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水雾灭火技术研究与应用进展

刘江红，廖光轩，李培德，范伟成，陆强

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥230026 通讯应发给刘江红（电邮：ljh@ustc.edu.cn）

摘要：在过去的十年中，水雾技术在灭火方面已成为许多研究的主题。本文介绍了水雾技术的概念，并简要讨论了其与其 他灭火系统相比的灭火机理。最近对水雾的应用进行了调查：（1）机器处所，燃气轮机罩，作战车辆和易燃液体储藏室内的B级喷雾和池火；（2）住宅占用，海洋住宿和公共场所，文物建筑和图书馆的A类火灾；（3）电子设备和计算机房内的C类火灾；（4）飞机机舱和货舱内的火灾。本文着手回顾了商业厨房中K类火灾的水雾的一些新应用。还研究了使用水雾进行全船保护以及重型货车穿梭列车的防火。最后，讨论了相应测试的最新发展，以评估水雾的能力和限制。

关键词：水雾，灭火技术，应用。

由于卤素类灭火剂对大气臭氧层的不利影响，人们对诸如喷水器，，惰性气体和泡沫等替代品有很大的兴趣。但尽管付出了很多努力，但目标仍有待实现。在过去几年中，水雾技术已经发展并被认为是一种有前途的替代品，因为它可以用很少的水快速扑灭火灾，同时不会破坏环境和保护物体。通常，水雾被定义为细水滴，在最小设计压力下，距离喷嘴1米处的表面上最厚部分的液滴直径小于1000mu;m。水雾可以通过不同的方式产生，例如冲击，气动，高压和超声波[1]。水雾可以用来抑制电气火灾，它还可以在高科技和工业场所（如计算机房和飞机座舱）[2]的特殊火灾中得到广泛应用。在本文中，我们介绍了水雾技术的概念，并讨论了它的灭火机制。综述了水雾研究和应用的最新进展。

1.水雾与其他灭火系统之间的机制不同

水基灭火系统的主要灭火模式随液滴体积平均直径Dv而变化。洒水喷雾含有大部分液滴，足以穿透火焰羽流并直接冷却燃料表面。与喷淋喷雾相比，根据喷嘴设计（确定工作压力和流量），下列一种或几种灭火机制会产生细水雾[3]：

• 1. 气相冷却，或从火中提取热量；
  2. 火灾附近的氧气水平降低；
  3. 辐射热衰减；
  4. 火焰通过从雾中转移的动量拉伸。

通常，水雾系统的水流量需求比传统的喷水灭火系统低近一个数量级。该优点有助于减少由于水造成的损坏，并且还有助于降低供水不足的地方的防火成本。这一优势也推动了水雾技术的研究，这些技术适用于容纳水的空间有限的船舶和飞机等场所。对于一些易燃的液体火灾，由于燃料的飞溅和溢出而不能通过传统的喷洒喷雾器容易地控制，由于其低动量，细水雾可能是合理的替代品。此外，由于高水通量和传统喷洒器喷雾的大液滴直径导致的快速冷却可能损坏高温设备表面。通过使用细水雾可以避免这种缺点。

与气体灭火相比，水无毒，成本低。由于其高冷却能力和穿透能力，水雾可以更有效地抑制深层火灾。此外，水雾可以用于抑制机房和涡轮机罩中的火灾，其中表面火灾起着至关重要的作用。细水雾可以通过冷却效果防止表面重新点火。

2.水雾对易燃液体的危害

水雾可以用于液体灭火，例如船舶或工业设施中的机器处所，燃气涡轮机外壳，易燃液体储存室和战斗车辆。

2.1 用于保护机器处所的水雾

已经进行了广泛的测试以评估机器空间应用中水雾的能力和局限性。根据IMO的防火测试协议或在机器处所可能发生的火灾条件下评估各种水雾系统的性能。测试中研究的参数包括水雾的特性（液滴动量，雾模式，液滴尺寸分布等）， 水雾系统的类型（单或双流体系统，不同的流量，排放压力，喷嘴间距等），火灾场景（火灾类型，尺寸和位置），各种通风条件和消防添加剂[4—8]。

测试结果表明，水雾灭火系统能够熄灭机器处所 可能发生的各种暴露和屏蔽的碳氢化合物池，喷雾和 级联火灾。与气态试剂相比，使用水雾的灭火时间很长。然而，水雾迅速控制火灾并冷却隔间，使隔间中的燃烧产物（CO和）保持在低水平。在加拿大国家 研究委员会（NRC）1)进行的测试中，在水雾系统启动 后不到15秒，隔室温度降至50℃，最大CO和根据火灾大小和预燃期，测试中测得的浓度分别低于0.08％ 和3.5％。施加水雾后，隔室内的热条件和气体浓度足 以使消防员立即进入隔间。

机舱内水雾系统的灭火性能主要取决于火灾大小，阻塞程度，通风条件，舱室几何形状，水雾系统的喷 雾特性及其在舱室中的配置。相对于隔间大小的大火 比小火更容易熄灭，因为大火消耗的氧气耗尽，并且由于水雾产生的大量蒸汽正在隔室中置换氧气。随着阻塞程度的增加，到达火场的水雾量减少，并且阻挡火焰的熄灭更加困难。发动机室容积和天花板高度的增加降低了水雾在灭火中的有效性，因为难以向火灾位置输送足够浓度的细雾。由于蒸汽和热气体的泄漏以及新鲜空气的流入，水雾效果进一步受到隔室中的开口的影响。然而，与瓦斯，和气态哈龙等气态因子相比，水雾在消除通风火灾方面表现出更好的效果。更换低压细水雾系统的研究[5，6] 显示通风火灾已熄灭，但灭火时间增加了30％ 至70％。通过将门口喷嘴的数量从2增加到4，由于开 口周围的水雾密度的增加，对通风火灾的水雾效果增 加。通风对水雾性能的影响也取决于火灾的大小车厢。美国海军进行的全面测试表明，当舱内的三扇门保持打开时，小火的灭火时间略有增加，但大火没有变化。

水雾效果还取决于隔室中的喷嘴配置，例如喷嘴间距，喷嘴在天花板下方的距离以及隔室中的喷嘴水平的数量。与低压单流体和双流体系统相比，高压单流体细水雾系统在大多数火灾挑战中表现出更好的灭火能力，因为产生了大量的小动量和高动量液滴。然而，具有较高水流速和较大液滴尺寸的低压水雾系统在灭火非屏蔽池火和木质婴儿床火灾方面表现出良好的性能[6]。水雾系统的选择在很大程度上取决于雾的特性与火灾危险的匹配，以及系统的成本效益，简单性和可靠性。大多数测试结果表明，海洋应用中低压水雾系统（7times;105 Pa，下同）的性能是可以接受的。

当引入消防添加剂时，水雾的有效性得到显着改善。美国海军[7] 进行的测试表明，使用添加剂Quad-Ex，范围从12％到25％，增加了双流体细水雾系统以扑灭火灾。添加剂特别改善了低压水雾系统的性能。与仅使用海水相比，灭火时间的减少范围为85％至99％，灭火用水量大大减少。关于这些消防添加剂对全尺寸试验中水雾效果的影响的进一步研究仍在继续[8]。

目前的应用证明了水雾对机器处所的保护能力及其替代哈龙或系统的潜力。许多水雾系统已获得各种权威机构的批准，并用于船上和工业应用。

2.2用于保护涡轮机外壳的水雾

在过去的十年中，广泛研究使用水雾代替现有的哈龙或CO2 系统

涡轮机外壳已经完成。这些研究包括评估水雾对涡轮机壳体内防火的有效性，由于水雾快速冷却导致的涡轮机部件的可能损坏，以及改善涡轮机壳体中水雾性能的方法[9-11]。

对于隔间内更具挑战性的火灾在喷气发动机和燃气轮机压缩机中，使用全淹没和局部施加方法的水雾系统熄灭了润滑油和航空喷射喷火，以及位于发动机或涡轮机下方的池火。局部施用方法不如总淹没方法有效，当局部施工方法用于高压和低压细水雾系统时，熄灭时间增加。通过使用全淹没或局部施用方法增加隔室中的喷嘴数量对水雾的有效性没有显着影响。然而，测试结果表明，结合全淹没和局部施用的方法改善了水雾系统的灭火性能。

为了评估由于水雾快速冷却引起的涡轮机部件的可能损坏，检查了连续水雾排放和反复短水雾排放对涡轮机部件的影响[9,10,12]。试验结果表明，只有金属的表面温度通过水雾的冷却而显着改变，而金属较深部分的温度变化非常缓慢。通过冷却水雾产生的温度变化不会对金属产生热冲击损坏。

此外，NRC[10,11] 进行的研究表明，与连续排放相比，循环排放的使用能够改善双流体和低压细水雾系统的灭火性能。循环水雾排放意味着，在灭火过程中，水雾的排放在短时间内“开启”，接着是水排放“关闭”的短时间，并且该循环不断重复。当火灾挑战使得水雾很容易熄灭火灾（例如大型喷雾或池火，与隔室的大小相比）时，使用循环放电的灭火时间的减少并不显着。然而，即使在这些条件下，灭火所需的水量也减少了。对于更具挑战性的火灾条件，例如小火灾，屏蔽火灾或通风火灾，使用循环排放能够显着减少灭火时间和水需求，或实现连续排放无法扑灭的火灾扑灭。在某些情况下，与连续排放相比，循环放电的使用将灭火时间减少了一半，并将需水量减少了三分之二。然而，需要更多努力来研究最佳循环频率。

基于涡轮机外壳中水雾灭火系统的证明能力，挪威石油工业平台操作员和监管机构已接受水雾作为涡轮机中哈龙的替代品外壳[9]。Securiplex细水雾灭火系统已被FMRC[12] 批准用于最大80米3 的涡轮隔间，而Marioff Oy Hi-Fog系统已被批准用于长达260米的隔间3。

用于保护其他易燃液体危险的水雾。水雾也被认为是军用地面战车中的Halon l30l替代品。Bolt等人[13] 进行的研究表明，水雾可以有效地防止战车中的火灾。然而，与使用Halon 1301相比，在战斗车辆中使用水雾将大大增加代理量。这将导致对战车中的新硬件的需求。博尔特等人还表明在战斗中使用水雾的冷冻和电气传导问题必须考虑车辆。

最近，美国陆军研究实验室进行了一系列测试，以提高低温水的灭火能力。测试结果[14] 证明具有一些冷冻点抑制剂的水雾，例如60％乳酸钾和40重量％乙酸钾（KAce），显示出改善的灭火性能并允许低温储存和操作。作为水雾和添加剂溶液可能不具有显着的导电性问题。但是，水雾和添加剂会在暴露的电气设备上凝结，并可能发生短路。还需要解决由水或添加剂引起的清理问题。该领域的研究仍在继续。

为了替换现有的哈龙或 系统在易燃液体储存室中进行防火，已经评估了在易燃液体储存室中使用全淹水雾系统的可行性[15]。结果表明，测试程序中90%的测试火灾情景被评估的水雾系统熄灭。水雾系统的消防能力低于Halon 130升，但比传统洒水喷头更大。毫无疑问，水雾技术能够为易燃液体储藏室提供足够的保护，空间相对较小，几何形状有些简单。美国海军将继续研究使用水雾保护较大的易燃液体储藏室。

3 A类可燃物上的水雾

水雾系统对A级火灾的有效性已在广泛的应用中得到证实。这些应用可以在船舱和走廊，公共场所，住宅占用，遗产建筑和图书馆中找到。

（1）客船上的水雾。瑞典国家测试研究所，芬兰的Marioff Oy和挪威消防研究实验室进行了一系列测试，以评估海水舱和公共空间中水雾的使用情况。火灾情景这些测试包括模拟纵火，闪火和带开门或关门的木质婴儿床火灾。研究了不同类型喷嘴，通量密度和喷嘴位置对海水容纳空间细水雾灭火系统效率的影响[16,17]。

测试结果表明，随着水雾系统被激活，舱室内的温度迅速降低至低水平并且火势被控制或熄灭。与传统的洒水喷头相比，水雾系统可以更有效地扑灭屏蔽火灾，并为小型驾驶室提供相同或更好的防火保护。水雾系统的性能很大程度上取决于火灾位置，喷嘴位置和水分布模式。当火势远离喷嘴或被上层双层床屏蔽时，高压水雾系统在降低热释放率，总热量输出和天花板气体温度方面表现更好。然而，当火焰更接近喷嘴并且未屏蔽时，低压雾系统的表现与高压雾系统相比或略好。

包括各种配置的沙发火灾和木质婴儿床火灾的公共空间测试的测试结果表明，水雾能够控制火灾，但水雾控制和抑制火灾的效果随着车厢尺寸和天花板高度的增加而降低。必须根据火灾情况和舱室几何形状选择或设计水雾系统。

（2）住宅建筑的水雾。进行了一系列试验，研究使用水雾灭火技术保护住宅的可行性[18,19]。在测试中研究了在住宅占用中使用水雾的一些重要因素，例如水雾系统的性能限制，可靠性，成本和相应的设计

因素。评估了各种类型的水雾系统，包括商业单流体/低压系统，单流体/高压系统和双流体/低压系统。

测试结果表明，水雾系统能够以比典型住宅喷头更低的总流量提供防火保护。影响住宅占地中的水雾灭火或灭火的主要因素是落差大小分布，外壳中的雾分布以及雾渗透到燃料位置。

用于灭火的水雾的小水需求使得水雾系统适用于供水有限的住宅用途。然而，需要更多的努力来降低生产细水雾的成本，或者在低排放压力下提高水雾的熄灭性能。

（3）水雾库设置。还研究了在遗产建筑和图书馆环境中使用水雾的可能性[20-22]。在图书馆环境中的灭火期间，图书馆员不仅要求有效控制火灾，还要尽量减少对书籍的水损害。Milke和Gerschefski报道了他们对图书馆应用的水雾研究。随着水雾系统的激活，对文件的火灾损害得到控制，室温迅速降低。火灾后观察发现，火灾上方两个架子的折叠新闻纸沿着离烟道最近的边缘仅有少量变色，并且该架子上方的新闻纸没有显示出损坏的迹象。Mawhinney进一步测试了单流体原型用于固定库架的高压水雾系统。在测试过程中，测试了两种用于保护图书馆的水雾系统设计方法：一种基于“全隔室应用”的方法，其中水雾从开放式喷嘴排放到隔室的所有部分，第二种基于在“分区应用”中，隔室被分成几个区域，每个区域的喷嘴在来自检测系统的信号上被激活，该信号精确定位了火灾的位置。测试还表明，在整个隔室应用中排出的大部分水被浪费在远离火源的区域，并对材料造成水损坏。对于测试中的分区应用，有效地防止了在过道上蔓延的火灾， 并且对材料的火灾和水损害最小化。

分区应用表明，水雾能够达到或超过大多数用于档案应用的水基灭火系统的灭火性能目标。然而，与检测/逻辑元件结合的分区水雾系统增加了系统的复杂性和成本，以保护库设置。为了从分区水雾系统的原型设计转向完成设计，需要进一步的工作来简

资料编号：[3571]