CN102306459A - 一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，包括模拟隧道、模拟救援站平台、模拟铁路列车、排烟系统、火灾监控系统、火灾扑救系统以及火灾参数测量系统。该实验系统可全面开展隧道救援站火灾位于车厢顶部、车厢内部和车厢底部时火灾发展、烟气流动、火灾监控与扑救等一系列基础理论问题和工程实际问题的研究；本发明为研究特长铁路隧道内列车火灾停靠救援站场景时，不同纵向风速条件下火灾监控、抑制技术和烟气控制技术的有效性，以及温度场、有毒有害气体浓度场、热辐射等特征参数的演化规律提供了一整套解决方案。

Description

一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及对特长铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下烟气控制、火灾监控、火灾抑制效果进行测试的模拟实验系统，可实现温度场、燃烧产物成分、火源热辐射等关键参数的测量。

背景技术

近年来，我国铁路建设发展迅速，铁路隧道的数量和长度不断增加，尤其是特长铁路隧道越来越多，一些铁路隧道的长度更是达到30km以上；另一方面，随着铁路列车行车速度、密度的加大，加之隧道的特殊结构和环境等条件，一旦列车在隧道内发生火灾，短时间内外部救援很难到达现场展开施救工作，造成人员逃生困难。为此，当前一些特长铁路隧道采取了在隧道中部设置救援站的设计和建设方法，一旦列车发生火灾短时间无法驶出隧道，则采取停靠救援站的做法，通过救援站实现人员逃生，并利用救援站的相关火灾控制设施对列车火灾进行抑制和扑救。因此，研究特长铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下的烟气控制、火灾监控、火灾抑制与扑救系统有效性对于人员及列车安全具有重要意义。

国内外对于隧道火灾已进行过一定研究。目前对隧道火灾的实验研究包括实验室内的缩尺寸模拟实验研究和实际隧道内的现场模拟实验研究。在缩尺寸实验研究方面，如1979年，Lee等人建立了13.7m、横截面积为0.27m²的小尺寸隧道火灾试验台对抑制隧道火灾烟气逆流的临界纵向送风风速进行了研究，之后Chaiken et al.(1979)、Vantelon et al.(1990)、Kwack et al.(1990)、Xue etal.(1993)和Oka et al.(1996)等相继建立了比例大小不一的小尺寸隧道火灾试验台进行了该临界送风风速的研究；Hwang&Wargo(1986)对隧道纵坡度对烟气流动的影响进行了研究；后来G..T.Atkinson&Y. Wu还对纵坡度对临界送风风速的影响进行了专门的研究，并提出了考虑隧道纵坡度的临界送风风速的预测关系式。Y.Wu&M.Z.A.Bakar通过缩尺寸模拟实验，发现隧道横截面的几何形状对临界风速存在影响，提出采用水力直径来取代临界风速预测模型中的特征长度，建立了新的临界风速预测模型；1995年，瑞典SP(Swedish NationalTesting and Research Institute)建立了长11m、宽1.08m、高1.2m的缩尺寸隧道火灾实验台，研究了通风受限条件对火灾热释放速率的影响。Hitoshi Kurioka etal.则建立了长10.2m，高0.3m，宽度为0.3m、0.6m和0.9m的缩尺寸模拟实验，对纵向风速对隧道火羽流倾角、顶棚最高烟气温度及所在位置进行了详细的研究，并提出了自己的经验关系式。法国的Vauquelin按1：20的比例建立了长10m，宽0.5m，高0.2m的缩尺寸模型实验台，对影响横向排烟效率的参数(2002)、隧道宽度对临界抑制风速的影响进行了研究(2006)。韩国的Jae SeongRoh(2008)按1：20的比例建立了长10m，高度和宽度均为0.4m的缩尺寸模拟实验台，研究了通风速率对池火燃烧速率的影响。另外，在隧道火灾的现场试验方面，主要是针对公路隧道展开的，1976年，Heselden等人就在废弃的格拉斯哥隧道内进行了5次试验，试验采用油盘作为火源。之后欧洲的EUREKA499计划(1992)在挪威的一条长2.3公里、宽6.5m、高5.5m的废弃矿道内进行了一系列的全尺寸试验；1993年在HSL、Buxton进行了9组针对性的全尺寸试验；1995年在美国Virginia的一条废弃的长850m的双车道隧道中进行的一系列的全尺寸实验；在2001年和2003年，日本和挪威的隧道火灾科学研究者开展了隧道火灾的全尺寸实验Shimizu tests和Runehamar tests；2004-2007年间，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在云南省的阳宗隧道(2790m)、大风垭口隧道(3280m)、元江1#隧道(1020m)、鹰嘴岩1#隧道(1850m)、老店子1#隧道(1240m)和凉风凹1#隧道(2950m)开展了一系列的全尺寸隧道火灾实验。

通过对已有技术的调研分析可以看出，目前对于隧道火灾的研究，均集中于火灾发生在隧道内的场景，研究无设置救援站的单一狭长通道内的火灾发展、烟气蔓延与控制，由于在特长隧道内设计救援站进行列车火灾的救援是一种新的设计思路，目前针对铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下的火灾烟气蔓延及其特征参数分布、火灾控制技术有效性的研究还几乎是空白，也还未见相关专门的实验研究系统，科学人员对此还缺乏相关的认识。因此，建立专门的实验研究系统，开展相应的实验，来研究铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下火灾发展及其控制技术有效性具有非常重要的意义。

为此，本发明设计和研制了一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，实现了可在实验室中开展特长铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下的模拟实验研究，为研究特长铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况时，不同纵向风速条件下火灾监控、抑制技术和烟气控制技术的有效性，以及温度场、有毒有害气体浓度场、热辐射等特征参数的演变规律提供了一整套解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，能够在实验室开展特长铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下烟气控制、火灾监控、火灾抑制效果研究的模拟实验系统，可实现温度场、燃烧成分、火源热辐射等关键参数的测量。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：包括模拟隧道、模拟救援站平台、模拟铁路列车、排烟系统、火灾监控系统、火灾扑救系统以及火灾参数测量系统；

所述模拟隧道采用钢框架结构，模拟隧道内壁采用双层防火板隔热；为防止热量从防火板间隙间露出，防火板采用交错布置。为满足最大限度的模拟实际特长隧道内列车发生火灾停靠救援站时的火灾情景，并考察消防系统的灭火性能：(1)模拟隧道为大断面全尺寸救援站隧道模型，其横截面尺寸同实际隧道救援站采用1∶1的比例；(2)模拟隧道两端设置大型变频轴流风机，模拟列车火灾停靠救援站时，火灾烟气热量在隧道内纵向风的作用下在整个隧道与救援站台区域的扩散特性；(3)模拟隧道地面采用耐火砖，平铺在试验间地面上；(4)在模拟隧道侧壁砌1.5m高墙裙，保护隧道模型侧壁；(5)在模拟隧道一侧壁面纵向中间位置设有高2m、宽2m的高温玻璃观察窗，可以清晰地观测隧道救援站火灾时烟气流动和火灾扑救的实时现象；

所述模拟救援站平台，为模拟铁路列车与一侧隧道壁之间的平台，列车发生火灾停靠救援站时，车门打开，人员通过救援站平台进行疏散；

所述模拟铁路列车，包括与实际铁路客运列车尺寸相一致的列车车厢构造，整体为钢框架结构，在钢框架上焊接钢板衔接，并进行密封处理，在模拟铁路列车两侧设置车门与车窗，车门与车窗为可拆卸密封耐火结构，其尺寸与实际铁路客运列车车门与车窗尺寸相同；

所述排烟系统，在隧道实验系统两端各布置一台大型变频轴流风机，通过变频器控制风机的转速来实现隧道内纵向风速的调节，试验时，两台风机布置在隧道两端入口处，纵向中心线上。试验前通过标定若干位置上的风速值，确定风机工作频率与风速的对应关系；

所述火灾监控系统，包括在隧道实验系统一端布置于隧道侧壁上方的火灾监控探测器；所述火灾监控系统连接监控室内的火灾监控系统控制单元；

所述火灾扑救系统，包括细水雾灭火系统和消防水炮灭火系统。细水雾灭火系统包括布置于模拟铁路列车两侧的细水雾喷头及与细水雾喷头相连的管道、控制阀组、水泵和水源。消防水炮系统包括在隧道实验平台一端布置于隧道侧壁上方的消防水炮；所述火灾扑救系统连接监控室内的火灾扑救系统控制单元；

所述火灾参数测量系统，包括烟气温度测量系统、烟气成分测量系统、风速测量系统和热辐射通量测量系统；

烟气温度测量系统包括布置于隧道顶部的水平方向热电偶串、隧道内多路同一垂直平面的竖向热电偶串、及与热电偶串电信号连接的烟气温度数据采集装置；

烟气成分测量系统包括布置于模拟救援站平台边缘正对火源位置用于测量火源附近救援站平台内燃烧产物成分的电化学气体成分测量探头和布置于模拟铁路列车车厢一端顶棚下方用于测量烟气层内燃烧产物成分的电化学气体成分探头，电化学气体成分测量探头通过电信号连接烟气成分数据采集装置；

风速测量系统包括布置于隧道内横截面上的风速探头及与风速探头电信号连接的风速数据采集装置；

热辐射通量测量系统包括布置于模拟救援站平台边缘正对火源位置处的热辐射通量探头，及与热辐射通量探头电信号连接的热辐射通量数据采集装置。

所述铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：按实际列车火灾停靠救援站平台这一场景的实际内部尺寸按照1∶1的比例建造，模拟隧道长36m、宽7.6m、高7.8m；模拟救援站平台，是位于模拟铁路列车与一侧隧道壁之间且高于隧道地面1m的平台；模拟铁路列车按实际列车车厢1∶1的比例建造，列车长24m，截面为一八边形，内部高度为3.5m，上部宽度为0.9m，下部宽度3.4m，在距车厢地板3.05m高的部分，车厢宽度减至2.7m；在模拟铁路列车两侧各设置了两套2m高、1m宽的车门，五套0.6m高、1m宽的钢化玻璃制封闭窗户，其尺寸与实际铁路客运列车车门与车窗尺寸相同；模拟铁路列车在实际列车的结构下做了必要的简化，省略了车顶的设备空间，并使用架高车厢的方式简化处理了车底的驱动空间；试验燃料分别置于模拟铁路列车车厢顶部、车厢内部和车厢底部，模拟火源可采用汽油类典型液体可燃物或者木垛典型标准固体可燃物；在隧道两端入口、纵向中心线上各布置一台大型变频轴流风机，风机底座距地面高5m；火灾监控探测器和消防水炮布置于模拟隧道一端侧壁上方，距隧道地面7m和6m高度处；在模拟铁路列车两侧各设有两层细水雾喷头，上层包括5个细水雾喷头，喷头水平管标高为5.5m，喷头间距2m，斜向下30°朝着模拟铁路列车车厢顶部的方向喷射；下层包括4个细水雾喷头，喷头水平管标高为0.2m，喷头间距2m，斜向上30°朝着模拟铁路列车车厢底部喷射；细水雾喷头和消防水炮的工作压力都可调节变化。

本实验系统按照1∶1尺度设计，是目前第一个专门对铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下，烟气运动、火灾监控及扑救等进行系统研究的全尺寸实验系统。可实现温度场、燃烧产物成分、火源热辐射等关键参数的测量，对于开展实验室内的科学研究、以及铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下烟气控制、火灾监控与扑救系统模拟测试都有很大的应用价值。对铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下的烟气控制、火灾监控与扑救系统设计和测试评价研究具有广阔的应用前景和重要的实际指导意义。本发明的有益技术效果体现在下述几个方面：

(1)在实验模型尺度模拟方面，本实验系统按照1∶1尺度设计，是目前第一个专门对铁路隧道内列车火灾停靠救援站情况下，烟气运动、火灾监控及扑救等进行系统研究的全尺寸实验系统，可为该场景下火灾特征参数分布及相关火灾扑救措施的有效性研究提供基础研究系统支持；

(2)在烟气蔓延模拟实验方面，实验系统可以完整地模拟真实列车车厢内、车厢顶部、车厢底部可燃物燃烧产生的烟气在隧道及救援站内的蔓延过程，并能通过多路温度、燃烧产物成分浓度测量系统，实时记录烟气蔓延过程中上述特征参数随时间的变化和空间分布情况；

(3)在火灾抑制和扑救效果方面，实验系统可真实模拟救援站平台和隧道内细水雾与消防水炮系统在不同设置方式及工作压力下对火源的抑制和扑灭效果，并通过对火源热辐射通量的测量，实时记录和客观反映上述系统对火源的抑制与扑救效果、以及对救援站平台的隔热保护效果；

(4)在实验测量系统方面，先进完备的测温系统、风速测量系统、烟气成分测量系统和热辐射通量测量系统可以对烟气流动参数和烟控效果进行全方位的观测和研究。

附图说明

图1为本发明所述铁路隧道内列车停靠救援站火灾模拟实验系统一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明所述铁路隧道内列车停靠救援站火灾模拟实验系统一种实施例的A-A(竖直)剖面示意图；

图3为本发明所述铁路隧道内列车停靠救援站火灾模拟实验系统一种实施例的B-B(横截面)剖面示意图；

图4为本发明所述铁路隧道内列车停靠救援站火灾模拟实验系统一种实施例的列车结构示意图；

图5(A)为本发明的一种实施例中细水雾喷头布置的立体图，图5(B)为本发明的一种实施例中细水雾喷头布置的平面俯视图；

图6(A)为本发明的一种实施例中温度测点布置的前视图，图6(B)为本发明的一种实施例中温度测点布置的俯视图。

图中标号：

1-模拟隧道；2-模拟铁路列车；3-模拟救援站平台；4-轴流风机；5-消防水炮；6-火灾监控探测器；7-热辐射通量探头；8-气体成分探头；9-观察窗；10-风速探头；11-车窗；12-火源；13-车门；14-细水雾喷头；15-细水雾管道；16-隧道顶棚下方水平热电偶串I；17-救援站平台内竖向热电偶串①；18-救援站平台内竖向热电偶串②；19救援站平台内竖向热电偶串③；20-救援站平台内竖向热电偶串④；21-救援站平台内竖向热电偶串⑤；22-隧道顶棚下方水平热电偶串II。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，铁路隧道救援站火灾模拟实验系统主体包括1模拟隧道、2模拟铁路列车、3模拟救援站平台、4轴流风机、5消防水炮、6火灾监控探测器及关键参数测量系统。隧道救援站长36m、宽7.6m、高7.8m，采用钢框架结构，隧道内壁采用双层防火板隔热，防火板采用交错布置；隧道地面采用耐火砖，平铺在试验间地面上；隧道一侧壁面纵向中间位置设有观察窗9，采用高温耐火玻璃，可以清楚地观察隧道救援站火灾时烟气流动和火灾扑救的实时现象；隧道侧壁砌1.5m高墙裙，保护隧道模型侧壁。两台轴流风机4布置在隧道两端入口处，纵向中心线上，风机底座距地面高5m。消防水炮5布置于隧道一端侧壁上方距隧道地面6m高度处，火灾监控探测器6在消防水泡5上方1m高度处。救援站平台边缘正对火源位置布置两个热辐射通量探头7，用于测量救援平台内火源附近热辐射通量；两探头的位置随火源位置的变化而变化，当火源位于车厢顶部时，两探头距隧道地面的高度分别为5m、4.5m，当火源位于车厢内部时，两探头距隧道地面的高度分别为4.5m、3.5m，当火源位于车厢底部时，两探头距隧道地面的高度分别为2.5m、1.5m。气体成分探头8，一个设置于救援站平台边缘正对火源位置，距隧道地面4.5m高度处，用于测量火源附近的气体成分，一个布置于铁路列车车厢一端顶棚下方0.5m处，用于测量烟气层的气体成分。热辐射通量探头7和气体成分探头8的详细布置参见图2和图3。

参见图2和图3，风速探头10布置在隧道纵向中心线上12m、18m、24m处，竖向4.5m、5.5m高度处，总共6个风速探头，通过求平均值方法确定隧道内风速。

参见图4，模拟铁路列车2，长24m，列车截面为一八边形，车厢内部高度3.5m，上部宽度0.9m，下部宽度3.4m，在距车厢地板3.05m高处，车厢减宽至2.7m。列车车厢整体为钢框架结构，在钢框架上焊接钢板衔接，并进行密封处理；在模拟铁路列车两侧各设有五套车窗11，车窗宽1m，高0.6m，使用耐火玻璃制作，用于实验观察；车厢两侧还各设有两套车门13，车门高2m、宽1m，可以90°开启和关闭。火源12可设置在模拟铁路列车车厢顶部、车厢内部和车厢底部，火源可采用汽油类典型液体可燃物或者木垛典型标准固体可燃物。

参见图5(A)-图5(B)，模拟铁路列车2两侧各设有两层细水雾喷头14，上层包括5个细水雾喷头，喷头水平管标高为5.5m，喷头间距2m，斜向下30°朝着模拟铁路列车车厢顶部的方向喷射，用于扑救列车顶部火灾和抑制列车内部火灾；下层包括4个细水雾喷头，喷头水平管标高为0.2m，喷头间距2m，斜向上30°朝着模拟铁路列车车厢底部喷射，用于扑救列车底部火灾；细水雾喷头的工作压力可调节变化。

参见图6(A)-图6(B)，在隧道顶棚下方布置水平热电偶串16及热电偶串22，距顶棚0.2m，其中热电偶串16由30个热电偶探头组成，间距1m，热电偶串20由7个热电偶探头组成，间距1m，用于测量隧道顶棚下方烟气层的温度。救援站平台内同一垂直平面内沿纵向依次布置热电偶串17、18、19、20、21，纵向间距5m，每串由6个热电偶探头组成，间距1.2m，用于测量救援站平台内的温度场分布。

Claims (9)

1.一种铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，包括模拟隧道、模拟救援站平台、模拟铁路列车、排烟系统、火灾监控系统、火灾扑救系统以及火灾参数测量系统；

所述模拟隧道，采用钢框架结构，模拟隧道内壁采用双层防火板隔热，为防止热量从防火板间隙间露出，防火板采用交错布置；

所述模拟救援站平台，为模拟铁路列车与一侧隧道壁之间的平台，列车发生火灾停靠救援站时，车门打开，人员通过救援站平台进行疏散；

所述模拟铁路列车，包括与实际铁路客运列车尺寸相一致的列车车厢构造，整体为钢框架结构，在钢框架上焊接钢板衔接，并进行密封处理，在模拟铁路列车两侧设置车门与车窗，车门与车窗为可拆卸密封耐火结构，其尺寸与实际铁路客运列车车门与车窗尺寸相同；

所述排烟系统，包括模拟隧道两端布置的两台大型变频轴流风机，通过变频器控制风机的转速来实现隧道内纵向风速的调节；

所述火灾监控系统，包括在模拟隧道一端，布置于隧道侧壁上方的火灾监控探测器；所述火灾监控系统连接监控室内的火灾监控系统控制单元；

所述火灾扑救系统，包括细水雾灭火系统和消防水炮灭火系统，细水雾灭火系统包括布置于模拟铁路列车两侧的细水雾喷头及与细水雾喷头相连的管道、控制阀组、水泵和水源；消防水炮系统包括在模拟隧道一端布置于隧道侧壁上方的消防水炮；所述火灾扑救系统连接监控室内的火灾扑救系统控制单元；

所述火灾参数测量系统，包括烟气温度测量系统、烟气成分测量系统、风速测量系统和热辐射通量测量系统；

烟气温度测量系统包括布置于隧道顶部的水平方向热电偶串、隧道内多路同一垂直平面的竖向热电偶串、及与热电偶串电信号连接的烟气温度数据采集装置；

烟气成分测量系统包括布置于模拟救援站平台边缘正对火源位置用于测量火源附近救援站平台内燃烧产物成分的电化学气体成分测量探头和布置于模拟铁路列车车厢一端隧道顶棚下方用于测量烟气层内燃烧产物成分的电化学气体成分探头，电化学气体成分测量探头通过电信号连接烟气成分数据采集装置；

风速测量系统包括布置于隧道内横截面上的风速探头，及与风速探头电信号连接的风速数据采集装置；

热辐射通量测量系统包括布置于模拟救援站平台边缘正对火源位置处的热辐射通量探头，及与热辐射通量探头电信号连接的热辐射通量数据采集装置。

2.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：所述模拟隧道为大断面全尺寸救援站隧道模型，其横截面比例同实际隧道救援站采用1∶1的比例，模拟隧道长36m、宽7.6m、高7.8m；在隧道地面采用耐火砖，平铺在试验间地面上；在隧道侧壁砌1.5m高墙裙，保护隧道模型侧壁；在一侧隧道壁纵向中间位置设有高2m、宽2m的高温玻璃观察窗。

3.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：所述模拟救援站平台，是位于模拟铁路列车与一侧隧道壁之间且高于隧道地面1m的平台。

4.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：所述模拟铁路列车按实际客运列车车厢1∶1的比例建造，列车长24m，截面为一八边形，内部高度为3.5m，上部宽度为0.9m，下部宽度3.4m，在距车厢地板3.05m高的部分，车厢宽度减至2.7m；在模拟铁路列车两侧各设置了两套2m高、1m宽的车门，五套0.6m高、1m宽的钢化玻璃制封闭窗户，其尺寸与实际铁路客运列车车门与车窗尺寸相同；模拟铁路列车省略了车顶的设备空间，使用架高车厢的方式简化处理了车底的驱动空间。

5.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：试验燃料分别置于模拟铁路列车车厢顶部、车厢内部和车厢底部，所述火源为液体可燃物或者固体可燃物。

6.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：所述排烟系统，在隧道实验系统两端各布置一台大型变频轴流风机，风机底座距隧道地面高5m。

7.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：还包括在模拟隧道一端，布置于隧道侧壁上方的火灾监控探测器，监控探头距隧道地面高度为7m。

8.根据权利要求1所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于：所述火灾扑救系统，模拟铁路列车两侧各设有两层细水雾喷头，上层包括5个细水雾喷头，喷头水平管标高为5.5m，喷头间距2m，斜向下30°朝着模拟铁路列车车厢顶部的方向喷射；下层包括4个细水雾喷头，喷头水平管标高为0.2m，喷头间距2m，斜向上30°朝着模拟铁路列车车厢底部喷射；消防水炮布置于隧道一端侧壁上方距隧道地面6m高度处；细水雾喷头和消防水炮的工作压力都能调节变化。

9.根据权利要求5所述的铁路隧道救援站火灾模拟实验系统，其特征在于，所述的液体可燃物为汽油，所述的固体可燃物为木垛。

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