出口欧洲动车组高压细水雾系统设计与验证

杨建学，王 栋，谭大伟

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

动车组火灾隐患主要分为电气类火灾和人为纵火两类。电气类火灾多由车辆电缆负载过热及电气短路、漏电等情况导致，多数发生在车上配电柜以及车下电气系统。欧洲动车组多为通勤车，具有人流大、人员拥挤的特点，铁路运营公司普遍不设置安检系统，一旦起火易引起乘客恐慌，且人员疏散极其困难。列车的内装材料、油漆、胶粘剂等非金属材料虽然满足EN 45545—2：2013《铁路应用—铁路车辆防火 第2部分：材料和部件的防火性能要求》[1]的阻燃标准，但并非不燃，一旦起火仍会产生大量的有毒气体及浓烟，造成乘客中毒和窒息。为满足列车救援要求，欧洲动车组普遍设置高压细水雾系统。

高压细水雾系统是目前欧洲轨道车辆应用最广泛的主动灭火系统，其工作原理是采用纯水作为灭火介质，以高压氮气瓶作为系统的驱动介质。发生火灾时，高压氮气瓶的瓶头阀被打开，之后氮气会进入水瓶之内，将水瓶内的水压出并流入高压细水雾管道内，然后通过高压细水雾喷头雾化形成细水雾对车厢内的火灾实施扑灭、控温。

1 高压细水雾系统的优点

(1) 自重轻。目前所有轨道车辆对自身系统的减重要求十分苛刻，高压细水雾系统可最大程度节省水的用量。

(2) 满足轨道车辆的长编需求。高压细水雾系统使用一套瓶组系统即可满足对整列车的保护，极大减少了系统部件，优化了系统结构，减轻了系统自重，降低了系统成本。

(3) 对车上的电气设备影响小。高压细水雾颗粒直径小，细水雾本身对电气设备的影响非常小，降低了水基灭火介质对车辆零部件可靠性的影响。

(4) 可有效控制液体类火灾。由于欧洲动车组多数为长途运行，且没有安检措施，有乘客携带危险品如酒精、汽油等易燃易爆物品上车的可能性，一旦起火，高压细水雾因其独有的特性可直接作用在火源处，起到降温的效果，能迅速控制火灾，而其他类型的灭火方式无法有效控制火灾。

2 出口欧洲动车组用高压细水雾系统平台设计

2.1 系统构架

欧洲轨道车辆高压细水雾技术规范ARGE Guideline-Part1，Part2，Part3[2-4]规定，当车辆发生火灾时，高压细水雾系统仅需在着火部位进行喷洒，因此细水雾通常由分区阀控制对单节车辆进行喷洒。由于动车组普遍设置了烟感探测器，高压细水雾系统可配合烟感探测器进行火灾探测及扑灭联动。系统拓扑结构如图1所示。

图1 高压细水雾系统拓扑结构

2.2 细水雾系统喷头布置

出口欧洲动车组高压细水雾设计满足ARGE Guideline-Part2 的要求，即要求客室内细水雾不间断连续喷洒10 min。德国FOGTEC公司在2014年9月按照ARGE Guideline-Part2 所执行的实体火灾试验，其系统架构及试验结果如图2、表1所示。此项实体火灾试验经第三方机构评估后确定满足ARGE Guideline-Part2中对于灭火系统的灭火能力试验验证的要求。

图2 FOGTEC实体火灾试验系统架构

参考该试验采用的设计理念，乘客区域采用流量系数为0.232的喷头(即在10 MPa的工作压力下，喷头每分钟喷水量为2.32 L)，且2个喷头的间距约为3 m(但不大于3.6 m)时，可满足ARGE Guideline-Part2的要求。根据设计经验，单节车厢长25 m左右的动车组布置8个左右细水雾喷头即可覆盖全车，实际喷头布置数量可根据车辆实际情况在满足原则的基础上进行调整。

表1 实体火灾试验结果

2.3 高压细水雾瓶组的水量配置计算及仿真

采用流量系数为0.232的喷头，则8个喷头在10 MPa工作压力下10 min的喷水量W约为：W=10×2.32 L×8=185.6 L,取180 L；在实际配比过程中，根据运用经验氮气和水的比例约为1∶3时喷水量及雾型较好，初始压力取2倍于喷头的工作压力即20 MPa。因此，在高压细水雾瓶组的装水量为180 L、初始压力为20 MPa的条件下，对喷洒10 min后的剩余水量和剩余压力进行仿真[5-7]，结果如表2、图3所示。

表2 每分钟的剩余水量及压力仿真结果

图3 高压细水雾剩余压力和剩余水量仿真曲线

通过仿真可知，装满180 L水量的水瓶喷放结束后，残留在水瓶内的水约为8.54 L，剩余压力约为5.190 MPa，考虑水管压降约1～1.5 MPa，则实际喷头处的剩余压力约为4.19～3.69 MPa，满足NFPA 750：2019 《细水雾消防系统标准》[6]中规定的高压细水雾剩余压力不低于3.5 MPa要求。仿真结果表明，180 L的水量完全可以满足8个喷头的设计需要，剩余的8.54 L水作为实际喷水误差，满足ARGE指令对于灭火系统喷水的要求。

2.4 高压细水雾瓶组系统1∶1喷放验证试验

为了验证仿真计算的准确性进行了实物模拟试验。试验条件：3个60 L水瓶, 2个30 L 氮气瓶， 8个流量系数为0.232 的喷头，配合采用直径12 mm、壁厚1.5 mm的高压细水雾不锈钢管道。高压细水雾瓶组单元及试验模型冷喷试验现场如图4、图5所示。

图4 高压细水雾瓶组单元

图5 高压细水雾1∶1模型冷喷试验现场

2个压力传感器分别设置在管道内和水瓶外，以监测系统喷放过程中压力降低的全过程。在整个喷放过程中的压降曲线如图6所示。

图6 高压细水雾模拟喷放试验压降曲线

由于安装空间受限，压力传感器无法直接安装在氮气瓶内，测试过程中将压力传感器安装在水瓶外，故测试压力较实际压力偏低。实物模拟试验结果显示，600 s(10 min)时刻喷头压力为4 MPa,与仿真结果一致，能满足NFPA750：2019对于高压细水雾工作压力的要求，因此该系统设计上可以满足ARGE Guideline-Part2 的要求，平台设计合理。

3 结束语

高压细水雾主动灭火系统是在车辆防火材料外对防火安全的改善和补充[8-10]。本文搭建的出口欧洲动车组高压细水雾系统的平台，可为后续出口欧州动车组高压细水雾系统的设计提供依据。