王志遠(yuǎn)，雷 蕾，成 乾

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來，國內(nèi)外對綜合管廊電纜廊道的安全越來越重視，其一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會(huì)嚴(yán)重阻礙安全生產(chǎn)，還會(huì)影響人們的日常生活和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。為此，應(yīng)在電纜廊道內(nèi)合理布置火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)，多種系統(tǒng)組合使用，以便在最短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測火情，減少火災(zāi)的發(fā)生。

目前，《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)和《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50116—2013)都僅簡單提及電纜廊道火災(zāi)報(bào)警探測器選型問題，沒有針對電纜廊道具體火災(zāi)情況下探測器的選擇做出具體要求。在已有的研究中，對電纜廊道進(jìn)行火災(zāi)模擬與試驗(yàn)時(shí)，都僅采用狹長結(jié)構(gòu)的隧道或管廊，并未對T型結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究[2]。因?qū)嶋H工程的需要，對電纜廊道進(jìn)行分支，T型廊道結(jié)構(gòu)由此產(chǎn)生，其交叉點(diǎn)處既是煙氣分散的場所，也是溫度產(chǎn)生突變的重要部位。因此，針對T型電纜廊道的特定結(jié)構(gòu)，采用高效組合的火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)，運(yùn)用FDS軟件模擬火災(zāi)場景，得出火災(zāi)溫度場、煙氣濃度分布與探測系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，可為電纜廊道相關(guān)防火標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制修訂提供理論基礎(chǔ)。

1 電纜廊道火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)的選型

空間探測是針對某一場所空間范圍內(nèi)溫度及煙氣的變化，利用火災(zāi)探測系統(tǒng)偵測溫度及煙氣濃度，當(dāng)達(dá)到溫度及煙氣報(bào)警閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主要包括點(diǎn)型火災(zāi)探測系統(tǒng)、吸氣式感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)、對射式線型光束感煙探測系統(tǒng)等。對象探測則利用火災(zāi)探測系統(tǒng)對場所內(nèi)布置的物體進(jìn)行表面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)物體出現(xiàn)溫度異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主要包括纜式線型感溫探測系統(tǒng)、分布式光纖感溫探測系統(tǒng)等。

目前在電纜廊道中廣泛采用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要有以下幾類：纜式線型感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)[3]、對射式線型光束感煙探測系統(tǒng)、分布式光纖感溫探測系統(tǒng)、空氣采樣式火災(zāi)探測系統(tǒng)，這四種系統(tǒng)的對比如表1所示。在電纜廊道中，應(yīng)根據(jù)設(shè)置場所的工程環(huán)境不同，對火災(zāi)探測系統(tǒng)進(jìn)行選擇[4]。

表1 四種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對比

在對象探測中，針對電纜受熱這一火災(zāi)隱患，應(yīng)用較多的是纜式線型感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)和分布式光纖感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)。纜式線型感溫探測系統(tǒng)可針對電纜自身發(fā)熱實(shí)時(shí)監(jiān)控，可靠度高、精確，安裝維修方便，價(jià)格合理，但其溫敏材料的性能會(huì)隨著使用時(shí)間增加而降低，從而產(chǎn)生誤報(bào)警[5]。分布式光纖感溫探測系統(tǒng)因其光纖特性，不易受電磁干擾，但其靈敏度低，對廊道內(nèi)初期火災(zāi)反應(yīng)慢[6]。且在實(shí)際工程中，因分布式光纖感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)采用一對一保護(hù)動(dòng)力電纜的方式，不利于電纜的日常檢修，故對象探測應(yīng)用更多的是纜式線型感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)。

為預(yù)防對象探測因電磁干擾而導(dǎo)致漏報(bào)，對陰燃所產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行早期預(yù)警，減少火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)成本，筆者在電纜廊道內(nèi)加裝空間探測，采用點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)與點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)，與對象探測相輔相成，以更好地保護(hù)電纜廊道安全。

2 模型建立

2.1 空間幾何模型

圖1 電纜廊道模型

圖2 內(nèi)部托架設(shè)置

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，壓力為0.1 MPa，隧道內(nèi)壁由鋼筋混凝土、保溫層及外護(hù)管緊密結(jié)合而成，廊道右端為送風(fēng)口，在機(jī)械通風(fēng)情況下，改變隧道環(huán)境氣流速度，風(fēng)速分別為0.5，1，1.5 m·s-1。

2.2.2 火源設(shè)置

設(shè)置油盤火表面尺寸為0.5 m×0.5 m，火源熱釋放速率12 000 kW·m-2，火源功率3 000 kW[8]，經(jīng)計(jì)算，網(wǎng)格尺寸為0.1 m。油盤位置分別為橫豎交叉點(diǎn)、右橫中點(diǎn)、下豎中點(diǎn)。

2.2.3 探測器布置

將空間探測設(shè)置在距離電纜廊道頂部0.01 m處，每隔5 m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，共設(shè)置9個(gè)測點(diǎn)，點(diǎn)型感溫探測系統(tǒng)與點(diǎn)型感煙探測系統(tǒng)測點(diǎn)分別記為KW1～KW9、KY1～KY9。點(diǎn)型感溫探測器溫度報(bào)警閾值為70 ℃，點(diǎn)型感煙探測器煙氣濃度報(bào)警閾值為3.28 kg·kg-1。為簡化模型、精簡計(jì)算，在每層電纜橋架上間隔2 m設(shè)置一個(gè)纜式線型感溫探測系統(tǒng)測點(diǎn)，8層橋架共計(jì)168個(gè)測點(diǎn)，記為D1～D168，溫度報(bào)警閾值為70 ℃。工況設(shè)置如表2所示。

表2 工況設(shè)置表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 T型管廊結(jié)構(gòu)對報(bào)警時(shí)間的影響

對工況1模擬結(jié)果分析，總結(jié)T型管廊結(jié)構(gòu)對報(bào)警時(shí)間的影響。圖3是對空間探測KW1～KW9、KY1～KY9報(bào)警時(shí)間的分析與擬合曲線，擬合結(jié)果如表3所示。從圖中可以看出，測點(diǎn)KW2、KY2報(bào)警時(shí)間出現(xiàn)拐點(diǎn)，初步分析可能是因該測點(diǎn)位置為T型管廊交叉點(diǎn)上游，煙氣在交叉點(diǎn)分流后濃度減少，環(huán)境溫升速率減慢，致使交叉點(diǎn)下游測點(diǎn)KW3、KY3報(bào)警時(shí)間延長，且擬合函數(shù)說明探測器距離火源位置越遠(yuǎn)，報(bào)警時(shí)間越長。

圖3 空間探測報(bào)警時(shí)間及其擬合

表3 報(bào)警時(shí)間擬合函數(shù)

表中擬合均方差分別為0.949 7，0.950 5，該值越接近1，說明方程擬合度越高。由此可知，該階段測點(diǎn)位置與報(bào)警時(shí)間的關(guān)系擬合結(jié)果較為理想。

隨后取t=120 s、z=3.5 m處溫度及煙氣濃度切片，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，點(diǎn)燃油盤后一段時(shí)間，溫度場及煙氣濃度向左移動(dòng)，到達(dá)交叉點(diǎn)后分散，交叉點(diǎn)處溫度及煙氣濃度為臨界值，之后產(chǎn)生突變，且對比圖中高溫及煙氣高濃度分布范圍，兩者幾乎同步，可知遠(yuǎn)離火源端處溫度主要受煙氣熱對流影響，火源熱輻射作用較弱。

圖4 火災(zāi)溫度場分布

圖5 煙氣濃度分布

為驗(yàn)證T型管廊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析交叉點(diǎn)煙氣分散前后探測報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間，選取三種探測系統(tǒng)在交叉點(diǎn)不同方向(右、左、下)的最早報(bào)警時(shí)間，結(jié)果見表4。

表4 交叉點(diǎn)處探測器報(bào)警時(shí)間

從表4看出，交叉點(diǎn)下方向處探測器報(bào)警時(shí)間耗時(shí)最多。結(jié)合此時(shí)的溫度及煙氣濃度切片圖可知：在交叉點(diǎn)分散后，煙氣直線分流比轉(zhuǎn)角分流流量更大、流動(dòng)更快，大部分煙氣往左方向流動(dòng)，導(dǎo)致左側(cè)管廊內(nèi)溫升速率更快，三種探測器報(bào)警時(shí)間更短。

3.2 火源位置對報(bào)警時(shí)間的影響

對工況1～工況3中不同火源位置處空間探測報(bào)警時(shí)間進(jìn)行分析，選取火源附近的測點(diǎn)(KW1～KW8與KY1～KY8)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5。由表5可知：火源位于右橫中點(diǎn)與下豎中點(diǎn)兩處時(shí)，探測器的報(bào)警時(shí)間(34.7 s與33.6 s、21.4 s與20.2 s、16.5 s與17.2 s、10.7 s與10.3 s)幾乎相等；位于交叉點(diǎn)處附近的探測器報(bào)警時(shí)間相對較長，直線段測點(diǎn)報(bào)警時(shí)間(27.5 s、37.1 s、13.8 s、18.4 s)先于轉(zhuǎn)角段報(bào)警時(shí)間(36.1 s、48.4 s、19.2 s、24.7 s)。由此可見，火源位于交叉點(diǎn)處報(bào)警時(shí)間最長，位于右橫中點(diǎn)和下豎中點(diǎn)的報(bào)警時(shí)間相差不大。

表5 工況1～3空間探測系統(tǒng)探測器報(bào)警時(shí)間

對工況1～工況3中對象探測第1層電纜橋架上測點(diǎn)報(bào)警時(shí)間作圖分析，如圖6所示。由圖6可知，工況1、工況2二者的曲線變化規(guī)律幾乎一致，越靠近火源，報(bào)警時(shí)間越短，此時(shí)溫度升高主要受火源熱輻射影響，當(dāng)距離火源較遠(yuǎn)且橋架上電纜處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)，其溫升速率穩(wěn)定且處于較高水平，探測器報(bào)警時(shí)間相對平穩(wěn)。而工況3因火源位置處的測點(diǎn)布置相對靠后，導(dǎo)致曲線拐點(diǎn)在后半段，其前半段測點(diǎn)變化規(guī)律與工況1、工況2相似。由此可知，在對象探測中，探測器報(bào)警時(shí)間幾乎不受火源位置影響。

3.3 氣流速度對報(bào)警時(shí)間的影響

選取工況2、工況4、工況5研究風(fēng)速對報(bào)警時(shí)間的影響，對不同風(fēng)速下三種系統(tǒng)報(bào)警最快測點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖6 對象探測報(bào)警時(shí)間與火源位置的關(guān)系曲線

圖7 三種探測系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與氣流速度的關(guān)系曲線

經(jīng)擬合，三種系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與氣流速度均呈二次函數(shù)關(guān)系，存在臨界氣流速度使得探測器報(bào)警時(shí)間最短，其值約為0.95～1.05 m·s-1。當(dāng)風(fēng)速小于臨界氣流速度時(shí)，風(fēng)速增加，報(bào)警時(shí)間減少，當(dāng)風(fēng)速大于臨界氣流速度時(shí)，風(fēng)速增加，報(bào)警時(shí)間延長。這是由于當(dāng)氣流速度小于臨界氣流速度時(shí)，加入的氧氣含量會(huì)使得燃燒加劇，擴(kuò)大火災(zāi)發(fā)展趨勢，氣流速度大于臨界氣流速度時(shí)，大量流入的低溫空氣以及廊道壁面的低溫使得火場溫度下降且加大火焰及煙氣的湍流程度，其會(huì)延長初期火災(zāi)探測器的報(bào)警時(shí)間。同時(shí)，從圖7可知三種系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間總體規(guī)律為：點(diǎn)型感煙探測系統(tǒng)<纜式線型感溫探測系統(tǒng)<點(diǎn)型感溫探測系統(tǒng)。相比纜式線型感溫系統(tǒng)，在陰燃時(shí)點(diǎn)型感煙探測系統(tǒng)能夠更早監(jiān)測火情，點(diǎn)型感溫探測系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間僅稍晚于纜式線型感溫系統(tǒng)，但能在電磁干擾失效情況下起到替代作用，為電纜廊道安全提供二次保障。

4 結(jié)論

4.1 T型管廊交叉點(diǎn)處溫度及煙氣濃度為臨界值，在交叉點(diǎn)分散后產(chǎn)生突變，煙氣直線分流比轉(zhuǎn)角分流流量更大、流動(dòng)更快；交叉點(diǎn)處下方向探測器報(bào)警時(shí)間比左方向耗時(shí)更多，探測器距離火源位置越遠(yuǎn)，報(bào)警時(shí)間越長；應(yīng)針對交叉點(diǎn)處這一薄弱位置加強(qiáng)防范，合理縮小空間探測的布置間距，加大探測器布置數(shù)量。

4.2 在空間探測中，火源位置對報(bào)警時(shí)間有一定的影響，火源位于交叉點(diǎn)處報(bào)警時(shí)間最長，位于右橫中點(diǎn)和下豎中點(diǎn)的報(bào)警時(shí)間相差不大；在對象探測中，探測器報(bào)警時(shí)間幾乎不受火源位置影響，且變化規(guī)律一致。

4.3 三種系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與氣流速度均呈二次函數(shù)關(guān)系，探測器報(bào)警時(shí)間最短的臨界氣流速度約為0.95～1.05 m·s-1。

4.4 在空間探測與對象探測系統(tǒng)中，報(bào)警時(shí)間總體規(guī)律為：點(diǎn)型感煙探測系統(tǒng)<纜式線型感溫探測系統(tǒng)<點(diǎn)型感溫探測系統(tǒng)。由此可知，不同探測系統(tǒng)的報(bào)警時(shí)間長短不同，點(diǎn)型感煙探測系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間最短，其作為空間探測的一種，是對象探測的良好補(bǔ)充，彌補(bǔ)了對象探測的不足，降低報(bào)警延遲率，可為電纜廊道提供更安全可靠的保障。