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        電氣管廊火場模擬分析與滅火有效性試驗研究

        2020-04-16 03:37:56允副教授孫一鳴蕾副教授
        安全 2020年2期
        關鍵詞:橋架水霧曲線圖

        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《國務院關于加強城市基礎設施建設的意見》(國發(fā)〔2013〕36號)和《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》(國辦發(fā)〔2014〕27號)有關部署,適應新型城鎮(zhèn)化和現代化城市建設的要求,把地下綜合管廊建設作為履行政府職能、完善城市基礎設施的重要內容[1]。在工程建設中,電纜線路敷設于廊道內,實現了城市地下空間的深度開發(fā)。而電纜廊道內部一旦發(fā)生火災,導致電氣設備發(fā)生故障,人員的逃生及疏散困難,因此滅火系統是否能發(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性研究,缺少針對細水霧滅火系統設置要求的試驗研究[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;根據電氣管廊火災溫度特性及細水霧滅火有效性的試驗結果,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,管廊內部情況,如圖1。

        圖1 管廊內部情況

        1.2 試驗工況

        根據試驗目的,考慮不同火源、電纜充滿度、通風風速條件下,細水霧系統不同噴水強度及噴頭安裝方式對滅火效果的影響,共設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考慮細水霧系統的設置對火災發(fā)展的影響。試驗工況編號及工況設置情況[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,火災初期產生少量煙霧,隨火勢進一步發(fā)展,產煙量逐漸增多,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沿縱向方向蔓延,154s時(即電加熱器開啟121s后)出現明火,火災由陰燃階段發(fā)展至明火燃燒階段,此時產煙量相比之前有所減少,168s(即電熱器開啟135s后)滅火系統開啟,338s時關閉滅火系統,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℃,開啟滅火系統后,溫度迅速降低,然后逐漸回升至室內環(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,開啟滅火系統后,火源及上方溫度逐漸下降;滅火系統開啟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滅火系統開啟后,火源及上方溫度會出現短暫上升后逐漸下降,在325s時,即滅火系統開啟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滅火系統開啟后,火源及上方溫度逐漸下降,在442s時,即滅火系統開啟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。可見增大噴水強度并不能加快降溫速率,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,當第四層托架溫度達到峰值時,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,當第四層電纜外表面被引燃時,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時的速度慢。

        圖9 工況7火源及上方溫度曲線圖

        2 數值模擬

        2.1 模型建立

        根據全尺寸電氣管廊試驗平臺的實際結構尺寸建立模型,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,模擬工況的設置情況與試驗工況相一致。

        2.3 模擬結果與試驗對比分析

        (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)細水霧滅火系統的影響。模擬與實驗未開啟細水霧滅火系統的條件下,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時的降溫速率。

        綜上,模擬結果與實體試驗結果比較符合,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,細水霧滅火系統開啟后,空間頂部溫度會在一段時間內持續(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將燃燒控制在一定范圍內,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的工況下,模擬與試驗結果存在一定的差異性。但總體上看,細水霧滅火系統的模擬結果與試驗結果具有較好的一致性。

        3 結論

        通過開展細水霧應用于電氣管廊的實體火試驗與數值模擬,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火災的發(fā)展具有一定的影響。在1m/s的范圍內增大風速,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的溫度不具有成比例關系,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,噴水強度不宜設置過大。

        (5)模擬結果與實體火試驗結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。可以采用模擬的方法預測電氣管廊火災的發(fā)展過程。

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