可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol .45 No.10 Oct .2019 |经验交流 文章编号1671-251X2019 10-0086-05 DOI10. 13272/j. issn . 1671 -251x. 2019010059 可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统 孟祥豹1,王俊峰1,张延松1,刘博1 1.山东科技大学 矿业与安全工程学院％山东 青岛266590； 2.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东青岛 266590 摘要针对干粉灭火剂会造成污染、清洗困难、可能造成设备损坏等问题，设计了一种可燃性粉尘环境用 高压细水雾自动灭火系统。火焰传感器检测到可燃性粉尘燃烧火焰信号后，高压蓄能系统第一时间产生高 压水并迅速形成高压细水雾，然后供水系统快速增压到工作压力，接替高压蓄能系统继续提供高压水并持续 生成高压细水雾。测试结果表明，可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统响应速度快，火焰传感器和控 制器的平均响应时间分别为4 ms和12 ms；高压细水雾生成速度快，平均生成时间为96 ms,最长生成时间 为100 ms；灭火及时有效，在高压细水雾作用于燃烧火焰1 s后，燃烧火焰基本被扑灭，燃烧火焰传播至距中 心点火位置0.2 m左右停止了传播扩散，验证了该系统能够有效避免可燃性粉尘燃烧火焰的蔓延，防止可 燃性粉尘火灾事故 关键词自动灭火；高压细水雾；可燃性粉尘；高压蓄能 中图分类号TD753. 2 文献标志码A Hig h-pr essur ewa t er mist a ut oma t icf ir eext in g uishin g sy st emf or f l a mma bl edust en v ir on men t MENG Xia n g ba o12 , WANG Jun f en g1 , ZHANG Ya n son g12 , LIU Bo1 1. Col l eg e of Min in g a n d Sa f et y En g in eer in g , Sha n don g Un iv er sit y of Scien ce a n d Techn ol og y , Qin g da o 266590, Chin a; 2. St a t e Key La bor a t or y of Min in g Disa st er Pr ev en t ion a n d Con t r ol Co-f oun dedby Sha n don g Pr ov in cea n dt he Min ist r y of Scien ce a n d Techn ol og y , Sha n don g Un iv er sit y of Scien cea n dTechn ol og y ,Qin g da o266590,Chin a AbstractIn v iew of pr obl ems t ha t dr y powder f ir e ext in g uishin g a g en t wil ca use pol ut ion , di ficul t cl ea n in g a n d equipmen t da ma g e,a hig h-pr essur e wa t er mist a ut oma t icf ir e ext in g uishin g sy st em f or f l a mma bl edust en v ir on men t wa sdesig n ed.Hig h-pr essur een er g y st or a g esy st em g en er a t eshig h-pr essur e wa t er immedia t el y a n dr a pidl y f or mshig h-pr essur e wa t er mist a f t er f l a mesen sor det ect sf l a mesig n a l of f l a mma bl edust comb ust ion ,a n dt hen wa t er suppl y sy st em is quick l y pr essur ized t o wor k in g pr essur e, r epl a ceshig h-pr essur een er g y st or a g esy st emt opr ov idehig h-pr essur ewa t er a n dcon t in uet og en er a t ehig h- pr essur ewa t er mist .Thet est r esul t sshowt ha t t hehig h-pr essur ewa t er mist a ut oma t icf ir eext in g uishin g sy st emf or f l a mma bl edust en v ir on men t ha sf a st r espon sespeed,a v er a g er espon set imeof f l a mesen sor a n d con t r ol l er is 4 ms a n d 12 ms r espect iv el y ; hig h-pr essur e wa t er mist g en er a t ion is f a st a n d a v er a g e g en er a t ion t ime is 96 ms, t he l on g est g en er a t ion t ime is 100 ms; t he f ir e ext in g uishin g is ef f ect iv e a n d 收稿日期收稿日期2019-01-15；修回日期修回日期 2019-09-12；责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目基金项目“十三五”国家重点研发计划项目016YFC08017002017YFC0805200。 作者简介作者简介孟祥豹1980 ,男山东邹城人，讲师，博士研究生，研究方向为气体粉尘爆炸,E-ma il mxb0538126. com。 引用格式引用格式孟祥豹，王俊峰,张延松，等可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统,-工矿自动化，2019,451086-90. MENG Xia n g ba o, WANG Jun f en g, ZHANG Ya n son g, et a l . Hig h-pr essur e wa t er mist a ut oma t ic f ir e ext in g uishin g sy st em f or f l a mma bl e dust en v ir on men t, In dust r y a n d Min e Aut oma t ion ,2019,4510 86-90. 2019年第10期 孟祥豹等可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统 ・87・ t imel y , a f t er t he hig h-pr essur e wa t er mist a ct s on combust ion f l a me f or 1 s, t he combust ion f l a me is ba sica l l y ext in g uished, a n d t he pr opa g a t ion a n d dif f usion of combust ion f l a me st ops when pr opa g a t es t o a bout 0.2 m f r om t he cen t er ig n it ion posit ion . It is v er if ied t ha t t he sy st em ca n ef f ect iv el y a v oid spr ea d of f l a mma bl e dust combust ion f l a me a n d pr ev en t f l a mma bl e dust f ir e a cciden t s. Key words a ut oma t ic f ir e ext in g uishin g; hig h pr essur e wa t er mist ; f 1 a mma bl e dust ; hig h pr essur e en er g y st or a g e 0引言引言 可燃性粉尘普遍存在于冶金、化工、煤炭等行业 的工作场所。在生产过程中％ 尘 积， 成粉尘层。粉尘层遇到点火源（包括自然着火、高 温热 、静电火花、机 击和摩擦火花等）时容 火，从而 火 故，严重威胁相关行业生产 安全「宀。 ，研发 尘自动灭火系 少可燃性粉尘火 故、保障安全生产具有 重 。 目前，工业可燃性粉尘灭火主要采用自动喷粉 灭火技术，其原理是当火焰传感器 烧火焰 ，将信号 制 ，控制 制干 火 剂喷向燃烧火焰， 动灭火目的。但是干粉灭 火剂 成对管道、设备及 ，且可能造成 损坏「注。 该 ，本文设计 尘 压细水雾自动灭火 ，采 压细水雾 进行自动灭火，通过测试验证了该 响 度快、 压细水雾生成速度快、灭火及时，可自动 制 初期火灾，防止火 故扩大。 1系统组成和结构设计系统组成和结构设计 尘 压细 雾 动 火 火焰传感器、控制器、单向阀、高压蓄能系统（包括高 压空 、减压阀、压力表、高压蓄能器）、供水系统 （包括 、高压 泵、 ）、高压细水雾生成 系统（包括快速电磁阀、高压细水雾喷头）、控制系 等组成，如图1所示。 压力表 0〜20 MPa 快速 电磁阀； 火焰 水 書能器 ）高压传感器 细水雾Q-； 溢流阀十 高压」 柱塞泵； （用3备1）； I剧幵下单向阀 Ft v v t ； d 水箱 供水系统L_ 控制系统 喷头 高压 细水雾Q■- ）喷头火焰 ） 传感器 --二 S 图1可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统结构 Fig . 1 St r uct ur e o f hig h-pr essur e wa t er mist a ut oma t ic f i r e ext in g uishin g sy st em f or f l a mma bl e dust en v ir on men t 火焰传感器的最大监测面积为52 m2，按照高 压细水雾 最大安装间距和最大安装高度 ■， 在每个火 器 范围内安装8 压细水雾 。高压细水雾生成 6 磁阀和 24 压细 雾 成 ， 每 磁 制 4 压细水雾 。 额定 为10 L/min。 J 设计 为 开启所 总流量6 X 4 X10 240L/ min 。 压 能 1 15 MPa 压空 2 程为 0 〜20 MPa 压力 1 压 和 1 压蓄能器构成。高压蓄能器 过管 供 ； 统相连， 压蓄能器中 为60〜80L。高 压 能器 过 管 压 空 相 ， 压 能器中 压 压力 为 10〜12 MPa。 供 1 积为16 m3的水箱、4个高 压 泵（3 1 ）和1 成。 考虑到管 压力损失等因素，选用额定压力为 12.5 MPa .额 定 为 109 L/ min 压 泵 ， 则泵组输出总流量为109 X 3 327 L/min ,满足使 。4 压 泵通过管 相连，一 压蓄能器，给高压蓄能器供水，连接管路上 1 单向 ， 防 止 压 能 器 中 压过高而 供 ；另一路和高压蓄能 一 压 细 雾 生 成 管 2个单向阀，保证高压蓄能 和供 压细水雾生成 供高压水。 1 部分器件的具体数量及其规格 。 2 系统工作原理系统工作原理 高压细水雾主要通过以下4个方面的作用来扑 积 尘 烧 火 。 （1 作用高压细水雾的雾滴直径很 积小，遇火 迅 ， 从 尘燃烧火焰中吸收大量热量，使燃烧火 度 迅速降低「6切。 （2）窒息作用高压细水雾遇到可燃性粉尘燃 烧火焰后迅 成 ，体积可迅速膨胀 1 700〜5 800倍，极大地降低了周围空气中的氧气 含量，达到窒息灭火目的「10「11-。 ・88・ 工矿自动化 45 表1高压细水雾自动灭火系统部分器件的参数 Ta b l e1 Specif ica t ion sof somedev icesof hig h-pr essur ewa t er mist a ut oma t icf ir eext in g uishin g sy st em 名称参数型号数量 火焰传感器 响应时间5 ms；感光灵敏度5 m远处1烛火焰； GHZ53 监视范围20圆锥夹角；本安防爆 控制器响应时间15 ms；本安防爆ZYBGK1 直流电源在供电系统异常情况下，保证2 h正常供电；本安防爆KDY127/10B1 高压细水雾喷头 流量10 L/min；工作压力10 MPa；最大安装间距3 m； XSWT1. 0/10 24 最大安装高度3 m；喷洒滞后时间1 ms；成雾时间1 ms 高压蓄能器公称压力20 MPa；有效容积100 LNXQ1001 快速电磁阀响应时间1 ms；本安防爆ZCF51 20B166 高压柱塞泵含30 k W电动机额定压力12. 5 MPa；额定流量109 L/min3ZHP604 水箱积 16m31 3 阻隔辐射热作用可燃性粉尘燃烧火焰周 围汽化形成的大量水蒸气极大阻隔了燃烧火焰的辐 射热，能够有效防止火焰蔓延[12-14]- 4 浸湿沉积可燃性粉尘作用高压细水雾能 够将沉积的可燃性粉尘浸湿，有效防止火焰的 蔓延「15-- 可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统工 作原理如图2所示。正常情况下，传感器、控制器、 高压蓄能系统处于工作状态，供水系统处于不工作 状态，快速电磁阀处于关闭状态。当系统作用范围 内出现燃烧火焰时，火焰传感器接收到燃烧火焰信 号后将其输入控制器，控制器对信号进行判别，确认 火焰信号后控制快速电磁阀打开；高压蓄能系统在 第一时间为细水雾系统提供高压水，快速形成高压 细水雾；同时,供水系统接收到控制器开启信号后， 也会快速增压到工作压力，接替高压蓄能系统继续 提供高压水，生成的高压细水雾迅速将燃烧火焰扑 灭，达到自动灭火目的。 |高压再能系统| |心 H火焰淘藝W控甲器lT快速*磁阀H高压细水穆生成系统I T供*系统I 图2可燃性粉尘环境用高压细水雾自动 灭火系统工作原理 Fig 2 Wor k in g pr in cipl eof hig h-pr essur ewa t er mist a ut oma t icf ir eext in g uishin g sy st emf or f l a mma b l edust en v ir on men t 3测试分析测试分析 可燃性沉积粉尘着火时燃烧火焰蔓延速度快， 防 止火 ， 能 火 器 烧 火 信号 迅 生 成 压 细 雾 ， 扑 灭燃烧火焰。因此，分别对火焰传感器及控制器响 应时间、高压细水雾生成时间、可燃性粉尘高压细水 雾灭火效果进行测试。 3. 1 火焰传感器及控制器响应时间测试 火焰传感器和控制器的响应时间对高压细水雾 的生成速度有重要影响。火焰传感器及控制器性能 测试原理如图3所示。测试时，要保证除测试火焰 触发源外，火焰传感器四周无其他火焰。在距离火 焰传感器探头5 m远处放置火焰触发源，火焰传感 器分别连接数字示波器和控制器，控制器连接数字 示波器，数字示波器可检测到火焰传感器和控制器 的信号。 I火巒专攣器kI数显计时器I 丨通道1h数字示波器i|車嚳| 丽 通道2 f 图3火焰传感器及控制器性能测试原理 Fig . 3 Per f or ma n ce t est pr in cipl e of f l a me sen sor a n dcon t r oler 首先，调节火焰触发源产生的火焰大小，观察数 字示波器，使火焰刚好能触发火焰传感器。然后，进 行 火 器和 制 器 试， 影 置 录火焰点亮过程及数显计时器和数字示波器的变 化。火焰传感器的响应时间为从火焰点亮到数字示 波器检测到火焰传感器输出信号所花的时间。控制 器的响应时间为从数字示波器检测到火焰传感器输 出信号到数字示波器检测到控制器输出信号所花的 时间。上述时间均通过数显计时器显示的时间来 计算。 分别对火焰传感器与控制器响应时间进行 10次测试，结果如图4所示。从图4可看出，火焰 传感器的平均响应时间为4 ms,每次测试结果都在 5 ms以内；控制器的平均响应时间为12 ms,并且每 次测试结果均未超过15 ms,符合系统要求。 2019年第10期孟祥豹等可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统・89・ 6 4 2 0 8 6 6 4 2 0 8 6 s m F fe s m F fe ▲▲ ▲▲ ▲▲ ■火焰传感器 ▲控制器 ▲▲ 2 2 0 123456789 10 实验次数 图4火焰传感器及控制器响应时间 Fig 4 Respon set imeof f l a mesen sor a n dcon t r oler 3. 2 高压细水雾生成时间测试 压细水雾的生成时间决定了可燃性粉尘环境 用高压细水雾自动灭火 火性能。高压细水 雾生成时间测试原 图5所示。测试条件和过程 火 器及控制器响 间测试相同。细水雾 生成时间为从火焰点亮到生成的细水雾范 定所 花 间。 I火焰华感器xri I数显计时器I __■_______ _______.[mi I高压蓄能系统11高压细水雾喷头11摄影| I V ---------1 T供*系统I 图5高压细水雾生成时间测试原理 Fig 5 Test pr in cipl eof g en er a t ion t imeof hig h-pr essur ewa t er mist 对高压细水雾生成时间进行10次测试，结果如 图6所示。从图6可知，高压细水雾生成时间较稳 定，平均生成时间为96 ms,最长生成时间为 100 ms。因此，该系统能够在100 ms内生成高压细 水雾，在沉积 尘着火瞬间 产生高压细 雾,使得火 烧初期 扑灭。 r r 0 0 L L 0000 S U I R S U I R 一 fe L L 5 59 9 L L 9090 850 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实验次数 图6高压细水雾生成时间 Fig 6 Gen er a t ion t imeof hig h-pr essur ewa t er mist 3. 3 可燃性粉尘高压细水雾灭火效果测试 采用粒径为30 m的聚甲基丙烯酸甲酉旨 （PMMA）粉尘测试高压细水雾灭火效果。在半径 为1.5 m的铁盘中均匀铺满一层约5 mm厚的经干 燥处理的PMMA粉尘（图7），在粉尘层底部中心位 置 热装置进行加热, 尘着火，在 PMMA粉尘层上方3 m处安 尘 i用 压细 雾 动 火 。 图 7 压细 雾 火 果 试 Fig 7 Test of f ir eext in g uishin g efect of hig h-pr essur ewa t er mist 首先， 尘环境用高压细水雾自动 灭火 ，打开高温加热装置加热粉尘 火, 在安全距离处观察， 尘层中心位置发生着火, 火焰迅速向四周 。然后， 烧产物，再次铺 满一层同样的PMMA粉尘， 尘 i用 压细水雾自动灭火 于工作状态，打开 I 热装置加热粉尘 火，在安全距离处观察 火效果。 ，在粉尘 火瞬间，可燃性 压细 雾 动 火 迅 生 成 压 细 雾 成 功将火焰扑灭，粉尘 距离中心位置0.2 m左 右的区域发生 烧。 尘 烧实验和高压细水雾灭火实验中，从 开始燃烧到火 火 距离（火焰前沿 与中心点火位置的距离）如图8所示。由图8可看 未 压细水雾自动灭火 情况下，粉 尘层被点 烧火 度 ，并迅速 向前 ，火 烧初期 度相 慢。当采 压 细 雾 动 火 火 100 ms左右迅速生成高压细水雾作用于初期燃烧 火焰，初期燃烧火 度 抑制。 压 细水雾作用于燃烧火焰1 s后，燃烧火 本被扑 灭，燃烧火焰传播至距中心点火位置0. 2 m左右停 止 扩散， 防止燃烧火焰蔓延的目的。 图8火焰传播距离 Fig .8 Fl a mepr opa g a t ion dist a n ce 90 工矿自动化 45 4结论结论 1 火焰传感器的平均响应时间为4 ms,控制 器的平均响应时间为12 ms。 2 高压细水雾生成时间较稳定，平均生成时 间为96 ms,最长生成时间为100 ms。 3 在高压细水雾作用于燃烧火焰1s后，燃烧 火焰基本被扑灭，燃烧火焰传播至距中心点火位置 0.2 m左右停止了传播扩散，验证了该系统能够有 效避免沉积可燃性粉尘燃烧火焰的蔓延，有效防止 可燃性粉尘火灾事故。 参考文献References [1 -赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M-北京北京理工大 学出版社，1996. [2-杜志明.高温热表面上沉积的可燃性粉尘自热着火研 究[J-兵工安全技术2000125-28. DU Zhimin g . Exper imen t a l st udy on t her ma l ig n it ion of combust ibl e dust dl eposit ed on a hot sur f a ce[J-. Bin g g on g An qua n Jishu,20001 25-28. [3-崔崔来超.基于可燃粉尘火灾的防火措施探索[J-化学 工程与装备，20152199201. [4 -郝伟可燃粉尘火灾爆炸事故的预防及消防措施[J-. 安全、健康和环境，2009,95810. HAO Wei8Pr ev en t ion of f l a mma bl e dust f ir e a n d expl osion a cciden t sa n dt heir f ir ef ig ht in g mea sur es [J-. Sa f et y Hea l t h g En v ir on men t ,2009,95 8-10. [5-李露.高压细水雾灭火系统在档案馆中的应用[J-给 2016，42495-98. [6-林彬细水雾灭火系统在汽车涂装车间喷漆室的应用 研究[D-合肥中国科学技术大学2015. [7 -杨琦,潘京生.高压细水雾灭火系统技术给水排 2003 299 49-528 上接第85页 REN Zihui， QU Hu， WANG Cui， et a l . Resea r ch on f a ul t dia g n osis met hod of bea r in g ba sed on compl emen t a r y en sembl e l oca l mea n decomposit ion [J-.Jour n a l of Zhen g zhou Un iv er sit yEn g in eer in g Scien ce 2018，39362-66. [12- HUANG N E， DAUBECHIES I， HOU T Y. Ada pt iv eda t a a n a l y sis t heor y a n da ppl ica t ion s[J-. Phil osophica l Tr a n sa ct ion s of t he Roy a l Societ y A- Ma t hema t ica l Phy sica l a n d En g in eer in g Scien ces， 2016，374206520150207. [13- WU Zha ohua， HUANG N E.En semb l e empir ica l mode decomposit ion a n oise-a ssist ed da t a a n a l y sis YANG Qi， PAN Jin g shen g . Hig h pr essur e f in e a t omizer f ir e con t r ol sy st em[J-. Wa t er g Wa st ewa t er En g in eer in g 2003 299 49-52. [8-汪汪军.受限空间内高压细水雾雾灭火机理研究[D-. 淮南安徽理工大学2016. [9 - ZHOU Y，BU R，GONG J， et a l . Assessmen t of a cl ea n a n d eficien t f ir e-ext in g uishin g t echn ique con t in uousa n dcy cl in g discha r g e wa t er mist sy st em [J -8Jour n a l of Cl ea n er Pr oduct ion2018182 682-6938 [10-王超高压细水雾灭火技术在灭火中的应用科学 技术创新，20183040-41. [11- YAO B，CHOW W K. A r ev iew of wa t er mist f ir e suppr ession sy st ems [J-.Jour n a l of Appl ied Fir e Scien ce2000 10 3 277-294. [12-刘江虹，廖光煩，范维澄，等.细水雾灭火技术及其应 用火灾科学 2001,10134-3 8 LIUJia n g hon gLIAO Gua n g xua nFAN Weichen g et a l 8In t r oduct ion of wa t er mist f ir e suppr ession t echn ique[J-8Fir e Sa f et y Scien ce200110 1 34-388 [13- JENFT A COLLIN A BOULET Pet a l 8 Exper imen t a l a n d n umer ica l st udy of pool f ir e suppr ession usin g wa t er mist [J -8 Fir e Sa f et y Jour n a l2014 671-128 [14- PANCAWARDANI F，ARINID，YUNINDAR RP， et a l 8An a l y sisof wa t er mist f ir esuppr ession sy st em a ppl iedon celul osef ir e[J-8Pr ocedia En g in eer in g 2017 170344-3518 [5-成纯赞，刘治虱水喷雾灭火系统若干问题的探讨 [J-8 2002 28664-668 CHENG Chun za nLIU Zhig uo8On pr ob l emsin t he wa t er spr a y in g f ir esy st em[J-8Wa t er g Wa st ewa t er En g in eer in g 2002 28664-668 met hod [J-8Adv a n ces in Ada pt iv e Da t a An a l y sis 2011,111-41. [14- WANG Ya n xue， HE Zhen g jia， ZI Ya n y a n g . A compa r a t iv est udy on t hel oca l mea n decomposit ion a n d empir ica l mode decomposit ion a n d t heir a ppl ica t ion st o r ot a t in g ma chin er y hea l t h dia g n osis [J-8Jour n a l of Vib r a t ion a n d Acoust ics 2010 132 20210108 [15-雷亚国基于改进Hil b er t -Hua n g变换的机械故障诊 断机械工程学报，2011,4757177. LEI Ya g uo. Ma chin er y f a ul t dia g n osis ba sed on impr ov ed Hil b er t -Hua n g t r a n sf or m [J- Jour n a l of Mecha n ica l En g in eer in g 2011 47 571-77