地下管廊電纜艙室內(nèi)細水霧防滅火仿真分析

趙 言，盧 平,2，余 陶，朱彭輝

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.合肥學院 土木工程學院，安徽 合肥 230608)

綜合管廊因具有有效減少管線埋設(shè)、維修所帶來的路面開挖與交通擁堵問題和可延長管線使用壽命等優(yōu)點，成為城市健康、可持續(xù)發(fā)展的重要生命線[1]。根據(jù)《城市綜合管廊的工程技術(shù)規(guī)范》中火災(zāi)危險性分類表可知電纜艙室的火災(zāi)危險性等級僅次于天然氣管道，但因為電力傳輸本就帶有熱量且易發(fā)生短路、超負荷、接觸不良等事故[2]，其發(fā)生火災(zāi)危險性較高，應(yīng)得到重視。電纜艙室由于狹長且密閉、初期火災(zāi)不易被發(fā)現(xiàn)。火災(zāi)發(fā)生后煙氣濃度及廊內(nèi)溫度迅速上升，能見度下降，使得消防救援工作難以展開，因此要求電纜艙室應(yīng)設(shè)置自動滅火系統(tǒng)[3]。

目前未有相關(guān)資料對管廊中自動滅火系統(tǒng)做出明確規(guī)定。細水霧滅火系統(tǒng)由于其電絕緣性、節(jié)能環(huán)保、滅火效果好等優(yōu)點被認為是最適合電纜艙室的自動滅火系統(tǒng)[4]。孫瑞雪等人通過Pyrosim軟件模擬60 s后關(guān)閉通風下細水霧霧滴粒徑、霧錐角、噴射速度等參數(shù)對滅火效果的影響[5]。朱紋靜等人通過分析火災(zāi)實體實驗與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)誤差，認為Pyrosim軟件可用于研究細水霧滅火能力[6]。陳立青等人根據(jù)不同通風方式設(shè)計不同的通風工況，研究了不同通風方式下的管廊火災(zāi)排煙效果，認為應(yīng)采用自然進風和機械排風相結(jié)合的方式進行排煙[7]。王明年等人通過Pyrosim軟件模擬管廊火災(zāi)，研究了艙室截面尺寸對電纜火災(zāi)的熱釋放速率的影響，建議管廊應(yīng)采用密閉自熄輔助自動滅火系統(tǒng)的消防措施[8]。

1 研究對象

選取合肥市高新區(qū)綜合管廊為研究對象，建立電纜艙室的模型。該地下管廊全長20.29 km，寬10.35 m，凈高3 m，包含多種管線。其中電力艙室凈高2.4 m，寬1.9 m，電纜支架寬0.7 m，布局如圖1所示。

2 模型建立

2.1 建立Pyrosim模型

根據(jù)上述電纜艙進行建模，其中模型斷面為3×1.9 m2，電纜支架寬0.7 m，共6層，電纜直徑4 cm。由于細水霧滅火系統(tǒng)作用下電纜燃燒橫向蔓延不明顯[9]，考慮到模擬運行時間，模型長度取12 m，模擬的單元格大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m，共72 000個網(wǎng)格。由于艙室結(jié)構(gòu)狹小，因此考慮為小型火源，單位面積的火源熱釋放速率設(shè)置為1 MW/m2，火源起火面積設(shè)置為0.4 m2。火源類型設(shè)置為t2模型，更接近火災(zāi)發(fā)展的規(guī)律。增長時間默認為60 s，軟件中火源默認為CH4氣體，火源切片設(shè)置在第四層電纜處。細水霧噴頭設(shè)置在管廊頂部，單排排列，采用開式系統(tǒng)，噴頭流量系數(shù)1.2 L/min/MPa1/2。模型設(shè)置了1個熱電偶裝置位于火源上方， 1個煙氣層高度檢測裝置位于模型中心，以及HRR檢測裝置。模型兩邊設(shè)置開放界面與外界相連，設(shè)置環(huán)境參數(shù)管廊內(nèi)部初始溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為大氣壓。

圖1 合肥高新區(qū)管廊電纜艙平面效果

2.2 模擬工況設(shè)計

為研究相鄰噴頭間水霧作用范圍的相互影響、噴頭壓力對滅火效果的影響以及單側(cè)電纜布置管廊內(nèi)噴頭噴射角度對滅火效果的影響，特設(shè)置如下工況和變量，其中噴頭的噴射角度為噴頭與管廊頂板的夾角。工況A主要是觀察細水霧噴頭的布置間距對其滅火效果的影響，工況B主要是研究細水霧流量變化對其滅火效果的影響，工況C主要考慮噴頭噴射方向?qū)毸F滅火效果的影響，具體如表1所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 噴頭間距對細水霧滅火效果的影響

工況A主要是觀察細水霧噴頭的布置間距對其滅火效果的影響，從而設(shè)置A1、A2、A3分別對應(yīng)噴頭間距2、3、4 m三種工況。在Pyrosim中建立4個噴頭橫向排列，得到3種間距下噴頭工作情況如圖2所示。其中噴頭間距為2 m時對應(yīng)為兩個噴頭出現(xiàn)大量重疊區(qū)域;噴頭間距為3 m時對應(yīng)為兩個噴頭正好無重疊區(qū)域;噴頭間距為4 m時對應(yīng)為兩噴頭間存在未覆蓋區(qū)域。

表1 模擬工況安排

圖2 噴頭布置間距示意

圖3～5分別為不同噴頭布置間距下HRR、火源上方溫度、煙氣層高度隨時間的變化曲線。

圖3 不同布置間距下HRR變化曲線

根據(jù)圖3～5可知，在模擬開始初期3條曲線完全重合，火源上方溫度迅速上升至700 ℃左右，煙氣層高度下降至1.4 m。當細水霧開啟后，噴頭布置間距為3 m的工況下熱釋放速率曲線首先降低，溫度也隨之下降，煙氣層高度升高，100 s時火已經(jīng)熄滅，120 s時溫度下降至室溫，125 s前煙氣層高度就恢復(fù)至2.4 m，滅火效果較好。其次是間距為2 m的工況下，火熄滅時間與溫度下降所用時間略長，這是由于兩噴頭間含有大量重疊區(qū)域，導致細水霧相互作用使得粒徑等參數(shù)受到影響，從而減弱了滅火效果。間距為4 m的工況下由于其相鄰兩噴頭間含有細水霧未覆蓋區(qū)域且反應(yīng)時間過長，該工況在細水霧開啟后，溫度下降速率相比另外兩個工況較小，直到130 s火才熄滅，160 s左右溫度降低至初始溫度，并且125 s時煙氣層高度下降至1.2 m，150 s煙氣才得到控制，滅火效果最差。

圖4 不同布置間距下火源上方溫度變化曲線

圖5 不同布置間距下煙氣層高度變化曲線

綜上，對于綜合管廊電纜艙室的火災(zāi)并非間距越小滅火效果越好。細水霧噴頭間距為4 m時的滅后效果最差，2 m和3 m的工況除煙效果相差不大，但3 m工況的滅火效果更好，噴頭間距過近會導致單個細水霧噴頭的滅火效率降低并且增加投資，故建議噴頭的布置間距設(shè)置為3 m。

3.2 噴頭流量對細水霧滅火效果的影響

工況B主要研究細水霧流量變化對其滅火效果的影響。根據(jù)《細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》可知噴頭流量計算公式，即

In a typical procedure, Cu2–xS powders were prepared by the sol-gel method. The operating mode is similar to that followed by Riyaz et al. who synthesized only the covellite phase CuS[14]. However, three different phases were obtained by annealing in this study. Fig. 1 displays the operating mode.

(1)

式中：q為流量；k為流量系數(shù)；P為工作壓力。

圖6～8為不同流量下HRR、火源上方溫度、煙氣層高度隨時間的變化曲線。

圖6 不同流量下HRR變化曲線

圖7 不同流量下火源上方溫度變化曲線

圖8 不同流量下煙氣層高度變化曲線

由圖6～8可知，模擬開時后，起初各工況的曲線變化情況相同，但開啟細水霧后各工況曲線開始分離?？梢钥闯隽髁繛?3 L/min、10 L/min的工況滅火效果較好，熱釋放速率曲線、溫度明顯低于另外兩個工況，煙氣層上升所用時間也較短。其中火在100 s之前就已經(jīng)熄滅，125 s左右溫度也下降至室溫，煙氣層上升至2.4 m。其中13 L/min工況時的滅火效果最好。7 L/min和16 L/min工況的熱釋放速率曲線和火源上方溫度曲線大致重合，滅火效果明顯差于10 L/min、13 L/min的工況，在120 s時火焰才得以熄滅。流量為7 L/min的工況滅火效果差可能因為水量較小，無法及時降低火焰的溫度，其煙氣層上升所用時間也最長。流量為16 L/min的工況煙氣層一直較低，滅火效果較差可能是因為隨著流量的增大，對艙室內(nèi)流場產(chǎn)生擾動造成的。

綜上所述，細水霧滅火效果并沒有隨著流量的增大而增大，13 L/min的工況火源熱釋放速率、熱電偶溫度降低最及時，煙氣層高度升高最快，所以滅火效果最好；其次是10 L/min的工況。由于這兩個工況滅火效果差別不大，又因為細水霧水量過大可能造成電纜火災(zāi)后艙室內(nèi)含大量積水從而引發(fā)安全事故，并且水量過大使得管網(wǎng)內(nèi)壓力過大，從而提高了對管網(wǎng)質(zhì)量的要求，使經(jīng)濟成本增高，因此流量采用10 L/min。

3.3 噴頭噴射方向?qū)毸F滅火效果的影響

工況C主要考慮噴頭噴射方向?qū)毸F滅火效果的影響。從而設(shè)置C1、C2、C3分別對應(yīng)噴頭噴射方向與頂板夾角0°、45°、90°三種工況，效果如圖9所示。由圖9可知當噴頭噴射方向與頂板夾角為0°時，由于上層電纜的阻礙導致水霧無法充分接觸到火源，而噴頭噴射方向與頂板夾角為45°、90°時水霧能夠很好的接觸到火源位置。

圖9 噴射方向與頂板夾角示意

圖10～12為不同噴射方向下HRR、火源上方溫度、煙氣層高度隨時間的變化曲線。由圖10～12可以看出噴頭噴射角度對滅火效果的影響最大。當角度為0°時，由于細水霧噴射出的水霧被上方電纜擋住導致火災(zāi)處電纜無法接觸到噴出的細水霧，火災(zāi)無法得到撲滅。而噴射角度為45°和90°的工況由于水霧都可以充分接觸到火源位置，所以火災(zāi)可以撲滅。其中噴射方向與頂板夾角為45°和90°的工況下HRR曲線、火源上方溫度曲線相差不大，但除煙效果明顯比90°工況更好。這是因為噴頭從最高點向下噴射保護面積更大，與煙氣接觸更為全面，因此建議噴頭噴射角度設(shè)置為90°的工況。

圖10 不同噴射方向下HRR變化曲線

圖11 不同噴射方向下火源上方溫度變化曲線

圖12 不同噴射方向下煙氣層高度變化曲線

綜上所述，工況細水霧噴射方向與頂板夾角為0°時無法滅火，噴頭角度對滅火的影響較大，應(yīng)得到重視。細水霧噴射方向與頂板夾角為45°、90°的工況滅火效果相差不大，但由于90°工況除煙效果更好，所以本文建議噴頭噴射角度采用90°垂直向下進行噴射。

4 結(jié)論

1) 噴頭縱向布置間距為4 m的細水霧滅火效果、除煙效果最差，2 m和3 m的工況除煙效果相差不大，但3 m工況的滅火效果更好，噴頭間距過近導致單個細水霧噴頭的滅火效率降低并且增加了投資，故建議采用3 m的噴頭縱向布置間距。

2) 噴頭流量增加，細水霧的滅火效果并沒有逐漸增強。其中流量取13 L/min的工況滅火除煙效果最好,其次為10 L/min的工況且兩者滅火效果相差不大?？紤]到水量過大會使管網(wǎng)壓力提高，從而存在安全隱患，故建議噴頭的流量取10 L/min。

3) 噴頭的噴射角度對滅火效果的影響較大。噴頭噴射角度為0°時由于水霧被上層電纜擋住，滅火失敗。噴頭噴射方向與頂板夾角為45°與90°的工況滅火效果相近，考慮到90°工況除煙效果更好，所以建議噴頭噴射角度取90°垂直向下噴射。