氮氣滅火劑在封閉空間的作用機理及其應用的研究專業：安全技術及工程方向：消防工程摘要論文提出在建筑火災中使用氮氣滅火劑，并根據氣體滅火系統選擇的影響因素，應用模糊系統理論，建立模糊綜合評價的指標體系和評價模型，從技術和經濟兩方面分析其可行性；討論注入氮氣的不同流態和燃燒消耗作用對大型封閉火區中氧濃度變化的影響,建立氮氣注入量、氧濃度變化及注入時間的動態關系；論文分析封閉火區中可燃氣體層的形成,特性及其預防措施；初步建立了固定式和移動式氮氣滅火系統的設計，并對泄壓口的位置及固定系統的管網壓力損失計算進行了探討；論文討論地下建筑火災撲救中可能出現的問題，提出采用封閉注氮法滅火時的一些技術和措施；關鍵詞：哈龍替代物；氣體滅火；氮氣滅火劑；可行性分析；地下建筑火災ABSTRACTThisdissertationputsforwardtheapplicationofthenitrogen-extinguishingagentintheundergroundbuildingfirefighting.Thefeasibilityofnitrogenextinguishingagentisanalyzedbasedontechnicalandeconomicalindex.Itanalyzestheinfluenceofthedifferentmovingstatusoftheinjectingnitrogenandoxygen-consumingonthevariationofoxygenconcentrationinenclosurefireareas.Adynamicrelationshipamongtheamountofinjectingnitrogen,thevariationoftheoxygenconcentrationandthetimeinjectingnitrogenisestablished.Theformationandfeaturesofcombustiblegaslayerareanalyzed,andsomecontrolmeasuresarebroughtforward.Thedissertationalsodiscussestheelementarydesignmethodoffixednitrogenfire-extinguishingsystem,thelocationofpressure-decreasingorificeandthecalculatingformulationofthepipepressureloss.Somepossibleproblemsappearinginextinguishingundergroundbuildingfireandrelativetechnologiesandmeasuresarediscussed.ApplyingFuzzySystemtheory,thedissertationestablishestheassessmentindex-systemofthegasfire-extinguishingsystembasedoninvestigatingandanalyzingitsinfluencingfactors.Theexampleshowsitisreliable.KEYWORDS:HalonAlternative；GasFire-Extinguishing；NitrogenExtinguishingAgent；Feasibility-Analyzing；UndergroundBuildingFireI目錄摘要第1章緒論.11.1引言.11.2地下建筑火災特點和消防難點.21.2.1地下建筑火災特點.21.2.2消防難點.31.3氣體滅火概述.41.3.1火災類型.41.3.2有關氣體滅火的幾個基本概念.41.4國內外滅火劑研究現狀.51.4.1水添加劑的發展.51.4.2泡沫滅火劑的發展.61.4.3干粉滅火劑的發展.81.4.4氣體滅火劑.91.4.5哈龍滅火劑的發展.101.5哈龍滅火劑面臨的問題及其替代品的研究現狀.111.5.1哈龍滅火劑面臨的問題.111.5.2哈龍替代滅火劑的選擇原則.121.5.3哈龍替代滅火劑研究現狀.121.5.4常用哈龍替代滅火劑的滅火機理及其特點.131.6課題研究的意義.161.7課題的研究內容.171.8本章小結.18第2章氮氣滅火劑的可行性研究.192.1引言.192.2氮氣及其它替代滅火劑的技術特性.202.2.1滅火性能.202.2.2環境保護.222.2.3毒性.222.3氮氣和其它替代滅火劑的綜合評價.262.3.1評價的指標體系.272.3.2綜合評價指標集的建立.272.4定性參數的處理方法.282.4.1定性指標特征值和權重的處理.282.4.2集值統計法應用舉例.312.5多目標多層次的模糊綜合評價模型.312.4.1最低層相對隸屬度的計算.312.4.2第i分系統的單排序.322.4.3上一層次的排序.34II2.6氮氣與其它氣體滅火系統的綜合評價.342.7地下建筑火災中使用氮氣和其它惰性氣體特性分析.352.8結論.362.9本章小結.36第3章氮氣滅火劑在封閉空間的作用機理.373.1引言.373.2封閉火區中氧濃度變化的影響因素.373.3注入氮氣的不同流態對火區氧濃度的影響.383.3.1紊流狀態下氧氣、氮氣濃度與注入時間及流量的動態關系.383.3.2層流狀態下氧氣、氮氣濃度與注入時間及流量的動態關系.403.3.3氮氣在不同流動狀態下對氧濃度變化的影響比較.423.4燃燒耗氧作用對封閉火區中氧濃度的影響.432.2.1火區完全密封下燃燒消耗作用對氧濃度的影響.442.2.2不完全密封時消耗對空間中氧濃度的影響.452.2.3稀釋和消耗作用對氧濃度變化的綜合影響.463.5燃燒生成物對氧濃度的影響.473.6注入氮氣呈紊流流動的條件.503.7封閉空間的溫度變化.503.10.1無氮氣注入時的溫度變化.513.10.2氮氣注入時的溫度變化.533.8注入氮氣的不同流態對可燃氣體層的影響.553.8.1火區中的可燃氣體層.553.8.2層流中的可燃氣體層.573.8.3紊流中的可燃氣體層.573.9本章小結.59第4章氮氣滅火系統設計.604.1引言.604.2氮氣滅火系統的適用范圍.604.2.1適用場所.604.2.2不適應場所.604.3氮氣滅火劑用量計算.614.3.1滅火劑的設計濃度.614.3.2防護區的爆炸性.614.3.3氮氣的設計滅火濃度.624.3.4滅火劑設計用量計算.634.3.5設計系數.644.4防護區設置要求.654.4.1防護區的確定.654.4.2防護區開口.654.4.3建筑構件的耐壓性能和防護區泄壓.664.4.4建筑構件的耐火性能.68III4.5滅火系統的管網設計.684.5.1管網設計的環境溫度.684.5.2設計流量計算.694.5.3管道內徑計算.694.5.4噴咀孔口面積計算.704.5.5管網壓力損失計算.704.6移動式氮氣滅火系統設計.734.6.1制氮設備的選擇.734.6.2氮氣滅火劑用量計算.754.6.3氮氣的注入方式.754.6.4輸送管道選擇.754.7本章小結.76第5章氮氣滅火劑在地下建筑火災中的應用研究.775.1引言.775.2直接滅火時的風流紊亂現象、危害及控制.775.3.1煙流.775.3.2火災產生的風流紊亂現象.775.3.3風流紊亂現象的危害.785.3.4風流紊亂現象的控制.785.3直接滅火時的氣體監測.795.4火區封閉.805.5封閉火區內火源狀態的分析.815.5.1氣樣中被檢氣體濃度的分析判斷.815.5.2氣樣的可靠性.825.6火區啟封.825.7氮氣滅火應用實例.835.8本章小結.86第6章結論與設想.87致謝.88參考文獻.89攻讀博士期間從事的科研項目及發表的論文.錯誤!未定義書簽。第1章緒論1第1章緒論1.1引言隨著科學技術的進步及大型城市的發展，現代地下工程迅速發展，現代地下空間的利用，在本世紀60和70年代達到了空前的規模，包括平戰結合的地下居住和公共建筑、地鐵、隧道、地下商業街、節約能源型的中小型地下建筑、地下公用設施和服務設施等。在許多國家，公路和鐵路隧道是一種非常便利的運輸通道，因而世界范圍的隧道數量和建立增長都在不斷增加。截止1997年，我國的鐵路隧道總長度已有2457.89km1。隨之而來的是由于隧道設計的不合理，以及不斷增加的隧道負載，使得隧道火災的風險也不斷加大2。由于地下建筑的特殊性，其火災特點使得撲救非常困難。1985年8月19日，西安紅安公司發生一起地下建筑火災，這起火災連續燃燒了5天多。滅火的措施主要是用水，經過幾次強攻后，火勢仍然沒有得到遏制，最后使用沙袋封堵所有出入口和通風洞，采用窒息滅火，才將大火撲滅，這次火災的直接損失達38萬元。我國地下建筑火災延燒時間最長的一次有41天，這次火災造成4名救火人員死亡，80多人受傷3。1990年7月3日，四川達縣附近的梨子園鐵路隧道一列軍用油罐車爆炸燃燒，使這條鐵路大動脈停運22天。1993年6月12日，一列原油列車行至藺家川隧道發生爆炸燃燒，消防隊員奮勇撲救了15個日夜才把火災撲滅4。列車在鐵路隧道內著火成災的事故后果極為嚴重。據不完全統計，僅50年來國內外客貨車在隧道內發生的火災事故已達30多起，我國自1976年以來，在鐵路隧道內已經發生了列車事故7起（其中油罐列車火災6起），不僅燒毀車輛、運輸物資、隧道設施與線路，而且造成了百余人死亡，直接經濟損失近2000萬元，累計中斷行車時間為1800小時以上，間接經濟損失難于估計，并且造成不良的社會影響4。1988年9月，南昌市福山地下貿易中心發生大火災，直接經濟損失達148.7萬元。2003年2月韓國大邱地鐵發生火災，至少造成196人死亡，直接損失達40億韓元。這些火災的發生引起了世界各國對隧道、地鐵和地下商業街等地下建筑物火災的高度重視，紛紛成立專門的機構并投入大量的資金進行防滅火研究5-7，并規定在新建隧道、地鐵、地下商業街等地下建筑中增加消防設計，以及盡可能地在原有的地下建筑中增加消防系統8-11。我國也成立了專門的課題對隧道火災報警和消防方法進行研究12。由于絕大部分隧道都是遠離城市的山嶺隧道，而且交通部門沒有專門的消防隊伍和現代化的消防設施，因此，即使有著良好的隧道研發13和重要的預防設計措施，海底隧道火災仍然具有極大的破壞性14，15。國內的幾次隧道列車火災事故，大部分是采用封堵窒息法滅火4。火災發生初期，主要依靠自動噴淋和全淹沒式氣體滅火系統，可采用的方案較多，固定式氮氣滅火系統是其中的一種。當這些建筑火災規模進一步發展，使用直接滅火措施不能完全滅火時，就需要采用封堵窒息法滅火。水是天然的滅火劑，因而其使用范圍也最為廣泛，封堵注水滅火理所當然地成為首選。但是用水滅火也存在許多缺點：（1）水滅火可能對地下建筑造成損害；（2）在偏遠地區，水量嚴重不足，滿足不了滅火的用水需求；（3）許多類型的火災不能使用水滅火。在全淹沒式氣體滅火系統方面，隨著哈龍替代滅火滅火劑研究的進展，人們開始進一步深入研究惰性氣體滅火劑的相關性能和特性。氮中國礦業大學（北京校區）博士學位論文2氣是一種惰性氣體，具有不導電、無污染、為天然氣體等特性，是真正清潔滅火氣體，它對于撲救A、B、C和D類火災都有較好的效果。氮氣滅火劑可應用于地下建筑、地下商業街、地鐵、隧道、控制室、計算機房、圖書館、通訊設備、變電站、重點文物保護區等場所的火災。由于具有這些優點，國外對它進行了大量的研究16，17，希望它能成為一種良好的哈龍替代滅火劑，目前國外已出現了商業化的氮氣滅火系統IG100，但是氮氣的滅火濃度高，貯存壓力大，影響了它的應用和推廣，目前只在少數國家開始使用。氮氣除了可應用于固定式系統外，還可以作為移動式滅火系統應用，多年的礦井火災防治為此提供最有力的證明18-21。使用移動式氮氣滅火系統可以很好地解決用水撲救封閉火區中存在的問題。因此，采用封閉窒息滅火時，氮氣滅火劑更是有著巨大的優勢。由于礦井火災與地下建筑火災的存在許多相同的特點，對氮氣滅火劑在封閉空間中的作用機理的研究，將有助于利用在礦井地下火災撲救中行之有效的經驗和技術，使用移動式氮氣滅火系統來撲救地下建筑火災。此外，在行之有效的哈龍替代滅火劑出現之前，對固定式氮氣滅火系統的應用可行性、以及系統的設計方法進行研究，在我國氣體滅火系統的研究中具有非常現實的意義。上面提及礦井與地下建筑具有許多相同的特點，但它們究竟有哪些相同的特點呢？下面就對它們的一些共同特點和消防難點進行分析。1.2地下建筑火災特點和消防難點1.2.1地下建筑火災特點地下建筑由于其自身建筑的特點，發生火災的主要特點是：1.煙霧多，易于積聚大多數地下建筑只有很少的通道與外部進行連接，建筑的出口有限，近似于半密閉狀態，建筑物內的空氣與外部交換也少，平時通過通風或空調系統進行供風，氧的供應比較少。發生火災后，燃燒消耗大量的氧氣，降低了空間中的氧含量，但空氣中的氧含量仍可以維持物質的燃燒。在供氧不足條件下，物質燃燒不完全，產生大量煙霧；火災發生后，通風、空調系統常常因為電源切斷而失去排煙作用，地下建筑的自然通風條件比較差，自然排煙的數量少，有大量濃煙在地下空間蓄積。地下建筑散熱條件差，空間里的溫度會迅速上升，燃燒會形成火風壓，導致空間中地下建筑內的氣壓增高。