的喷雾强度、有效喷雾面积、有效喷雾质量、灭火时间，研究细水雾喷头在原木楞堆的优化布置。研究结果表明，喷头数量为1/1.06m3，安装角度为0-6，安装高度为5m时的灭火效果最佳。关键词：细水雾喷头；原木楞堆；优化布置；灭火效果Study on water mist nozzles optimal placement in log piles located in timber yardXUE Wei, LI Duo(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)Abstract: According to the log piles combustion characteristic of lumberyard and the fire features of water mist nozzle, in terms of log piles, it improves the control and fire extinguishing effect of the water mist extinguishing system maximum in the lumberyard via arrangeing the number , installation-angle, the installation-height of water mist nozzle optimized . Comparing the Spray intensity, effective spray area, effective spray quality, extinguishing time of log piles which are under the water mist nozzleeffection via single variable controlled ,studying the optimal placement of water mist nozzle in the log piles . The results of the research are as follows:the extinguishing effect of the nozzle will be best when its number is 1/1.06m3,its installation-angle is 0-6,its installation-height is 5 meter.Key words: water mist nozzle; log piles; optimal placement; extinguishing effect 细水雾喷头是细水雾灭火系统中的核心部件之一，它在保护对象空间的布置直接关系着细水雾灭火系统的控制和灭火效果、人机安全性。刘俊1利用包络线法分析了细水雾喷头的作用范围，提出了细水雾喷头在燃油锅炉中的安装要求；谢克智2研究了细水雾喷头的工作压力、雾化锥角等技术参数，细化了细水雾喷头在液化气球罐的选择和布置方式；费广成3对自动喷水灭火系统喷头的布置间距进行了参数研究，发现喷头不同的布置形式直接决定了喷头与端墙的安装距离；张楠4等探讨了防护冷却水幕系统中喷头的布置，确定了冷却对象端部单排喷头的水平间距、数量；唐葆华5对电缆隧道中灭火系统的喷头进行了设计，确定了喷头的安装高度、角度。目前细水雾喷头在贮木场原木楞堆的布置研究仍处于理论研究阶段，因此自然环境下实验研究细水雾喷头在原木楞堆消防灭火系统中的优化布置对于提高林区贮木场的消防安全等级和最大程度提高细水雾灭火效果具有深远的实际意义。 本论文在原生态环境下，以贮木场原木楞堆为研究对象，对细水雾喷头工作参数进行优化分析，在保证有效喷雾量、有效喷雾面积、最佳灭火时间的前提下，确定了喷头安装数量、安装角度、安装高度的优化值，为今后细水雾灭火系统在贮木场原木楞堆的实际应用推广提供理论指导及实验依据。 基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(11553031)作者简介：薛伟（1962-），男，汉族，黑龙江绥化人，东北林业大学工程技术学院教授，博士，主要从事森林工程方面的研究工作，黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学工程楼1208室，150040，联系电话：151045341201研究环境本论文在深秋野外对贮木场中型原木楞堆进行细水雾喷头优化布置实验。实验对象为落叶松、原木直径为0.150.25m、长度3m、平均含水量1020%。实验设备主要包括细水雾喷头灭火系统、原木楞堆、测量系统、温度采集系统(镍铝热电偶)、数据分析系统。根据保护对象季节易燃性、蔓延性、集中分布等特性，实验选用高压XWT型的细水雾喷头，保护半径为180cm，雾化锥角为1200，流量系数为4.5 ，设计喷头流量为50L/min。原木楞堆宽360cm、长300cm、高140cm。在不影响贮木场日常木材生产和最大程度提高安全生产等级的基础上，实验装置示意图见图1。图1实验装置示意图(单位:cm)Figure1.Schmatic of experimental apparatus (unit: cm)2研究内容及结果分析2.1喷头数量的确定细水雾喷头的数量决定了细水雾灭火系统是否能够作用于整个原木楞堆，能否最快实现控制火灾的蔓延，进一步实现灭火的目的。细水雾喷头的流量系数、雾通量、保护半径等是由喷头自身决定的，根据GB50219-95水喷雾灭火系统设计规范，N=SW/Q,Q=K(10P),所以N=SW/ K(10P)。上式中N为细水雾喷头的数量，S为细水雾喷头的保护面积，W为喷雾强度，Q为细水雾喷头的流量，K为流量系数，P为细水雾喷头的工作压力。本实验选用的XWT型的细水雾喷头，其设计喷雾强度W=15L/minm2,流量系数K=4.5、最不利工作压力P=4Mp。 根据实验装置示意图，原木楞堆呈“品”字型紧凑分布，为规则的固体保护对象，保护面积S=300cm360cm=10.8m2。代入公式可以得到：N=SW/K(10P)=10.8154.5（104）=5.696，所以选用6个该类型的细水雾喷头即可满足实验要求。在细水雾灭火系统过程中，为了尽快形成细水雾“雾罩”达到控制和灭火的目的，在原木楞堆4个楞角分别布置1个细水雾喷头，中间布置对称2个，其中AE、BF、CD分别对喷。兼顾贮木场同一树种不同尺寸的消防灭火需求，通过计算可以得到细水雾喷头的数量要求应满足：N=1/1.06m3.2.2喷头安装角度的分析喷头的安装方向直接影响它的安装角度，细水雾喷头的安装角度直接影响着其安装高度。为了实现细水雾喷头多向喷雾功能，设置A、B、E、F喷头具有沿对角线的4个自由位，C、D具有2个水平自由位。定义安装角度为喷头与水平线的夹角，竖直向上时最大。楞堆的宽度为300cm,而喷头的水平射程为180cm,这就要求喷头在喷射时必须保证其水平射程150cm。180sin(90-)150。根据三角函数可以的得到cos5/6,所以033.56。A6点位置是细水雾喷头安装角度的极限位置，对应的安装角度为=33.56。当时，喷头在水平方向射流的距离小于原木楞堆的宽度的一半，此时即使细水雾的渗透性也无法穿透原木楞堆而作用于整个保护对象。为了能够实现细水雾灭火喷头对贮木场原木楞堆控制和灭火的目的，要求。利用面积法和称重法分析细水雾喷雾最佳安装角度。实验选取的喷头由南京消防器材厂制造，据其设计规范规和楞堆全覆盖要求取安装高度为150cm。如图1所示，在每个喷头的A3、A2、A1、A2、A3、A4、A5、A6方向分别布置同一类型的细水雾喷头，其安装角度分别为-6、-3、0、6、12、18、24、33.56，逐渐增大。在保持工作压力等因素恒定，从A3到A6方向分别进行喷雾试验，喷雾时间10s。利用测标记笔、米尺等计算细水雾喷头作用于原木楞堆上的有效喷雾面积，有效喷雾面积=端面积+侧面积：S=S0S1。在原木楞堆表面均匀紧密布置3层吸水性好的优质高级棉定性滤纸，喷雾时间为10s，喷雾结束后立即利用电子称称量滤纸重量，喷雾前后滤纸增重M代表单个细水雾喷头作用于原木楞堆上的有效喷雾质量。下表为喷头实验测量表。表1.喷头实验测量表Table1.Nozzle experimental table角度代号安装角度（）喷雾时间（s）有效喷雾面积（m2）有效喷雾质量（kg）S0 S1 SA633.56101.35 15.07 16.422.62A524101.64 15.83 17.473.18A418102.99 16.58 19.573.64A312103.46 16.96 20.424.47A26104.24 18.84 23.085.05A10104.27 17.89 22.165.18A2-3104.27 14.97 19.245.21A3-6104.27 12.69 16.965.21由原木楞堆尺寸计算可得，原木楞堆表面积S=端面积+侧面积=20.68+18.84=23.11m2。随着的减小，S0先增大后保持不变，S0max=4.27m2；S1和S先增大后减小,S1max=18.84m2,Smax=23.08m2；M一直增大。6后细水雾喷头直接作用于原木楞堆的细水雾质量为细水雾喷头喷射的60%以上，40%以下的细水雾在原木楞堆周围形成细水雾“雾罩”，细水雾“雾罩”形成范围、密度越大其控制和灭火效果越明显。综合考虑到有效喷雾面积和有效喷雾质量,选取=0-6。 综合细水雾喷头作用于贮木场原木楞堆时，在有效喷雾面积和有效喷雾质量达到最佳效果时取=0-6。2.3喷头安装高度的研究为了研究细水雾喷头安装高度的优化布置，保持喷头工作压力、安装角度等因素的恒定，在不同高度对细水雾灭火效果进行对比实验。本实验共有6个工况，分别为工况、工况、工况、工况、工况、工况，它们分别对应着喷头安装高度为：H=150cm、H=300cm、H=400cm、H=500cm、H=600cm、H=700cm ,其中所选喷头最大限制安装高度为700cm。原木楞堆的燃烧过程被分为4个阶段: 初始燃烧、蔓延燃烧、稳定燃烧、衰减熄灭。本实验的原木楞堆在外界环境和本身条件的共同影响下,在700s出现大量明火，标志着保护对象达到了稳定燃烧的阶段。所以本实验在原木楞堆稳定燃烧的第714s开始施加细水雾，此时为细水雾喷头消防灭火的最不理想阶段，每一种工况都进行一次细水雾灭火实验。根据保护对象的燃烧温度特性，实验所选的温度采集装置为K型热电偶，利用热电偶测量原木楞堆温度随着时间的变化。热电偶布置在O点，由图1可热电偶坐标为（175,200,140）。下图为喷头灭火效果图,为了方便对比观察细水雾喷头安装高度对灭火效果的影响，每隔6秒采集一次数据，而且数据处理时将工况、工况、工况、工况与工况、工况、工况的喷雾效果分别开。 图2.喷头灭火效果图（a） 图2. 喷头灭火效果图（b）Figure2. Nozzle fire-extinguishing chart(a) Nozzle fire-extinguishing chart(b)从第714s给原木楞堆施加细水雾，喷头的安装高度H不同对应的灭火效果差异性很大。工况对应的喷头安装高度最低，初始灭火速率V最大，V=37.5/s，在t=726s时，Tmin=390.7。工况喷头距离热电偶的距离最近，一部分细水雾穿透火焰通过冷却降温降低原木楞堆的温度，一部分直接作用于热电偶使其降温冷却，初期冷却效果极其显著。灭火后期火焰温度在风力的作用下连续升高，在1276s，Tmax=1092并保持不变，很显然喷头安装高度H=150cm时无法达到消防灭火的目的。工况 t=756s时，Tmin=400.1，降温原理同工况，但喷头安装高度的增加使达到Tmin的时间相对工况一延迟了47s。该工况在1018s形成了细水雾雾罩，Tmax=773.9。细水雾雾罩隔绝外界空气与燃烧空间的气体交换、形成密闭空间阻止火焰温度的热辐射，同时也减少了灰尘的释放。t=1324s时温度降为室温灭火成功，历时610s。工况也达到了消防灭火的要求，t=762s时，Tmin=426.3。在1042s形成雾罩，Tmax=829.2，历时500s灭火成功。工况在774s，Tmin=449.2，在1096s形成了细水雾雾罩，Tmax=906.3。在形成细水雾雾罩的过程中，细水雾液滴尺寸越小，细水雾颗粒的表面积相对越大，细水雾吸热降温的效果越好；细水雾吸热后体积变为原来的1700倍左右，使得细水雾雾罩形成的封闭空间里的氧含量大尺度降低，阻止了原木楞堆的继续燃烧；细水雾喷头安装高度越高，作用于原木楞堆的速度越大，细水雾穿透火焰的能力越大，有效遏制了原木楞堆的复燃；具有一定速度的大量水雾作用于原木楞堆时，有力的阻止了火焰在风的作用下的蔓延，大大降低了热辐射效应，提高了消防人员的安全消防系数。该工况在形成细水雾雾罩后60s内基本把火扑灭，灭火效果显著，灭火一共历时382s。工况、分别在804s和834s达到Tmin =580.7 、 Tmin=746.5；两工况分别在1132s和1186s形成细水雾，此时有Tmax=945.4、Tmax=958.6，原木楞堆温度较高；灭火历时分别为：646s、688s。喷头安装高度过高导致喷头形成细水雾雾罩的时间延长，导致