0 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，可燃性粉尘容易沉积，形成粉尘层。粉尘层遇到点火源(包括自然着火、高温热表面、静电火花、机械冲击和摩擦火花等)时容易着火，从而引起火灾事故，严重威胁相关行业生产安全[1-2]。因此，研发有效的可燃性粉尘自动灭火系统对减少可燃性粉尘火灾事故、保障安全生产具有重要意义。
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检测到燃烧火焰后，将信号传输给控制系统，控制系统控制干粉灭火剂喷向燃烧火焰，达到自动灭火目的。但是干粉灭火剂会造成对管道、设备及环境的污染，且可能造成设备损坏[3-5]。针对该问题，本文设计了可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统，采用高压细水雾进行自动灭火，通过测试验证了该系统响应速度快、高压细水雾生成速度快、灭火及时，可自动快速控制初期火灾，防止火灾事故扩大。
1 系统组成和结构设计
可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统由火焰传感器、控制器、单向阀、高压蓄能系统(包括高压空气瓶、减压阀、压力表、高压蓄能器)、供水系统(包括水箱、高压柱塞泵、溢流阀)、高压细水雾生成系统(包括快速电磁阀、高压细水雾喷头)、控制系统、直流电源等组成，如图1所示。
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 Structure of high-pressure water mist automatic fire extinguishing system for flammable dust environment
火焰传感器的最大监测面积为52 m2，按照高压细水雾喷头最大安装间距和最大安装高度要求，在每个火焰传感器监测范围内安装8个高压细水雾喷头。高压细水雾生成系统由6个快速电磁阀和24个高压细水雾喷头构成，每个电磁阀控制4个高压细水雾喷头。喷头额定流量为10 L/min。使用设计流量为同时开启所有喷头的总流量：6×4×10=240 L/min。
高压蓄能系统由1个15 MPa高压空气瓶、2个量程为0～20 MPa的压力表、1个减压阀和1个高压蓄能器构成。高压蓄能器下端通过管路与供水系统相连，使得高压蓄能器中的水量为60～80 L。高压蓄能器上端通过管路与高压空气瓶相连，使高压蓄能器中高压气体压力为10～12 MPa。
供水系统由1个容积为16 m3的水箱、4个高压柱塞泵(3个使用、1个备用)和1个溢流阀构成。考虑到管路系统压力损失等因素，选用额定压力为12.5 MPa、额定流量为109 L/min的高压柱塞泵，则泵组输出总流量为109×3=327 L/min，满足使用要求。4个高压柱塞泵通过管路与水箱相连，一路连到高压蓄能器，给高压蓄能器供水，连接管路上装有1个单向阀，可有效防止高压蓄能器中的水因水压过高而流入供水系统；另一路和高压蓄能系统一起连接高压细水雾生成系统，连接管路上装有2个单向阀，保证高压蓄能系统和供水系统可给高压细水雾生成系统提供高压水。
表1给出了各部分器件的具体数量及其规格参数。
2 系统工作原理
高压细水雾主要通过以下4个方面的作用来扑灭沉积可燃性粉尘燃烧火焰。
(1)高效冷却作用：高压细水雾的雾滴直径很小，比表面积小，遇火后会迅速汽化，汽化时从可燃性粉尘燃烧火焰中吸收大量热量，使燃烧火焰温度迅速降低[6-9]。
(2)窒息作用：高压细水雾遇到可燃性粉尘燃烧火焰后迅速汽化成水蒸气，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]。
表1 高压细水雾自动灭火系统部分器件的参数
Table 1 Specifications of some devices of high-pressure water mist automatic fire extinguishing system
(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。
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 Working principle of high-pressure water mist automatic fire extinguishing system for flammable dust environment
3 测试分析
可燃性沉积粉尘着火时燃烧火焰蔓延速度快，要有效防止火焰传播，要求系统能在火焰传感器检测到燃烧火焰信号后迅速生成高压细水雾，快速扑灭燃烧火焰。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。
图3 火焰传感器及控制器性能测试原理
Fig.3 Performance test principle of flame sensor and controller
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，进行火焰传感器和控制器的测试，用高速摄影装置记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。
图4 火焰传感器及控制器响应时间
Fig.4 Response time of flame sensor and controller
3.2 高压细水雾生成时间测试
高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系统的灭火性能。高压细水雾生成时间测试原理如图5所示。测试条件和过程与火焰传感器及控制器响应时间测试相同。细水雾生成时间为从火焰点亮到生成的细水雾范围稳定所花的时间。
图5 高压细水雾生成时间测试原理
Fig.5 Test principle of generation time of high-pressure water 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，在沉积可燃性粉尘着火瞬间快速产生高压细水雾，使得火焰在燃烧初期即被扑灭。
图6 高压细水雾生成时间
Fig.6 Generation time of high-pressure water 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 μm的聚甲基丙烯酸甲酯(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用高温加热装置进行加热,使粉尘着火，在PMMA粉尘层上方3 m处安装可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统。
图7 高压细水雾灭火效果测试
Fig.7 Test of fire extinguishing effect of high-pressure water mist
首先，关闭可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统，打开高温加热装置加热粉尘层使其着火，在安全距离处观察，可见粉尘层中心位置发生着火，火焰迅速向四周蔓延。然后，清理燃烧产物，再次铺满一层同样的PMMA粉尘，使可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统处于工作状态，打开高温加热装置加热粉尘层使其着火，在安全距离处观察系统的灭火效果。可见，在粉尘层着火瞬间，可燃性高压细水雾自动灭火系统迅速生成高压细水雾，成功将火焰扑灭，粉尘层只有距离中心位置0.2 m左右的区域发生了燃烧。
粉尘层燃烧实验和高压细水雾灭火实验中，从开始燃烧到火焰熄灭时的火焰传播距离(火焰前沿与中心点火位置的距离)如图8所示。由图8可看出，在未使用高压细水雾自动灭火系统的情况下，粉尘层被点燃后燃烧火焰传播速度快速上升，并迅速向前传播，火焰燃烧初期传播速度相对较慢。当采用高压细水雾自动灭火系统时，系统在着火后100 ms左右迅速生成高压细水雾作用于初期燃烧火焰，初期燃烧火焰传播速度被有效抑制。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，达到了防止燃烧火焰蔓延的目的。
图8 火焰传播距离
Fig.8 Flame propagation distance
4 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。
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