潘泓宇

上海市松江區(qū)城市建設(shè)綜合管理事務(wù)中心 上海 201600

綜合管廊是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。2015年8月國務(wù)院辦公廳發(fā)表了《關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導意見》。綜合管廊在城市中的建設(shè)，對消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網(wǎng)”等具有極大意義，但隨著高壓電纜、燃氣等管道入廊敷設(shè)，綜合管廊的火災隱患是一個不容忽視的問題。故本文以松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊為例，通過模擬計算，針對管廊內(nèi)110kV電纜引起的火災，分析火災蔓延特征和環(huán)境溫度，求證自動滅火系統(tǒng)設(shè)置必要性，探討懸掛式超細干粉和細水霧這兩種目前應(yīng)用最多的自動滅火系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，以期對今后管廊建設(shè)和安全運行提供參考。

1 工程概況

作為上海最大規(guī)模綜合管廊試點——松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊規(guī)劃長度21.7km，除設(shè)置有常規(guī)的電力艙、綜合艙外，大膽探索、先行先試，為雨、污水和燃氣入廊設(shè)置單獨艙室，同時創(chuàng)造性的結(jié)合海綿城市理念，設(shè)置了初期雨水艙用于雨水調(diào)蓄，防止城市內(nèi)澇，走在了國內(nèi)前沿，極具科研價值，因此本文將其作為研究對象。

電力艙橫斷面內(nèi)部尺寸寬×高為2.6m×3.8m，電力艙每個防火分區(qū)長度200m，防護分區(qū)之間采用不燃性墻體進行防火分隔，防火分隔處設(shè)置甲級防火門，管線穿越防火隔斷部位采用防火封堵措施嚴密封堵。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 模擬軟件

電纜火災的數(shù)值模擬模型主要包括區(qū)域模型和流體動力學計算模型，由美國標準與技術(shù)研究院NIST開發(fā)的火災動力學仿真模型（FDS）是典型的流體動力學計算模型。本次利用pyrosim建立模型后運行FDS進行計算。

2.2 模型簡化及相關(guān)參數(shù)的確定

2.2.1 模型建立和簡化。以坐標原點為起始點，X軸正方向為橫斷面寬，Z軸正方向為橫斷面高，Y軸正方向為防火分區(qū)長，根據(jù)管廊實際尺寸1：1建立模型。

2.2.2 網(wǎng)格尺寸。防火分區(qū)長度200m，設(shè)置著火點在防火分區(qū)中間位置，考慮到軟件計算效率和電纜直徑大小，以著火點為中心設(shè)置網(wǎng)格邊界：MinX=0m，MaxX=3.35m，Min Y=98m，MaxY=102m，MinZ=0m，MaxZ=4.65m。計算單元尺寸：0.04m×0.04m×0.04m。

2.2.3 電纜參數(shù)設(shè)定。電纜結(jié)構(gòu)復雜，一根YJV電纜由內(nèi)而外由線芯（Cu或Al）、絕緣材料（XLPE）、填充材料（陶瓷纖維）、內(nèi)護套和包帶（PVC）、鎧裝（鋼）、外護套（PVC）組成，其中主要燃燒反應(yīng)物為XLPE和PVC，因此將電纜看作線芯，PVC、XLPE組成后首先在軟件中建立PVC和XLPE兩種材料，根據(jù)耗氧原理計算出[1]PVC燃燒熱16768kJ/kg，XLPE燃燒熱43825kJ/kg，然后建立surface類型為Layered的110kV和110kVBurn（PVC14.5mm、XLPE18mm）、10kV（PVC3.2mm、XLPE3.4mm）、自用電纜（PVC1.4mm、XLPE0.7mm）四種表面。

YJV電纜燃燒根據(jù)錐形量熱計實驗可以得到熱釋放速率隨時間變化的曲線圖[2]（圖1），將兩條曲線取均值合并后利用Engauge Digitizer導出，錄入110kV、10kV、自用電纜三個表面。

圖1 YJV電纜燃燒過程熱釋放速率變化圖

2.2.4 引燃方式。國內(nèi)有些研究在建立電纜燃燒模型時，往往采用建立一個靠近電纜的火源，設(shè)置火源功率后引燃電纜[3-4]。但實際上，電力故障是影響電纜隧道火災發(fā)生的首要因素[5]，由于電力故障種類多樣，無法直徑確定火源功率，因此本文僅研究電纜達到燃點后的燃燒過程。

設(shè)置電纜燃點為300℃，將110kVBurn表面起始溫度設(shè)為310℃，用于放置在起火點，其他表面起始溫度為室溫20℃（TMPA） 。

3 火災模擬結(jié)果和分析

起火點位于圖左側(cè)的110kV電纜最上層，建立起火點處的垂直于Y軸的溫度切面，模擬結(jié)果顯示：35.5s時燃燒僅在110kV電纜處，但其上方的10kV電纜層周邊溫度已到達300℃；48.3s時，在兩層10kV電纜未點燃的情況下，300℃煙氣沿電纜間縫隙蔓延至自用電纜耐火橋架處；僅幾秒后，57.8s兩層10kV電纜突然燃燒，火勢蔓延至自用電纜耐火橋架，兩層10kV電纜均被點燃，但由于耐火橋架阻擋，自用電纜周圍溫度并不高；隨后300℃煙氣上升至頂板，不斷聚集，在103.9s時引燃對側(cè)10kV電纜和自用電纜。

模擬結(jié)果表明，110kV電纜燃燒發(fā)生后35s內(nèi)是最佳滅火時間，隨后火勢發(fā)展迅速，在23s內(nèi)引燃兩層10kV電纜，損失慘重。

4 自動滅火系統(tǒng)的選擇

細水霧滅火系統(tǒng)和超細干粉滅火系統(tǒng)是目前國內(nèi)管廊建設(shè)領(lǐng)域采用最多的兩種自動滅火系統(tǒng)。

4.1 細水霧滅火系統(tǒng)

是利用水霧噴頭在工作高壓下將水噴出并在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑Dv0.50小于200μm，Dv0.99小于400μm的水霧滴。主要作用機理為冷卻、窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用。但根據(jù)管廊電力艙火災模擬結(jié)果，此系統(tǒng)的應(yīng)用有明顯劣勢：

4.1.1 電纜燃燒發(fā)生后35s內(nèi)是最佳滅火時間，但根據(jù)細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，管廊電力艙采用全淹沒開式系統(tǒng)，響應(yīng)時間不應(yīng)大于30s。實際設(shè)計中，為追求經(jīng)濟性，響應(yīng)時間往往都接近30s，再加上接收火災報警信號等時間，此時火勢已開始蔓延。

4.1.2 根據(jù)相關(guān)研究，細水霧泵房服務(wù)半徑控制在1km以內(nèi)，否則配水管道過長導致水損高，選用高揚程水泵，增加設(shè)備及管道投資[6]。松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊規(guī)劃長度21.7km，細水霧滅火系統(tǒng)明顯不適用。

4.2 超細干粉滅火系統(tǒng)

超細干粉滅火原理主要為，無機鹽的揮發(fā)性分解物與燃燒過程中燃料所產(chǎn)生的自由基或活性基團發(fā)生化學抑制和負催化作用，使燃燒的鏈反應(yīng)中斷而滅火。

松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊采用懸掛式超細干粉滅火裝置，具有以下明顯優(yōu)點：

4.2.1 電纜燃燒發(fā)生后35s內(nèi)是最佳滅火時間，該系統(tǒng)采用全淹沒式，設(shè)計滅火劑噴放時間≤10s，可在電力發(fā)生燃燒初期將火撲滅，防止火災蔓延至相鄰電纜橋架，減少損失。

4.2.2 超細干粉系統(tǒng)不需要管道建設(shè)，初次建設(shè)和后期維護費用低。按同等的保護面積或容積計算，細水霧滅火系統(tǒng)初次建設(shè)成本是超細干粉系統(tǒng)的三倍以上。

綜上，超細干粉滅火系統(tǒng)滅火反應(yīng)迅速，造價低，在管廊消防系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)加大推廣力度，更好的保障管廊運行安全。