1、引言

多功能水枪是一种既能喷射充实水流,又能喷射雾状水流,在喷射充实水流或喷射雾状水流的同时能喷射开花水流,并具有开启、关闭功能的水枪。该类型水枪功能配备齐全,可适用多种类型火场灭火需要,是目前我国消防救援队伍中配备广泛、排烟灭火用现代消防水枪。消防员在火场中使用多功能水枪喷射的雾状水具有排烟、降温、降低热辐射等作用,同时在灭火战斗行动中具备使用灵活、排烟量大等特点,因此在火场排烟战术中,多功能水枪得到了广泛的应用。如图1所示某消防站配备的多功能水枪,全称为导流式多功能直流喷雾水枪,参数为QLD6.0/8,额定工作压力为0.6MPa,工作压力范围为0.2～1.6MPa,额定直流流量为8L/s,射程大于等于32m。开展对多功能水枪性能的深入研究、加强对多功能水枪在火场排烟的应用分析,对于解救火场被困人员、掩护消防员内攻和提高火场排烟效率具有重要意义。

图1多功能水枪实物

2、多功能水枪火场排烟优势

2.1降低火场温度

在火场中,高温烟气会对身处火场环境中的人和建筑物产生巨大的伤害,着火房间内的温度可达数百摄氏度,高温会通过热传导和热辐射的方式危害火场中的人员。一般认为,在层高不足5m的空间内,当烟气层温度超过180℃时,就会对人体产生比较大的伤害。在火场中,多功能水枪喷射的雾状水(水滴平均粒径小于100μm)约90%以上能够完全气化,可有效降低火场的环境温度。在一标准大气压下,体积为1L、温度为100℃的水,气化需要吸收的热量为Q=2258.77k J,按照90%的气化率,水枪喷射出去的每升雾状水至少可以吸收2032.89k J的热量。通过雾状水的气化吸收火场环境温度,可延缓火灾发展阶段,减少可燃物的可燃气体释放、热解产物的生成和热辐射强度,降低高温对建筑物和室内人员的伤害。

参与灭火战斗的消防员同样面临着高温带来的危险。雾状水具有良好的降温作用,因此通过增大多功能水枪的喷射角度,用雾状水对消防员进行全面掩护,可以为开展灭火的消防员提供有效物理降温,避免消防员受到高温侵害,如图2所示为雾状水掩护消防员的战术。

图2雾状水掩护消防员战术

2.2吸收有害气体

火灾烟气是可燃物燃烧和热解以及混入的空气产生的混合物。根据可燃物的化学成分组成,火灾烟气会含有一种或多种有毒有害气体。利用雾状水粒径较小的特点,可有效吸收火灾烟气中易溶于水的有害烟气,如NH3、HCl、HBr、SO2等气体。同时,由于火灾烟气含有可燃物热解的产物,如碳粒子、凝聚液滴等成分,雾状水对火灾烟气中含有的固体或液体颗粒同样具有吸附作用。火场中的浓烟区,采用短点射方式射水,可起到冷却烟气层和降低烟气浓度的作用。若在水中加入适当的添加剂,还可以继续提高对烟雾颗粒的吸附能力,有效降低火灾烟气的颗粒浓度。同时,吸收有害气体对提高火场能见度也会起到重要的作用。

在火场中,不采取合理的排烟战术亦会导致极端火的发生,如滚燃、轰燃、回燃等现象。以回燃现象的发生机理为例,回燃是指一个充满不完全燃烧产物的房间内流入新鲜氧气时发生的快速爆燃过程,这种燃烧通常会产生爆炸性的力量。由于喷雾水枪对火场环境中的烟气含有的不完全燃烧产物具有吸附作用,因此在火场指挥员准确判断火灾发展的前提下,合理使用多功能水枪进行火场排烟可以有效避免极端火的发生或降低其发生概率。

2.3引入新鲜空气

使用多功能水枪进行火场排烟时,由于雾状射流具有较大的喷射面积,在利用雾状射流向火场进行高速射水的同时,喷射出去的雾状水会从周围环境中卷吸大量的空气进入到火场内,因此雾状射流在排烟中具有向建筑物内带入大量新鲜空气的作用。新鲜空气的进入具有降低火场温度的作用,同时可以提高火场能见度和建筑室内的氧气浓度,在建筑内部形成室外新鲜空气与室内高温烟气的对流运动,从而对提高建筑室内火灾安全环境具有一定的效果。在喷射的同时,加强水枪的晃动或者采用较低的射水角度均可进一步提升带入空气的效果;反之,则可以降低水枪射水时带入的空气量。资料显示,多功能水枪在0.7MPa的工作压力下,可引射高达39600m3/h的风量,具有良好的排烟效能。

3、排烟战术应用

根据烟气驱动力的方向,多功能水枪在火场排烟中的基本排烟方法分为正压排烟加速排烟方式和负压排烟加速排烟方式。在使用喷雾水枪开展正压排烟的战术中,从内攻人员的入口处喷射雾状水,可起到正压驱赶烟气排出的作用,同时加速火场环境通风以及室内空气和室外气体的对流运动。使用喷雾水枪在建筑物窗口开展负压排烟的战术中,高速喷出的雾状水可携带大量的烟气排出室外,起到加速烟气排出的作用。

3.1正压排烟战术

正压排烟战术是利用正压排烟风机进行机械排烟的一种方法,具有良好的排烟效果,如图3所示。在救援人员不足的情况下,利用多功能水枪喷射雾状水的功能替代正压排烟风机排烟,也可以完成正压排烟战术,显著降低极端火的发生概率,但密闭空间应谨慎使用正压排烟战术。

图3喷雾水枪正压排烟原理示意图

(1)正压排烟步骤在利用喷雾水排烟过程中,具体的排烟步骤可分为:

(1)根据火场实际情况,充分考虑好室外风、建筑结构等情况,确定好建筑对外开口作为烟气的排出口;

(2)需在额定压力下,调整好水枪的雾状水粒径,使其获得较高的前进速度;

(3)利用喷雾水形成的喷射面将建筑的门或窗完全封闭;

(4)使多功能水枪射出的喷雾水在水枪与烟气之间形成一段压力空间,利用水枪压力迫使烟气从另一侧的排烟口排出;

(5)单支多功能水枪不能完全封闭建筑门、窗的时候,可采用多支水枪联用,采用水平组合、立体组合排烟,通过雾状水流的相互交叉对门窗进行组合封闭。

(2)地下建筑正压排烟在地下建筑进行火场排烟时,可以考虑采用组合排烟的方式,在上风方向进风口处采用正压送风排烟,下风方向采用机械负压排烟或自然排烟。

(3)协调直流水枪射水正压排烟战术的开展需充分考虑到火灾发展全过程,准确识别火灾发展的阶段,在开展排烟行动的同时应当配备一定数量的直流水枪,以控制火势蔓延。

3.2负压排烟战术

负压排烟战术是利用多功能直流喷雾水枪喷射出的高速雾状水卷吸周围环境气体的功能,在建筑室内火灾的窗口处进行负压排烟的方法,如图4所示。负压排烟战术也称为液压通风排烟战术,即用雾状水驱赶烟雾。高速喷射出的雾状水具有较高喷射速度和卷吸周围环境气体的功能,可在火场排烟行动中加快排烟速度,有效提高排烟效率。在使用多功能直流喷雾水枪开展喷雾水排烟时,需要注意喷雾水的喷射压力和喷射角度。多功能水枪额定压力通常为0.2～0.8MPa,流量为2～12L/s,喷雾角为0°～120°。根据经验可将喷射压力控制在0.8MPa,喷射角度选取60°～62°,以获得最佳排烟效果。实施时需注意两个方面:一是开花或喷雾的射流角度约30°,喷嘴的运动轨迹为圆圈时效果最好;二是控制喷射压力,防止压力远大于排烟口泄压能力,将热量和烟雾反推向消防员。

图4喷雾水枪负压排烟原理示意图

负压排烟战术通常在消防员确保安全的情况下进行内攻时采用,室内火灾烟气排出速度较慢,通过开展负压排烟,加快烟气的排出速度,但相比于正压排烟战术,负压排烟的效率较低。内攻消防员也可选择在门控战术完成后,在火灾发展可控的条件下实施负压排烟战术。喷雾水喷射时需接近窗口烟层底部,以获得最大的卷吸效果,如图5所示。具体的排烟步骤可分为:

图5多功能水枪负压排烟战术示意图

(1)内攻消防员需根据火场实际情况,充分考虑室外风、建筑结构、烟气流动等情况,确定好烟气的排出口;

(2)确定好合理的补风条件;

(3)调整好喷射角度,使用多功能水枪通过窗口向外高速喷射雾状水,充分利用高压雾状水的卷吸能力加速烟气排出,喷射面不能覆盖整个窗口。

4、排烟需要考虑的因素

把握好火场排烟的时机,准确识别火灾发展阶段,将排烟与灭火协同作战,对消防员的专业能力提出了很高的要求。美国国家消防学院较为常用的一个缩略词是RECEO-VS,这个词指的是救援、暴露物、限制、扑救、火场清理和排烟、抢救财产。从缩略词里的各个因素顺序看到,排烟和抢救财产可以在灭火救援行动序列的任何点进行,但是如何把排烟战术在灭火战斗过程中合理使用才是提高火场排烟效率的关键。

根据经验和火灾发展阶段的特点,如图6所示,火场排烟战术的应用一般选择在火灾发展阶段的初期和衰弱阶段,火灾发展的增长阶段需谨慎排烟,而在火灾的全面发展阶段需要根据火场实际情况确定是否需要开展火场排烟行动。使用多功能水枪进行火场排烟时,也需要准确判断火灾发展的阶段,然后确定合理的排烟战术,同时需要考虑排烟可能带来的其他问题。

图6火灾发展阶段

4.1多功能水枪排烟选择的时机

(1)火灾的初始阶段在建筑火灾发生的初期,该阶段的火灾类型一般认为是燃料控制型火灾,即空气充足时发生的火灾。在燃料控制型火灾阶段,雾状水排烟所带入的新鲜空气不会对火灾发展产生实质性的影响,因此,该阶段使用雾状水排烟是一个合理的选择。同时,雾状水排烟的降温降毒、保护内攻人员、提高火场能见度等应用都可以得到充分发挥,在此阶段可高效使用正压排烟战术。相比于正压排烟风机排烟,使用多功能水枪排烟则显得更加灵活高效。

(2)火灾的增长阶段在火灾发展的增长阶段,消防员应准确识别建筑火灾特征(BESAFE),观察极端火发生的征兆,尤其是即将进入通风控制型火灾的时间,注意观察漆黑的玻璃、门窗玻璃的裂缝、漆面起泡、烟流震颤、湍流烟雾、烟雾倒吸、异常声响等危险征兆,谨防发生轰燃、回燃等极端燃烧现象,谨慎开展火场排烟行动,避免火灾烟气带来的伤害。雾状水具有降温、吸附烟雾颗粒、稀释可燃气体浓度等作用,而且一旦发生轰燃,雾状水将可以用来抵御扑面而来的火焰和极高温度的热辐射。在火场未发生轰燃现象前,使用雾状水排烟可有效降低烟气温度,延缓极端火发生或降低其发生概率。例如,2003年6月15日,在美国田纳西州的一起商业建筑火灾扑救中,消防员拉开天花板时发生回燃,造成2名消防员殉职。在此阶段,在火场具有合理的烟气排出口的条件下,使用喷雾水射水排烟,可有效降低灭火行动风险。

(3)火灾的全面发展阶段火灾进入全面发展阶段后,火场内的温度急剧升高,此时不宜使用雾状水排烟。为提高灭火效率,可采用自然排烟方式进行排烟降温。

(4)火灾燃烧的衰减阶段随着可燃物的逐渐耗尽,火势随之慢慢减弱,火场具有高温、充满有毒气体的特征,但火势处于可控状态,此时使用雾状水排烟是一个有利的时机。内攻消防员可根据火场实际情况,配合直流水或开花水的使用,采用雾状水排烟。当消防员未进入火场内时,可采用与在火灾初始阶段不同的排烟方式,使用较小的雾化角度,加大喷射距离,采用正压排烟战术;当进入火场内后,可采用射程较远、速度快的雾状水,开展负压排烟战术。

4.2烟气排出口的选择

使用雾状水排烟战术应合理选择火场的烟气排出口。排烟口是烟气和热量排出建筑的通道,可以是门、窗、阁楼开口或者消防员破拆的开口。为减少烟气、火焰波及的范围,合理的排烟口位置应是在考虑自然风影响下的着火区或着火区附近的开口。同时,为了能使烟气快速排出,还需注意排烟过程中的补风。

参考正压排烟机正压送风排烟战术理论,据公式(1)可得到排烟口大小Af、送风口大小At与通风因子之间的关系。采用正压排烟战术时,当排烟口尺寸是送风口尺寸的2～3倍时,排烟效果好,可以使通风因子达到90%。如图7所示。

图7排烟口大小Af和送风口大小At与通风因子之间关系

在采用负压排烟战术时,根据自然补风条件下的进风口与排烟口之间的关系[见公式(2)],进风口与排烟口的尺寸比例为1∶1到2∶1之间时,排烟效果好,可以使通风因子达到90%。修正后的排烟口面积av与烟气排出口面积Av之间的比值作为评价烟气排出口排烟效率的方法,补风口面积为Ai,如图8所示。

4.3高温雾化水的伤害

在使用该排烟战术时,仍需注意火场环境条件。若火场温度较高时,虽然火灾仍处于燃料控制型阶段或已经处于火灾衰减阶段,但是高温的火场环境会使雾状水快速气化,并使火场内的能见度快速降低。同时,这种情况可能会改变火场烟气的蔓延路径,从而导致排烟更加困难。在这种情况下,需要充分考虑雾状水汽化后产生的热蒸汽的流动路径,避免对消防员带来伤害。另外,采用喷雾水对内攻消防员进行保护时,由于高温雾化水在衣物上会产生附着效果,喷射雾状水容易对内攻消防员的身体产生伤害。增大多功能水枪喷射喷雾水的粒径可降低水的气化速度,从而降低对人体的伤害。

图8排烟效率av/Av和补风口面积Ai与烟气排出口面积Av比值之间关系

4.4雾状水使用的问题

4.4.1供水的保障

在火场中,使用雾状水排烟,需考虑到火灾现场要有稳定持续的水源。由于灭火战斗的展开,可能大部分水源被直流水枪占据,因此留给多功能水枪喷射雾状水的水源十分有限,在开展火场排烟行动前需要充分考虑到水源的保障问题并做好相应的供水预案。

4.4.2雾状水的水渍损失

在火场中,使用雾状水排烟的同时,尽管相比于直流水强大的流量和对建筑物的冲击力,雾状水对建筑物的影响较小,但仍需要考虑到喷射雾状水带来的水渍损失,尽量避免在射水的同时对建筑物造成更大的破坏。

5、结束语

随着消防指战员对开展火场排烟意识的逐步增强和常用移动排烟设备的熟悉,使得更多的移动排烟装备在实战中得到了有效的利用,本文通过对多功能水枪的功能、火场排烟中的应用等方面的分析,可以得到以下三点结论:

(1)多功能水枪火场排烟战术在多种火灾场景中可以应用;

(2)多功能水枪排烟的基本方法可分为正压排烟方式和负压排烟方式,并注意不同战术情况下的排烟口与进风口的面积比;

(3)使用多功能水枪排烟需准确判断火灾发展的阶段,选择合理的排烟战术,并需注意个人防护。

将灭火战斗中总结出来的火场排烟方法应用到实战中去,才可以最大限度地发挥多功能水枪的作用。同时,对于多功能水枪排烟的应用策略,应采用科学研究方法对喷雾水排烟进行深入分析,加强对多功能水枪的实战研究,使广大消防指战员在灭火战斗行动中受益。

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基金:校级重点课题:中国人民警察大学高层次人才校级专项科研课题——基于真实火场的烟热效应演化机理和灾害预测技术研究(BSKYZX202417);

文章来源:杨志增,李驰原.多功能水枪火场排烟战术研究[C]//中国人民警察大学,中国消防协会.2024年度灭火与应急救援技术学术研讨会论文集-火灾扑救.中国人民警察大学救援指挥学院;,2024:5.