電氣管廊火場模擬分析與滅火有效性試驗研究

王 允副教授 孫一鳴 雷 蕾副教授

(1.中國人民警察大學 消防工程系，河北 廊坊 065000；2.吉林省吉林市昌邑區(qū)消防救援大隊，吉林 吉林 132001)

0 引言

按照《國務院關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》(國發(fā)〔2013〕36號)和《國務院辦公廳關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導意見》(國辦發(fā)〔2014〕27號)有關(guān)部署，適應新型城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求，把地下綜合管廊建設(shè)作為履行政府職能、完善城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容[1]。在工程建設(shè)中，電纜線路敷設(shè)于廊道內(nèi)，實現(xiàn)了城市地下空間的深度開發(fā)。而電纜廊道內(nèi)部一旦發(fā)生火災，導致電氣設(shè)備發(fā)生故障，人員的逃生及疏散困難，因此滅火系統(tǒng)是否能發(fā)揮最大有效性是亟待解決的問題[2]。當前研究缺少針對全尺寸電氣管廊的實體火試驗，缺少分析不同尺寸電氣管廊火災溫度特性的相關(guān)性研究，缺少針對細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)置要求的試驗研究[3]。

本文的研究目的有：研究不同尺寸直線型電氣管廊的火災溫度變化的相關(guān)性，分析電氣管廊火災溫度分布特性；比較不同火源、通風風速及電纜充滿度的條件下，細水霧噴水強度、噴頭安裝方式對高壓細水霧滅火效果的影響；根據(jù)電氣管廊火災溫度特性及細水霧滅火有效性的試驗結(jié)果，提出工程應用建議[4]。

1 試驗方案

1.1 試驗環(huán)境

試驗環(huán)境為某全尺寸地下管廊火災試驗平臺。試驗管廊尺寸長×寬×高為95m×3.4m×2.9m，管廊有4個區(qū)：A、B、C、D，管廊內(nèi)部情況，如圖1。

圖1 管廊內(nèi)部情況

1.2 試驗工況

根據(jù)試驗目的，考慮不同火源、電纜充滿度、通風風速條件下，細水霧系統(tǒng)不同噴水強度及噴頭安裝方式對滅火效果的影響，共設(shè)置了以下幾組試驗工況。工況2為標準工況，工況1考慮引火源對滅火效果的影響，工況3考慮通風風速對滅火效果的影響，工況4考慮噴頭安裝方式對滅火效果的影響，工況5考慮電纜充滿度對滅火效果的影響，工況6考慮細水霧噴水強度對滅火效果的影響，工況7考慮細水霧系統(tǒng)的設(shè)置對火災發(fā)展的影響。試驗工況編號及工況設(shè)置情況[5],見下表。

表 試驗工況

1.2.1 引火源影響

試驗起點時間為0s，在33s時啟動電加熱器，火災初期產(chǎn)生少量煙霧，隨火勢進一步發(fā)展，產(chǎn)煙量逐漸增多，煙氣向上蔓延至空間頂部，到達頂部后，煙氣沿管廊水平方向蔓延，空間頂部煙氣層逐漸下沉同時向左右兩側(cè)沿縱向方向蔓延，154s時(即電加熱器開啟121s后)出現(xiàn)明火，火災由陰燃階段發(fā)展至明火燃燒階段，此時產(chǎn)煙量相比之前有所減少，168s(即電熱器開啟135s后)滅火系統(tǒng)開啟，338s時關(guān)閉滅火系統(tǒng)，滅火持續(xù)時間約3min。

圖2為工況1火源及上方熱電偶溫度曲線圖，由圖2可以看出，火源側(cè)距離地面的第一層橋架(即火源層橋架)溫度最高，在161s，即點火后的128s達到73.1℃，其次是距離地面的第二層橋架，在167s，即點火后的134s，達到51.3℃，均明顯高于上方電纜。在219s時，即開啟滅火系統(tǒng)51s后，各測點溫度降至30℃以下。與工況2相比，電加熱引火源僅對火源層橋架及火源上層橋架溫度影響較大，且對火源層溫度影響最大，環(huán)境整體溫度較低，啟動滅火系統(tǒng)后溫度下降速度較快。

圖2 工況1火源及上方溫度曲線圖

圖3為工況1試驗空間頂部溫度曲線圖，從圖3可以看出，火源對頂層溫度影響較小，頂層溫度波動幅度較小，最高溫度僅為24.3℃，開啟滅火系統(tǒng)后，溫度迅速降低，然后逐漸回升至室內(nèi)環(huán)境溫度。

圖3 工況1頂部溫度曲線圖

1.2.2 風速影響

工況3設(shè)定的通風風速為2m/s，對比工況2、3，分析通風風速對火災發(fā)展及細水霧滅火有效性的影響。圖4為工況3火源及火源上方溫度曲線圖，從圖4可以看出，火源側(cè)距地面第一層橋架的溫度最高，在點火后的65s達到668℃，其次是距地面第二層橋架，溫度在點火后的90s達到638℃，再次是距地面第三層橋架，溫度在點火后的110s達到580℃，均明顯高于上方電纜。這是由于當風速增加時，加速了火災的發(fā)展過程，導致溫度最高值出現(xiàn)時間提前。當無環(huán)境風速時，火源及上方溫度值均在同一時間達到最大值，當具有一定的環(huán)境風速時，火源上方電纜達到溫度最高值的時間滯后于火源層。在190s時，開啟滅火系統(tǒng)后，火源及上方溫度逐漸下降；滅火系統(tǒng)開啟170s后，火源及其上方溫度均能降低到50℃以下。

圖4 工況3火源及上方溫度曲線圖

圖5為工況2、工況3空間頂部溫度曲線對比圖，從圖5可以看出，當風速為2m/時，試驗管廊空間頂部最高溫度能到127℃，低于自然通風狀態(tài)下的空間頂部最高溫度。在滅火系統(tǒng)啟動80s后，空間頂部溫度逐漸下降，降到50℃以下。與自然通風狀態(tài)下的工況對比，可以看出當有一定的風速時，試驗管廊空間頂部溫度最高值有所降低，且降溫速度減慢。

圖5 工況2、3頂部溫度曲線對比圖

1.2.3 噴頭布置方式影響

圖6為工況4火源及火源上方熱電偶溫度曲線圖，從圖6可以看出，火源側(cè)距離地面第二層橋架的溫度最高，在150s，即點火后的125s達到864℃，其次是距地面第三層橋架，在170s，即點火后的145s達到630℃，再次是距地面第一層橋架，溫度在189s，即點火后的164s達到456℃，均明顯高于上方電纜。這與工況2的變化規(guī)律類似。當145s滅火系統(tǒng)開啟后，火源及上方溫度會出現(xiàn)短暫上升后逐漸下降，在325s時，即滅火系統(tǒng)開啟180s后，火源及其上方溫度均能降低到50℃以下。與工況2相比，當采用側(cè)噴噴頭時，火源及上方溫度下降速度較為緩慢?？梢姶怪卑惭b的噴頭更有利于火災后溫度的下降。

圖6 工況4火源及上方溫度曲線圖

1.2.4 電纜布置方式影響

圖7為工況5火源及火源上方溫度曲線圖，由圖7可知，火源位置7測點異常，火源側(cè)距離地面第一層橋架溫度最高，在303s，即點火后的150s，達到最高溫度值318℃，其次是距地面第二層橋架，在290s，即點火后的137s，達到最高溫度值102℃，均明顯高于上方電纜，其他層橋架的溫度均未超過50℃，在364s，即滅火系統(tǒng)開啟75s后，溫度均降低至50℃以下。與工況2相比，火源層橋架溫度最高，溫度最高值降低，火源及上方溫度整體較低。由于第5、6、7層加密布置電纜，影響了火焰向上蔓延傳播，且本次試驗中采用的是阻燃電纜，電纜難以被點燃發(fā)生延燃，所以熱量的傳遞主要來源于熱煙氣的蔓延，加密布置電纜阻礙了熱煙氣的向上蔓延，故環(huán)境溫度整體較低。

圖7 工況5火源上方溫度曲線圖

1.2.5 噴水強度影響

圖8為工況6，火源及火源上方熱電偶溫度曲線圖。從圖8可以看出，火源側(cè)距地面第二層橋架的溫度最高，在166s，即點火后的113s達到840℃，其次是距地面第一層橋架，溫度在112s，即點火后的59s達到633℃，再次是距地面第三層橋架，溫度在197s，即點火后的144s達到540℃，均明顯高于上方電纜。這與工況2、工況4的變化規(guī)律類似，火源對第二層橋架的溫度影響最明顯。當187s滅火系統(tǒng)開啟后，火源及上方溫度逐漸下降，在442s時，即滅火系統(tǒng)開啟255s后，火源及其上方溫度均能降低到50℃以下。與工況2 相比，當噴水強度設(shè)置為1.0L/min·m2時，火源及火源上方溫度下降速度較為緩慢，是因為當噴水強度增大時，水流量增大，導致水流不能充分與橋架接觸，影響水分蒸發(fā)吸熱?？梢娫龃髧娝畯姸炔⒉荒芗涌旖禍厮俾?，加強滅火效果。

圖8 工況6火源及上方溫度曲線圖

1.2.6 未開啟細水霧系統(tǒng)的工況

圖9為工況7火源及火源上方熱電偶溫度曲線圖。從圖9可以看出，火源側(cè)距離地面第三層橋架溫度最高，在100s時，即點火后的57s，達到最高溫度值840℃，其次是距地面第二層橋架，在100s，即點火后的57s，達到最高溫度值809℃，然后是距地面第一層橋架，在179s，即點火后的136s，達到最高溫度值682℃，距地面第四層橋架，在184s，即點火后的141s，達到最高溫度值505℃，這四層橋架溫度明顯高于上層電纜橋架溫度?；鹪磳鹪瓷戏絻蓪与娎|影響最大，距地面第二層及第三層橋架在同一時間達到溫度最高值，然后溫度有所下降，當?shù)谒膶油屑軠囟冗_到峰值時，第二層、三層托架達到第二次峰值，這是由于電纜外表面材料被燃盡后，電纜外層的炭化層會阻礙電纜燃燒，導致溫度下降，當?shù)谒膶与娎|外表面被引燃時，環(huán)境溫度上升，故溫度再次上升。與工況2對比可看出，當未開啟滅火系統(tǒng)時，火勢向上蔓延趨勢增加，在189s時，溫度開始下降，但溫度下降速度明顯比開啟滅火系統(tǒng)時的速度慢。

圖9 工況7火源及上方溫度曲線圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)全尺寸電氣管廊試驗平臺的實際結(jié)構(gòu)尺寸建立模型，如圖10。

圖10 電氣管廊模型圖

2.2 模擬工況

為了與試驗工況相對應，模擬工況的設(shè)置情況與試驗工況相一致。

2.3 模擬結(jié)果與試驗對比分析

(1)引火源影響。模擬與試驗電加熱引火源工況下，火源及火源上方溫度變化規(guī)律相似，火源層溫度最高，隨高度的升高，溫度逐漸降低。與設(shè)置丙烷燃燒器引燃的工況相比，采用電加熱器引火時，環(huán)境溫度整體降低。

(2)風速影響。模擬和試驗不同風速工況下，風速對火源及火源上方溫度分布的影響規(guī)律相同，由于風速增大加速了火源向火源下風向蔓延發(fā)展，減緩了火源向上蔓延的趨勢，故火源層溫度高于火源上方兩層的溫度，同時火源斷面的溫度與自然通風條件下相比有所下降，隨風速的增大，細水霧滅火系統(tǒng)的降溫速率也有所下降。

(3)噴頭布置方式的影響。模擬和試驗側(cè)噴頭工況下，不同噴頭布置方式對火源及火源上方的溫度分布規(guī)律的影響具有相似性?；鹪醇盎鹪瓷戏絻蓪油屑艿臏厣兓蠲黠@，其余層的溫度變化較小，與采用垂直噴頭的工況相比，采用側(cè)噴噴頭降溫速率減緩。

(4)電纜布置的影響。在模擬及試驗不同電纜布置工況下，電纜布置方式對火源及火源上方溫度變化規(guī)律的影響具有一定的相似性。試驗工況下，空間頂部溫度有明顯溫升，而當電纜加密布置的工況下，空間頂部溫度沒有明顯溫度變化，由于加密布置電纜后，電纜更難以被引燃，同時熱煙氣向上傳播也受到阻礙，因此空間頂部溫度沒有明顯變化。

(5)細水霧滅火系統(tǒng)的影響。模擬與實驗未開啟細水霧滅火系統(tǒng)的條件下，火源及火源上方溫度分布規(guī)律存在一定的差異性，在模擬工況下，火源及火源上方溫度在升溫至最高溫度后維持在一溫度值；試驗工況下，火源及火源上方溫度在升溫至最高溫度后維持一段時間后，開始下降，但降溫速率明顯低于開啟細水霧滅火系統(tǒng)時的降溫速率。

綜上，模擬結(jié)果與實體試驗結(jié)果比較符合，不同因素對火災溫度分布規(guī)律的影響也具有一致性。在模擬工況下，細水霧滅火系統(tǒng)開啟后，空間頂部溫度會在一段時間內(nèi)持續(xù)上升后開始下降，在試驗工況下，空間頂部溫度會直接開始下降。因此在模擬工況下考慮細水霧的滅火效果，不僅要看降溫速率還要考慮細水霧開啟后對溫度上升過程的影響。由于實體火試驗中布置的電纜為阻燃電纜，電纜著火燃燒后不延燃或?qū)⑷紵刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，在模擬中，材料不具有這一特性，因此在未開啟細水霧滅火系統(tǒng)的工況下，模擬與試驗結(jié)果存在一定的差異性。但總體上看，細水霧滅火系統(tǒng)的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

3 結(jié)論

通過開展細水霧應用于電氣管廊的實體火試驗與數(shù)值模擬，分析火源因素、通風因素、電纜布置情況、細水霧噴頭布置方式及噴頭噴水強度對高壓細水霧滅火效果的影響。得出的主要結(jié)論如下：

(1)電纜的材料特性及燃燒特性對于火災的發(fā)展影響較大，電纜的充滿度及布置方式也會影響火勢的發(fā)展。阻燃電纜可以有效減緩火勢的蔓延。

(2)通風風速對于電氣管廊內(nèi)火災的發(fā)展具有一定的影響。在1m/s的范圍內(nèi)增大風速，環(huán)境溫度會有所上升，當風速繼續(xù)增大時，通風作用會帶走環(huán)境的大部分熱量，導致環(huán)境溫度下降。因此，在保證管廊日常通風散熱的基礎(chǔ)上，可以適當增大風速，但要控制在1m/s以下，可以加快觸動報警信號。

(3)縮尺寸試驗模型與全尺寸試驗管廊內(nèi)的溫度不具有成比例關(guān)系，但火災溫度分布規(guī)律具有相似性；兩種全尺寸試驗環(huán)境下，管廊空間頂部溫度最高值相近，管廊高度對于空間頂部溫度影響不大。

(4)細水霧滅火系統(tǒng)可以有效撲滅電纜發(fā)熱起火及外部火引燃電纜引發(fā)的火災。增大風速會減緩降溫速率，垂直安裝的噴頭更有利于降低空間溫度，噴水強度不宜設(shè)置過大。

(5)模擬結(jié)果與實體火試驗結(jié)果具有較好的一致性，不同因素對細水霧滅火效果的影響較為一致?？梢圆捎媚M的方法預測電氣管廊火災的發(fā)展過程。