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    物流仓库自动喷水灭火技术研究及发展趋势

      信息来源:   发布时间:2021-06-17  点击数:

    1 物流仓库火灾形势分析

    近年来,随着物流行业的飞速发展,与之而来的火灾起数也随之增多,物流仓库具有可燃物多、起火原因复杂以及灭火救援难度大等特点。据统计,2020年1-10月,全国共接报火灾19.6万起,亡857人,同比分别下降8%和23%,但物流仓库场所发生火灾共3 842起,约占火灾总起数的2%。

    根据《中国消防年鉴》统计,2012-2017年间,我国每年发生仓库火灾约5 000~9 000起,占火灾总起数的2%~5%;直接经济损失为4亿元~10亿元,约占总经济损失的15%~20%。对于仓库场所,如果不能及时、有效地对初期火灾进行控制,则会加剧后期的灭火救援难度。因此,对于物流仓库火灾,应重点加强初期火灾的有效防护,以减小后期灭火救援的难度。

    2 物流仓库自动喷水灭火系统研究进展

    相对于民用建筑和工业厂房,仓库自动喷水灭火系统的应用研究较为复杂,除了与火灾危险等级有关,还与顶板高度、储存高度、储存方式、货架类型等相关。因此,合理设计自动喷水灭火系统,对于确保初期火灾的有效防控及减少财产损失和水渍损失,具有十分重大的意义。

    2.1 自动喷水灭火系统设置场所的对比

    不同国家和地区的防火规范中均有仓库场所应设置自动喷水灭火系统的规定,见表1。以丙类仓库为例,GB50016-2014(2018年版)《建筑设计防火规范》中规定了一定占地或建筑规模的仓库应设置自动喷水灭火系统,相较于其他国家以火灾荷载密度或储存高度进行划分,我国规范的规定更为直观,操作性更强。而美国NFPA 5000的规定则更为严格。FMDS8-9甚至规定,仓库内只要有可燃物,无论是储存物品自身还是承托物品的托盘,仓库均应设置自动喷水灭火系统。

    表1 不同国家仓库自动喷水灭火系统的设置要求对比     下载原表

    表1 不同国家仓库自动喷水灭火系统的设置要求对比

    2.2 自动喷水灭火系统应用研究

    2.2.1 中国

    相较于国外研究机构,我国对于仓库自动喷水灭火系统的应用研究起步较晚,“九五”时期,我国开展了地下与大空间建筑火灾自动喷水灭火系统高新技术(ESFR系统)的研究,研制了国内第一个ESFR喷头。“十一五”时期,我国利用国家科技支撑计划课题的资助,以全尺寸火灾试验为基础,开展了不同净空高度和储存高度的自动喷水灭火系统实体灭火试验研究,研究了自动喷水灭火系统对典型高架仓库初期火灾的控灭火性能,以及喷头类型、安装方式、工作压力等对系统的影响,确定了不同火灾危险等级仓库适用的自动喷水灭火系统设计要求。

    基于上述研究成果,GB 50084-2017《自动喷水灭火系统设计规范》在修订中,完善并细化了仓库场所自动喷水灭火系统的设计内容,并根据仓库建筑的设防需求及自动喷水灭火系统的功能目标,分别规定了仓库采用标准喷头、早期抑制快速响应喷头、特殊应用喷头的设计基本要求,规定在不设置货架内喷头的情况下,自动喷水灭火系统的最大安装高度为13.5 m,最大储物高度为12.0 m;当超过上述高度时应设货架内置喷头,设置货架内喷头的高架仓库,系统最大安装高度不受限制。同时,规范还按照系统的设计步骤重新调整了仓库自动喷水灭火系统的设计内容,并进一步细化了货架内喷头的技术要求,使仓库自动喷水灭火系统设计程序更加合理、科学。

    2.2.2 美国

    美国对于仓库场所自动喷水灭火系统的应用研究较为深入,一些研究机构如FM Global每年投入巨资开展自动喷水灭火系统全尺寸火灾试验研究。近年来先后开展了智能自动喷水灭火系统的设计与评估、货架仓库的全尺寸火灾试验以及消防水炮的性能试验等研究项目,进一步评估自动喷水灭火系统的控火性能。与此同时,FM Global不断地完善其系列数据册(FMDS-8系列),除对火灾危险等级进行较为系统的分类外,还根据保护对象的不同,分别制定相应的技术标准,比如针对地毯仓库、卷纸仓库、冷库、织物仓库、煤及木炭仓库等的数据册。

    美国消防协会标准中以NFPA 13为例,除对系统自身的规定外,还规定了建筑结构、类型、梁、桁架等对系统的影响,并且分别规定了湿式、干式、预作用、泡沫系统等不同类型的设置要求。

    与此同时,NFPA 13也在不断修改完善,如最新一版的NFPA 13-2019中,对仓库场所的设置规定共分为6章,分别规定了仓库的基本要求、基于强度/面积法的设计要求(CMDA喷头)、基于开放喷头数/工作压力的设计要求(CMSA喷头)、ESFR喷头设计要求、货架内喷头设计要求以及替代措施等。

    在自动喷水灭火系统的设计参数选择方面,随着仓库净空高度的提高,仅在顶板层设置喷头需投入更大的水量,甚至仅靠顶板层喷头无法达到控火目的,仅在顶板层设置喷头对系统用水量的影响,如图1所示。以仓库危险级Ⅱ级场所为例,当净空高度由9.0 m提高至14.5 m时,高度提升60%,要达到理想的控火效果,系统用水量则由828 gpm(3 134 L/min)提高至1 987 gpm(7 520 L/min),系统用水量提升140%。

    图1 仅在顶板层设置喷头对系统用水量的影响

    图1 仅在顶板层设置喷头对系统用水量的影响   


    货架内喷头在弥补顶板层喷头无法及时、有效控火方面具有明显的优势,根据NFPA 13的规定,其可与顶板层设置的CMDA喷头、CMSA喷头和ESFR喷头组合使用。实际上,货架内喷头的设置除与净空高度和储物高度有关外,还取决于顶板层喷头的选型及货架内部是否有实层隔板等。我国《自动喷水灭火系统设计规范》仅规定货架内喷头采用K-80和K-115喷头,NFPA 13则依据仓库的布置形式、储物高度等,规定货架内喷头的类型从K-80~K-360不等,甚至还可采用K-360EC喷头和ESFR喷头。UL曾经以储存无包装发泡塑料的仓库为对象,在顶板高度为12.0 m,储物高度为10.5 m的情况下开展了一组试验。试验中,顶板层选用K-242ESFR喷头,工作压力为0.20 MPa,在距地面6.0 m高度处设置一层下垂型K-360EC喷头,工作压力为0.20 MPa,喷头上方为实层隔板(图2)。本次试验共开放了3只喷头,其中货架内喷头2个(49,52 s),顶板层1个(1 min 2 s),达到了较好的抑火效果,顶板层钢结构最高温度仅为102℃。

    图2 试验情况

    图2 试验情况   


    将ESFR喷头用作货架内喷头,是NFPA 13-2019的又一新变化。NFPA 13规定,当货架内喷头采用ESFR喷头时,可以把ESFR喷头所在的高度作为“虚拟高度”进行水平分隔,顶板层喷头的保护高度可以从货架内ESFR喷头所在的高度作为“0高度”进行确定,ESFR喷头用作货架内喷头如图3所示。

    图3 ESFR喷头用作货架内喷头示意图

    图3 ESFR喷头用作货架内喷头示意图 


    2.2.3 欧盟

    EN 12845《固定式灭火系统—自动喷水灭火系统—设计、安装与维护》较为系统地规定了仓库场所自动喷水灭火系统的设计要求,从储物火灾危险类别的划分到水力计算,从不同结构下的喷头布置到采用不同类型喷头时的设计要求均给出了明确的条文规定,EN 12845介于NFPA 13和FMDS之间,如其参照NFPA 13的要求,分别规定了仓库采用CMSA喷头、ESFR喷头的设计要求。但在火灾危险类别的划分方面,又按照FMDS8-1的规定,分别细化了储物的材料系数、包装材质、托盘类型等。

    3 国内外自动喷水灭火技术研究趋势

    3.1 超大流量喷头和超高货架自动喷水灭火技术研究

    火灾危险等级的增加、保护高度的提高,进一步催生了喷头超“大流量、快响应”技术发展,但是,安装高度提高一小步,就需要更大口径的洒水喷头进行补偿。我国标准中规定的ESFR喷头最大流量系数为K-363,最大安装高度为13.5 m。当超过上述高度时,需设置货架内喷头。

    FM Global根据研究成果,提出了最大安装高度为16.8 m时的系统设计要求,如FMDS8-9规定,当最大安装高度为15.2 m、最大储物高度为13.7 m时,可采用仅在顶板层设置K-404喷头保护,喷头工作压力为0.30MPa,作用面积内开放的喷头数为10只;当最大安装高度不为16.8 m、最大储物高度为15.2 m时,可采用仅在顶板层设置K-480喷头保护,喷头工作压力为0.40 MPa,作用面积内开放的喷头数为9只。

    应急管理部天津消防研究所曾开展过K-404ESFR喷头试验研究,试验中喷头最大安装高度为14.6 m,最大储物高度为13.1 m,最小工作压力为0.25 MPa。试验结果表明,仅开放1只喷头即能有效控火,顶板处的温度很快下降至室温,并未再继续升高,效果十分理想。

    3.2 智能自动喷水灭火技术研究

    智能自动喷水灭火技术(SMART)相对于传统自动喷水灭火系统,该技术集“火灾探测技术+火灾定位技术+定向喷水技术”于一体,能够结合实时监测和判断响应技术后进行定点启动喷水。因此,与传统自动喷水灭火系统相比,智能自动喷水灭火技术实现早期探测,灭火也更有针对性。FM Global分别在3层、5层和7层货架仓库下开展了传统自动喷水与智能自动喷水灭火技术的对比试验,结果表明,与传统自动喷水灭火技术相比,采用智能自动喷水灭火技术的喷水强度仅为传统自动喷水灭火系统的50%~56%,自动喷水灭火系统对比试验如图4所示。

    图4 自动喷水灭火系统对比试验

    图4 自动喷水灭火系统对比试验  


    3.3 模块化自动喷水灭火技术研究

    模块化技术是专门针对货架储存的仓库应运而生的新技术。所谓“模块化”,并非将货架实体分隔成若干个区域,而是采用一种特殊的系统设置方式将货架“虚拟”分隔,这种“化整为零”的方式将仓库分隔成若干个单元,当发生火灾时,仅需将火势限制在该单元内,则货架的长度、高度不受限制(图5),与设置实层水平隔板的货架相比,这种仓库布置能更加便捷地利用空间,并大幅提高运行效率。当然,模块化自动喷水灭火技术还要结合保护对象特性、储存物品的火灾危险等级以及选取的喷头类型等。

    图5 模块化系统试验研究

    图5 模块化系统试验研究   


    4 总结及展望

    综合目前国内外的研究现状及研究成果,并结合国内外仓库的发展趋势、储存类型以及自动喷水灭火系统应用中的实际问题,笔者认为,尚需在以下方面对物流仓库自动喷水灭火技术开展专项研究:

    (1)开展新型物流仓库自动灭火技术应用研究。近年来,我国出现了一些阁楼式仓库、精细化仓库、自动化立体仓库等,这些仓储方式对于自动喷水灭火系统的设置带来严峻挑战,如何合理设置系统是当今工程界面临的一项技术难题。

    (2)开展特殊保护对象自动灭火技术应用研究。仓库内的储存物品种类复杂繁多,一些仓库除储存丙类可燃固体外,还储存丙类可燃液体,如纸箱、金属箱盛装的机油、润滑油等,如何确保此类场所自动喷水灭火系统的功效,也是亟待解决的一项研究任务。

    (3)开展湿式自动喷水灭火系统替代技术研究。常规湿式自动喷水灭火系统已无法满足冷链仓库、低温地区仓库的设防需求,国外部分标准中已专门建立了防冻系统的应用技术要求,我国尚需进一步开展适用于此类场所的新型自动灭火技术的应用研究。

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