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地铁烟气规律研究


地铁火灾烟气流动规律的研究与烟气控制
鲁昆仑 0903040121 摘要: 城市地铁作为缓解城市交通压力的有效方法在我国得到了迅速发展,但是 在地铁营运过程中, 地铁火灾的防范和应急处理成为越来越突出的重要问题。当 火灾发生后, 烟气的迅速蔓延给人员逃生带来了很大的难度,文章中通过对火灾 发生烟气的产生过程,蔓延过程的详细分析,更好的了解烟气流动规律,从而更 好的控制烟

气,削弱火灾烟气流动对人员和财产造成的危害,为人员的逃生提供 安全的途径,为消防队员扑救火灾提供方便。 关键字:地铁站台火灾 气流 喷淋 热烟

Smoke flow regularity and smoke control in subway station fire
Lu Kunlun 0903040121

Abstract: Being an effect approach for relieving city traffic pressure, the subway
is developing quickly in China. However, in the process of subway operation, how to cope with fire scenarios is becoming more and more emergency. When the fire occurred, the rapid spread of smoke to escape to the staff brought a great deal of difficulty, the article by fire smoke generation process, a detailed analysis of the spread process, a better understanding of the flue gas flow pattern, and thus more good control of flue gas, flue gas flows to reduce fire hazards and property, provide security for personnel escape way for the firefighters put out the fire with ease. Key Word: subway platform fire; air flow; sprinklers; hot smoke 1.引言 地铁是一种现代化的交通工具,由于其运量大、速度快、无污染、准时、方 便、舒适等优点,因此越来越受到人们的青睐,成为城市人口选择的主要出行方 式,并且,轨道交通对提升城市的综合地位具有重大意义。目前全世界已有 100 多座城市开通了 300 多条地铁线路,总长度超过 6000km。相对地面建筑而言, 地铁车站环境密闭、连通地面的疏散出口少,逃生路径长。发生火灾时的高温浓 烟迅速蔓延, 给人员疏散和灭火抢险带来困难,造成人员伤亡的主要原因是烟气 中毒和窒息。所以研究地铁火灾烟气流动规律与烟气控制是很有必要的。 2.地铁火灾的烟气的危害 ⑴ 发烟量大 由于地铁站位于地下,通风条件差,新鲜空气供给不足,气体 交换不充分,产生不完全燃烧反应,导致一氧化碳等有毒有害烟气的大量产生, 不仅降低了能见度,同时加大了疏散人群窒息的可能性【1】 。 ⑵ 排烟排热差 被岩石和土壤包裹的地下站体和隧道,热交换十分困难。发 生火灾时又不像地面建筑那样有 80%的烟可以通过碎玻璃的窗户扩散到大气中, 而是聚集在建筑物内,无法扩散,易使温度骤然升高,较早的出现轰然,给建筑 内的人员和救灾人员带来极大的生命威胁【1】 ⑶ 烟气的减光性 由于烟气中含有固体和液体颗粒,对光有一定的散射和吸 收作用,从而是火场的能见度大大下降,这就是烟气的减光性。而且烟气中含有 对人体有刺激性作用的气体,如二氧化硫等,使人眼流泪,不易睁开,从而进一

步影响人的视觉,降低人员撤离火场的速度【2】 。 3.地铁烟气的流动规律 3.1 烟气的产生 地铁的中烟气主要是由于发生火灾时产生的, 火灾烟气是火灾时所产生的气 体和悬浮在其中的烟粒子的总称, 烟气是燃烧和热解产物的混合物。 就总体而言, 火灾烟气又热结和燃烧所产生的气体,悬浮微粒及剩余空气三部分。 在地铁运营过程中,可能会因为各种原因导致车辆,车站的电气设备,行李 等着火引起车站站台火灾。 火灾将会产生大量烟气,这些高温烟气在热浮力的作 用下向上腾升,并很快在站台层顶板下积聚。随着燃烧时间的延长,烟气聚集于 来愈多,烟气层厚度不断加大。如果不能有效的控制,烟气将很快通过站台与站 厅间的楼梯通道向站厅扩散。 3.2 烟气的温度和速度 地铁中发生火灾时,特别是隧道发生火灾,由于出入口少,空气不流畅,导 致火灾时所产生的烟气浓度较大,毒性较强。烟气如不及时排放,热量积聚,加 之地下建筑散热缓慢,烟气温度将迅速升高,着火区的温度可达 800-1000℃, 甚至更高。远离着火点,烟气温度随之降低。 烟气扩散流动速度与烟气温度和流动方向有关。 支配烟气流动的能量主要来 自燃烧产生的热量。火灾燃烧物质发热量大,产生的烟气温度高,其容重也相对 较小,自然在空气中产生的浮力大,上升速度也快。研究表明,烟气温度越高, 延期的流动速度越快,和周围空气混合作用减弱;温度越低流动速度越慢,和周 围空气混合就会加剧。烟气流动随度还和周围环境温度,流动的阻碍,通风和空 调系统气流打干扰, 建筑物本身的烟囱效应等因素有关。不通情况下烟气流动速 度如表一所示 表一 烟气流动速度 流动类型 水平流动
垂直流动

位置和时间 火灾初期阴燃阶段 火灾初期起火阶段 火灾中期及旺盛阶段
在楼梯间内 在较高的楼梯间和竖井内

流动速度/m·s-1 0.1 0.3 0.5-0.8 3-4 最大可达 6-8

3.3 地铁火灾烟气火羽流流动和顶棚射流流动 ⑴ 火源燃烧时, 火焰上方的无火焰热烟气的腾升会吸入大量冷空气而形成火 羽流。火羽流的温度,在连续火焰区温度最高,随着高度的增加,由于吸入冷空 气的增多而温度下降。 火羽流的腾升速度随热空气的密度的增大而降低,底部热 空气密度小,升腾速度快,随着冷空气的掺入,火羽流温度降低,密度增大,升 腾速度下降,当高度足够高时,火羽流升腾到一定高度时,由于火羽流温度与环 境温度相当失去浮力,火羽流就不会上升。 火羽流究竟能升腾多高,取决于火源热释放速率(HRR) 。HRR 愈大,火羽 流升腾高度也愈高;但 HRR 愈大,也表明火源火灾荷载密度和火源面积愈大, 参与燃烧的可燃物就愈多,火灾延续时间就愈长。 ⑵ 火羽流到达顶棚后, 又升腾运动改变为水平的顶棚射流,该射流速度和温 度与火源热释放速率,顶棚高度,射流测温点与火源中心的径向距离有关。射流

的温度与火源热释放速率成正比,与顶棚高度和径向距离成反比。 Alpert 将顶棚射流区烟气流动划分为两类,一类是强羽流控制射流,另一类 是弱羽流控制射流。 强羽流控制射流火焰高度大于顶棚高度,顶棚射流流动受火 焰热作用强, 热浮升力是流动的主导力; 弱羽流控制射流火焰高度小于顶棚高度, 热浮升力对顶棚射流流动的影响随着烟气与火源距离的增加而减弱, 主导流动的 因素是动量。 火羽流流动转化为顶棚射流流动如图 1 所示

图1

火羽流流动和顶棚射流流动

3.4 地铁火灾烟气流动的分层现象 烟气流动区域模型是基于烟气的分层特点提出的。 最初是由分析房间火灾建 立的,在房间火灾中,随着火灾的发展,烟气将不断的增加。在充满整个屋顶之 后, 顶棚射流烟气受到墙壁的限制, 顶棚的冷却散热和底部冷空气的热交换作用, 将向下沉降,构成一定厚度的烟气层。 烟气流动区域模型将整个房间可划分为两个区域, 烟气层区域中的气体是高 温烟气, 它包括烟柱区和顶棚射流区。从顶棚到烟气层与清洁区的交界面的距离 称为烟层厚度,如墙体开有门或窗时,烟气层下降到墙体开口位置将穿越洞口, 形成洞口射流。清洁区域是低温气体。

图 2 烟气流动区域模型 图 A 是房间火灾烟气的实际流动情况,烟气流动区域模型将实际烟气流动 进行简化,如图 B 所示,忽略了实际烟气层厚随位置的变化,认为烟气层的厚 度在同一防烟分区相等;忽略了实际烟气层温度,压力梯度变化,认为整个烟气 层的温度,压力相等,对各层分别用集中参数法描述其对应的参数。 伴随着燃烧过程的进行,烟气产量的增加。烟气厚度将逐渐增加,而清洁层高 度逐渐减小, 烟气控制技术的核心任务之一就是控制烟气层厚度,保证一定的清 洁层高度。 4.地铁火灾烟气控制

4.1 地铁火灾烟气控制的主要目的 烟气控制技术的核心任务就是控制烟气层厚度,保证一定的清晰层高度,同 时限制烟气向相邻的防烟分区扩散,为人员逃生提供安全清晰路线,为消防灭 火救护人员提供安全清新路线。 总体而言,地铁火灾可以分为站台火灾,站厅火灾和区间隧道火灾。一般情 况下,候车和上下车的站台聚集区域乘客密度最高,而站台空间又相对狭小, 离车站的出入口距离最远,因此在站台公共区域中其疏散条件最差;站厅层乘 客密度次之,且该区域的空间相对开阔,乘客有较好的疏散条件;区域隧道空 间狭小,列车一旦发生火灾,乘客疏散困难,本课题主要研究站台火灾烟气的 防排烟控制。 表二 火灾烟气控制目的 火灾场景 控制目的 站台火灾 及时全部排除火灾烟气,同时控制楼梯扶梯口清晰,保证烟气不 扩散到站厅 站厅火灾 及时全部排除火灾烟气,同时控制出入口清晰,保证烟气不扩散 到出入口通道

区间隧道火灾 控制烟气流动方向与逃生方向相反,及时全部排除火灾烟气 4.2 站台火灾烟气主动控制模式 站台火灾烟气的主动空中模式主要是通过站台防排烟系统将火灾产生的烟 气得到有效的控制。 防排烟系统可分为排烟系统和防烟系统。排烟系统是指采用机械排烟方式 或自然通风方式,将烟气排至建筑物外,控制建筑内的有烟区域保持一定的能 见度的系统。排烟设施可分为机械排烟设施和可开启外窗的自然排烟设施。防 排烟系统是指采用机械加压送风的方式和自然通风的方式,防止烟气进入疏散 通道的系统。防烟设施可分为机械加压送风的防烟设施和开启外窗的自然通风 方式【3】 。 ⑴ 站台防排烟控制模式 本文主要是对站台活在进行模拟,站台火灾排烟模拟采用机械排烟模式, 机械排烟模式有具体可以分为负压式和混合式两种,如图 3 所示。负压式排烟 系统中,站厅送风和排烟系统全部关闭;混合式排烟系统中,站台排烟系统全 部开启,站厅送风系统全部开启送风。

图 3 站台火灾排烟模式 ⑵楼梯和扶梯口增加水喷淋,如图 4 所示

图4 喷淋方式楼梯扶梯口烟气控制示意 楼梯扶梯口处安装开始喷嘴,形成连续的水幕,如图所示,喷嘴之间距离 不大于 1830mm,喷嘴距离挡烟垂壁的距离为 150mm 到 305mm,喷淋的水量 为 0.6 L/m。 通过安装水喷淋系统,可降低烟气的温度,减少烟气的热浮升力,能更有效 地控制烟气扩散。 4.3 站台火灾烟气的被动控制模式 站台火灾烟气的被动控制的基本功能为:尽量将烟气蔓延限制在一定的区 域,以减少生命及财产损失;防止烟气蔓延至邻近区域;与主动控制系统实现 有机的互补。被动控制模式主要通过划分防烟分区来实现的。 《地铁设计规范》GB50157—2003 对地铁防烟,排烟和事故通风规定【5】 : 2 ⑴ 地下车站站台每个防烟分区面积不宜超过 750m ⑵ 站厅与站台见的楼梯口处宜设挡烟垂壁,挡烟垂壁下缘至楼梯踏步面 的垂直距离不小于 2.3m 站台防烟分区划分应根据地铁车站火灾危险性的特点进行, 不应局限于站台 面积。对于站台火灾,最危险的火灾是列车火灾,所以在站台与靠站台隧道之 间应划分不同的防烟分区,应设挡烟垂壁,站厅与站台间的楼梯口是人员逃生 必经之路,所以必须设置挡烟垂壁。如图 5,6 所示

图5

侧式站台防烟分区

图 6 岛式站台防烟分区 挡烟垂壁可以降低烟气的惯性作用,从而降低延期的流动速度,提高个排 烟口的效果,从而有效地控制烟气的蔓延。 5 总结 烟气是火灾危害的主要因素,烟气流动的自发方向是有高压流向低压,影 响烟气流动的因素包括燃烧过程本身,如热释放速率,燃烧温度等,建筑结构 特点对烟气流动也有重要的影响,如空间高度,墙体距火源的距离和洞口位置 等。地铁发生火灾后,受到站台高度限制,火羽流到达顶棚后,又升腾作用改 变为水平的顶棚射流,并出现分层现象。站台中受困人员会沿楼梯口向站厅疏 散,楼梯口可能就是喷烟口,因此对楼梯口的烟气控制非常重要。通过采取被 动和主动烟气控制方式,如防烟分区划分,如排烟,加压防烟,气流防烟,楼 梯口增加水喷淋等,能对烟气流动加以控制,从而削弱火灾烟气流动对人员和 财产造成的危害,为人员的逃生提供安全的途径,为消防队员扑救火灾提供方 便。 参考文献: 1.徐志胜,姜学鹏。 《防排烟工程》 。机械工业出版社,2011。 2.田娟荣,周孝清,郑志敏,等。屏蔽门对地铁火灾烟气的影响分析。广 州大学【13】 3.李引擎。 《建筑防火工程》 。化学工业出版社。2004 年 5 月。 4.李念慈,张明灿,王月明。 《建筑消防工程技术》 。中国建材工业出版社。 2006 年 5 月 5. 《地铁设计规范》 。GB50157—2003。中国计划出版社。 6.钟茂华,史聪灵,邓云峰。地铁浅埋岛式站台列车火灾烟气蔓延的数值 模拟。中国安全科学学报。2005 年,第 15 卷第 11 期。 7.郭光玲,戴国平等。地铁通风系统与火灾研究 北京工业大学硕士论文 2004 8.申海波,地铁火灾烟气流动规律的研究与烟气控制 河北工业大学硕士论 文,2009。

防排烟工程论文

地铁火灾烟气流动规律的研究与烟气控制

班级: 消防工程 0901 姓名: 学号: 日期: 鲁昆仑 0903040121 2011-12-13


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