吳 丹 王永強(qiáng) 羅晶宇 李德浩 陳溢彬

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

綜合管廊是城市地下管道綜合走廊，即在城市地下設(shè)計(jì)并建設(shè)的一個(gè)市政公用隧道，將通信、燃?xì)狻⒐?、電力、給排水等各種工程管線集于一體，綜合利用城市地下空間，是保障城市運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。隨著我國(guó)綜合管廊的不斷建設(shè)，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也越發(fā)得到重視。電纜倉(cāng)是綜合管廊中火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的區(qū)域。由于電纜倉(cāng)中電纜線的密集敷設(shè)，電纜過(guò)載、相間短路以及電纜絕緣層老化等原因而發(fā)生火災(zāi)將導(dǎo)致電力中斷及管廊結(jié)構(gòu)損壞等更大的損失。

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)更小的霧滴粒徑，有水基滅火劑和氣體滅火劑的雙重特點(diǎn)[2]。細(xì)水霧霧滴粒徑較小，噴射出的水霧較輕，可長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，只有當(dāng)水量極大或通過(guò)極長(zhǎng)時(shí)間才能聚集、凝結(jié)成為水滴，當(dāng)有足夠的霧滴時(shí)才能匯聚成為較大的水滴導(dǎo)電或者是導(dǎo)電的水流段[3]。天津市電力科學(xué)研究院進(jìn)行了細(xì)水霧噴射霧滴的交流耐壓試驗(yàn)[4]，結(jié)果表明細(xì)水霧作用下在35，110，220 kV 3個(gè)電壓等級(jí)下均沒(méi)有發(fā)生工頻交流及閃絡(luò)現(xiàn)象，可見(jiàn)細(xì)水霧系統(tǒng)以其無(wú)污染、電絕緣性良好等特點(diǎn)可以被用于城市地下綜合管廊工程中。程潔群[5]通過(guò)分析綜合管廊的火災(zāi)危險(xiǎn)性及火災(zāi)特點(diǎn)，對(duì)比了傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)、氣溶膠滅火系統(tǒng)、IG541氣體滅火系統(tǒng)及細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為在綜合管廊中使用細(xì)水霧系統(tǒng)較好。劉銀水等[6]在微重力條件下根據(jù)電纜火災(zāi)特點(diǎn)，研究了細(xì)水霧布置方式、噴射角度及粒徑大小等因素對(duì)滅火及電纜線絕緣性的影響。虞利強(qiáng)等[7]以浦東機(jī)場(chǎng)二期工程電纜隧道為背景，開(kāi)展了細(xì)水霧滅電纜火災(zāi)全尺寸模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明在封閉電纜隧道內(nèi)，采用流量系數(shù)為0.45的高壓低流量細(xì)水霧系統(tǒng)可以有效撲救電纜火災(zāi)，且無(wú)復(fù)燃現(xiàn)象的發(fā)生，滅火后環(huán)境溫度可降低到50 ℃ 以下，有效保護(hù)了電纜隧道結(jié)構(gòu)安全。陳炳元等[8]基于理論推導(dǎo)、結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)及FDS模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在壓力和流量滿足一定條件的情況下，粒徑為50～100 μm的細(xì)水霧撲滅電纜艙火災(zāi)的效果較好。劉乃玲等[9]利用FDS對(duì)細(xì)水霧應(yīng)用于狹長(zhǎng)空間火災(zāi)進(jìn)行了模擬，認(rèn)為在狹長(zhǎng)空間內(nèi)噴入細(xì)水霧后，空間各對(duì)應(yīng)斷面溫度均有所降低且在極限范圍內(nèi)，細(xì)水霧噴霧量越大降溫效果越明顯。陳雅惠[10]等通過(guò)FDS對(duì)管廊火災(zāi)進(jìn)行了模擬，分析噴頭的安裝角度對(duì)煙氣層高度及溫度對(duì)滅火效果的影響，并在其工況條件下提出了最優(yōu)安裝角度。孫瑞雪[11]等采用FDS數(shù)值模擬軟件研究了細(xì)水霧流量、管廊通風(fēng)等因素對(duì)細(xì)水霧撲滅管廊火災(zāi)的影響，結(jié)果表明，在細(xì)水霧作用時(shí)，關(guān)閉管廊的通風(fēng)系統(tǒng)更有益于細(xì)水霧滅火。王致遠(yuǎn)[12]等利用FDS模擬管廊風(fēng)速對(duì)細(xì)水霧系統(tǒng)滅火效果的影響，結(jié)果表明細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的有效性以及在城市綜合管廊選用細(xì)水霧系統(tǒng)時(shí)，施加不超過(guò)1.2 m/s的風(fēng)，對(duì)滅火更為有利。已有較多關(guān)于FDS模擬細(xì)水霧滅火有效性的相關(guān)論證，認(rèn)為FDS數(shù)值模型可以用于研究細(xì)水霧滅火，許多學(xué)者對(duì)細(xì)水霧應(yīng)用于管廊火災(zāi)進(jìn)行了模擬，大多集中于對(duì)管廊通風(fēng)效果、細(xì)水霧噴霧量、噴頭角度等方面，水霧粒徑及水霧設(shè)置距離方面研究較少且更多考慮美國(guó)NFPA750相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)選取范圍較大，與我國(guó)實(shí)際管廊噴淋要求不符，很少考慮到我國(guó)具體的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，本文基于FDS模擬技術(shù)，根據(jù)我國(guó)管廊的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)提供的參考范圍內(nèi)，進(jìn)一步對(duì)影響細(xì)水霧滅火的水霧粒徑、噴頭設(shè)置間距及不同起火位置進(jìn)行模擬，得到既能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求且在本文工況下最優(yōu)的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 細(xì)水霧作用下綜合管廊電纜倉(cāng)火災(zāi)數(shù)值模擬

1.1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

網(wǎng)格條件：數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸大小對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度影響較大。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)[13]及FDS指導(dǎo)手冊(cè)中火災(zāi)特征直徑(Characteristic fire diameter)公式[14]：

(1)

式中：D*為火災(zāi)直徑(m)；Q為火源熱釋放率(kW)；ρ0為環(huán)境空氣密度(kg/m3)，一般取1.204 kg/m；Cp為定壓比熱(kJ/K·kg)，一般取1.005 kJ/K·kg；T0為環(huán)境空氣溫度(K)，一般取293 K；g為重力加速度(m/s2)，一般取9.8 m/s2。本文設(shè)置的火源功率大小為Q=250 kW(GB 50898—2013《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[15]中規(guī)定“模擬火源應(yīng)采用丙烷燃燒器，熱釋放速率為250 kW”)，通過(guò)計(jì)算可得D*=0.55。根據(jù)FDS指導(dǎo)手冊(cè)[14]，當(dāng)無(wú)量綱參數(shù)值處于4～16區(qū)間時(shí)，模擬計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。綜合考慮時(shí)間以及效率，本文所有工況網(wǎng)格設(shè)置為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

環(huán)境、邊界條件設(shè)置：環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為101 kPa，管廊結(jié)構(gòu)材料為混凝土。

模型建立：根據(jù)GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[16]建立長(zhǎng)12 m、寬2.5 m、高3 m的管廊模型，如圖1，管廊左右兩端設(shè)置為開(kāi)放空間。根據(jù)GB 50898—2013《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[15]中A.4管廊內(nèi)電纜橋架為8層，橋架寬度為0.6 m，層間距為0.2 m，電纜簡(jiǎn)化為PVC薄板，每層纜架均有電纜分布。規(guī)范中規(guī)定“模擬火源應(yīng)采用丙烷燃燒器，熱釋放速率為250 kW”“燃燒器持續(xù)燃燒時(shí)間為5 min”，因此，確定模擬火源的熱釋放速率大小為250 kW，火源設(shè)置在電纜橋架2，5，8層(分別代表底、中、頂層)。

測(cè)點(diǎn)布置及工況設(shè)置：根據(jù)GB 50898—2013第A.4.4中對(duì)熱電偶布置位置的建議，在電纜廊道中央頂部及高度為1.7 m處(根據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病況報(bào)告(2015)》我國(guó)成年人身高已經(jīng)超過(guò)1.5 m)每隔1 m設(shè)置熱電偶以及一氧化碳測(cè)點(diǎn)。在電纜廊道中央及著火側(cè)設(shè)置2個(gè)溫度切片，用于判斷溫度場(chǎng)及煙氣流態(tài)的整體變化。根據(jù)GB 50898—2013第2.1.1中“在最小設(shè)計(jì)壓力下，經(jīng)噴頭噴出并在噴頭軸線下方1 m處的平面上形成直徑DV0.50小于200 μm，DV0.99小于400 μm的水霧滴”設(shè)置火源位置、細(xì)水霧粒徑、噴頭間距，研究相關(guān)指標(biāo)的變化對(duì)細(xì)水霧滅電纜火災(zāi)的影響，具體工況如表1所示。為保證細(xì)水霧均勻覆蓋到兩側(cè)電纜，細(xì)水霧噴頭霧化錐角均為110°。

圖1 管廊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Pipe gallery structure drawing

表1 模擬工況匯總表Table 1 Summary of simulated working conditions

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 火源位置對(duì)滅火的影響

溫度是判定細(xì)水霧是否撲滅管廊電纜倉(cāng)火災(zāi)的重要參數(shù)之一。根據(jù)GB 50898—2013《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[15]中的實(shí)驗(yàn)要求，丙烷燃燒器應(yīng)預(yù)燃5 min后撤去并啟動(dòng)細(xì)水霧系統(tǒng)。為研究在細(xì)水霧條件作用下火源位置對(duì)管廊電纜倉(cāng)滅火影響，模擬當(dāng)火源位于電纜架底層、中層、高層時(shí)，細(xì)水霧作用對(duì)管廊電纜倉(cāng)的降溫效果，細(xì)水霧噴頭位于管廊中央。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱煙氣最先向上運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致頂棚溫度最高，因此將頂棚溫度變化作為滅火判定指標(biāo)。以火源在電纜架底層時(shí)為例，300 s后撤去火源，有、無(wú)細(xì)水霧作用條件下電纜倉(cāng)頂棚溫度變化情況如圖2所示。從圖2可見(jiàn)，當(dāng)300 s撤去火源后，未施加細(xì)水霧的管廊電纜倉(cāng)溫度在小幅下降后隨著電纜自身被點(diǎn)燃，火勢(shì)逐漸蔓延，溫度隨時(shí)間逐漸升高，在模擬結(jié)束時(shí)溫度可高達(dá)700 ℃ 左右。當(dāng)300 s撤去火源并施加細(xì)水霧時(shí)，管廊電纜倉(cāng)煙氣溫度有明顯下降，50 s內(nèi)溫度由最初的306 ℃ 下降至88 ℃ 左右，隨著細(xì)水霧持續(xù)作用，倉(cāng)內(nèi)溫度逐漸恢復(fù)至室溫，降溫過(guò)程有先快后慢的趨勢(shì)。在管廊電纜倉(cāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)可以應(yīng)用于倉(cāng)內(nèi)并使得溫度在較短時(shí)間內(nèi)得到下降，降溫效果良好。

圖3為當(dāng)火源位于倉(cāng)內(nèi)不同電纜架上時(shí)，細(xì)水霧對(duì)管廊電纜倉(cāng)中央頂棚溫度的降溫效果圖。在300 s撤去火源施加細(xì)水霧后，在電纜架不同層數(shù)起火的火災(zāi)均能被細(xì)水霧撲滅。當(dāng)火源位置位于電纜橋架頂層時(shí)，由于無(wú)遮擋物，細(xì)水霧可以直接作用于起火處，因此在施加細(xì)水霧后最先將溫度降至50 ℃以下?；鹪次恢梦挥谥袑与娎|線處時(shí)，由于電纜橋架結(jié)構(gòu)的影響，各層電纜在燃燒時(shí)橫向蔓延現(xiàn)象不明顯，主要為火源正上方豎向蔓延后才發(fā)生橫向蔓延，因此會(huì)出現(xiàn)當(dāng)火源位于電纜架中層時(shí)，檢測(cè)到的頂棚溫度最高。因?yàn)樵谪Q向蔓延充分的基礎(chǔ)上，熱煙氣在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)距離頂棚比火源在底層時(shí)更近，但當(dāng)細(xì)水霧開(kāi)啟時(shí)也比底層燃燒的電纜先接觸到水霧，因此降溫速度比火源處于底層電纜架時(shí)更快。綜上所述，在管廊電纜倉(cāng)內(nèi)無(wú)論起火位置怎樣變化，模擬結(jié)束時(shí)細(xì)水霧系統(tǒng)均能撲滅倉(cāng)內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)。

圖2 有無(wú)細(xì)水霧溫度變化Fig.2 Temperature changes with or without water mist

圖3 火源位于不同位置溫度變化Fig.3 Temperature changes at different locations of the fire source

2.2 細(xì)水霧粒徑對(duì)管廊電纜倉(cāng)滅火的影響

為探究粒徑大小變化對(duì)管廊電纜倉(cāng)滅火降溫效果的影響，根據(jù)GB 50898-2013第2.1.1中規(guī)定，本文設(shè)置了4種粒徑工況：100，200，300，400 μm，各個(gè)工況均在300 s撤出火源并啟動(dòng)細(xì)水霧系統(tǒng)。圖4-圖5分別為管廊電纜倉(cāng)中央頂棚溫度變化及管廊高度為1.7 m處CO濃度變化趨勢(shì)圖。

圖4 不同細(xì)水霧粒徑下廊內(nèi)頂棚溫度變化Fig.4 Temperature changes of the ceiling in the corridor with different particle sizes of water mist

圖5 不同細(xì)水霧粒徑下廊內(nèi)CO濃度變化Fig.5 CO concentration changes in the corridor with different particle sizes of water mist

從圖4可以看出，300 s前，4種細(xì)水霧粒徑作用下管廊電纜倉(cāng)頂棚溫度變化一致，當(dāng)300 s開(kāi)啟細(xì)水霧系統(tǒng)后，50 s內(nèi)粒徑為100 μm的細(xì)水霧使得頂棚溫度最先下降至64 ℃ 左右。這是由于粒徑越小，細(xì)水霧彌散性越好，在同樣的火場(chǎng)中，與上升熱煙氣接觸后更易蒸發(fā)吸熱，因此在50 s內(nèi)首先將溫度降至最低。滅火前期50 s內(nèi)降溫效果由強(qiáng)到弱依次為100 μm>200 μm>300 μm>400 μm。隨著細(xì)水霧的持續(xù)作用，粒徑為300 μm與400 μm的細(xì)水霧降溫趨勢(shì)相近，均在450 s左右將管廊電纜倉(cāng)溫度降至室溫20 ℃，而粒徑為200 μm的細(xì)水霧在510 s左右才將廊內(nèi)溫度恢復(fù)至室溫，粒徑為100 μm的細(xì)水霧降溫最為緩慢，在815 s左右將廊內(nèi)溫度恢復(fù)至室溫。究其原因，是因?yàn)樵谙嗤?xì)水霧噴頭壓力下，粒徑越大，動(dòng)量越大，更加容易穿過(guò)上升熱煙氣到達(dá)燃燒表面對(duì)正在燃燒的電纜起到良好的降溫效果且有效避免火勢(shì)蔓延。

從圖5的一氧化碳濃度變化也可印證前述結(jié)果。粒徑為300 μm與400 μm的細(xì)水霧在滅火過(guò)程中所產(chǎn)生的一氧化碳較少，這是因?yàn)檩^大粒徑更易到達(dá)燃燒表面，很好地阻止火勢(shì)蔓延，避免了在水霧作用下的持續(xù)不完全燃燒，而粒徑為100 μm的細(xì)水霧作用下，一氧化碳濃度波動(dòng)幅度最大且在600 s后一氧化碳濃度才有明顯的逐步下降趨勢(shì)。

綜合考慮滅火時(shí)間和一氧化碳濃度(一氧化碳還可以助燃，但受到氧濃度的影響)以及規(guī)范中要求(細(xì)水霧粒徑小于400 μm)，最佳粒徑選擇為300 μm。小粒徑的水霧在滅火前期表現(xiàn)最好，但在實(shí)際工程中，細(xì)水霧的粒徑并非越小越好，從機(jī)械加工工藝方面考慮，細(xì)水霧粒徑越小，對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)要求越高，制作更為精密，后期的保養(yǎng)難度也會(huì)上升，因此成本也更高。綜合考慮時(shí)間及設(shè)備成本，可將細(xì)水霧粒徑范圍選擇在300～400 μm(不包含400 μm)之間。

2.3 細(xì)水霧布置間距對(duì)管廊電纜倉(cāng)滅火的影響

根據(jù)GB 50898-2013第3.4.4中規(guī)定在電纜廊道中細(xì)水霧最大布置間距為3 m，為探究細(xì)水霧布置間距的不同對(duì)管廊電纜倉(cāng)火災(zāi)滅火的影響，設(shè)置細(xì)水霧布置間距為1，2，3 m。

由圖6可見(jiàn)，3種工況下，開(kāi)啟細(xì)水霧噴頭后均能使倉(cāng)內(nèi)溫度降低有效滅火，其中當(dāng)細(xì)水霧布置間距為1 m時(shí)，頂棚溫度在50 s內(nèi)最先下降到50 ℃，并在 416 s時(shí)使管廊電纜倉(cāng)內(nèi)溫度降至20 ℃ (恢復(fù)常溫)。滅火所需時(shí)間隨著細(xì)水霧布置間距的增大而增大，這是因?yàn)椋杭?xì)水霧噴頭間距越近，意味著噴頭數(shù)量越多，更多的水霧會(huì)充滿整個(gè)倉(cāng)內(nèi)，降溫效果也更好，縮短了滅火時(shí)間。

由圖7可見(jiàn)，在不同細(xì)水霧布置間距下，一氧化碳生成量則與滅火時(shí)間及降溫效果呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)，一氧化碳生成量1 m>2 m>3 m。究其原因，當(dāng)噴頭豎向布置間距過(guò)小會(huì)使得相鄰噴頭噴放的細(xì)水霧過(guò)早交互而減少動(dòng)能，水霧在倉(cāng)內(nèi)充分彌散，隔絕氧氣的效果也更明顯，因而發(fā)生的不完全燃燒更充分，隨著細(xì)水霧的持續(xù)作用，燃燒的電纜得到充分降溫，倉(cāng)內(nèi)一氧化碳含量也逐步下降。

從滅火時(shí)間及有毒害氣體生成量的角度出發(fā)，雖然當(dāng)噴頭布置間距為1 m時(shí)所用的滅火時(shí)間最短，但其在滅火初期過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化碳一段時(shí)間內(nèi)比其他兩種工況都高，且在滅火時(shí)間上布置間距為1 m的工況較其他兩種工況并未有較大優(yōu)勢(shì)，考慮到細(xì)水霧布置間距越近噴頭數(shù)量越多其水量也相應(yīng)增多，過(guò)大水量在管廊電纜倉(cāng)內(nèi)會(huì)引起電纜短路，因此，在本文工況條件下建議在管廊電纜倉(cāng)內(nèi)細(xì)水霧噴頭布置間距為3 m，既滿足滅火效能，又能降低噴頭數(shù)量減少成本，同時(shí)可以減少水量。

圖6 不同噴頭間距下廊內(nèi)頂棚溫度變化Fig.6 Temperature changes of the ceiling in the corridor under different spacing of nozzles

圖7 不同噴頭間距下廊內(nèi)CO濃度變化Fig.7 CO concentration changes in the corridor under different spacing of nozzles

3 結(jié)論

本文基于FDS模擬技術(shù)分析了在綜合管廊電纜倉(cāng)中細(xì)水霧設(shè)置相關(guān)參數(shù)及火源位置的不同對(duì)細(xì)水霧滅電纜火災(zāi)效果的影響，結(jié)果表明：(1)在城市地下綜合管廊電纜倉(cāng)中施加細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能夠有效撲滅電纜倉(cāng)發(fā)生的火災(zāi)，且當(dāng)起火位置位于不同層數(shù)的電纜架時(shí)，雖滅火時(shí)長(zhǎng)有所不同，但均能在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前將電纜倉(cāng)內(nèi)火災(zāi)撲滅。(2)粒徑為100 μm的細(xì)水霧彌散性最好，在滅火初期對(duì)管廊電纜倉(cāng)內(nèi)降溫效果最優(yōu)，滅火前期50 s內(nèi)降溫效果由強(qiáng)到弱依次為100 μm>200 μm>300 μm>400 μm，但在相同的細(xì)水霧噴頭壓力下，粒徑越大，霧滴動(dòng)量越大，更加容易穿過(guò)上升熱煙氣到達(dá)燃燒表面，粒徑300 μm與400 μm所需的滅火時(shí)間更短，考慮細(xì)水霧滅火時(shí)間及設(shè)備成本，在本文條件工況下的工程中，建議細(xì)水霧粒徑選擇300～400 μm。(3)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用于城市地下綜合管廊中時(shí)，當(dāng)噴頭間距設(shè)置為1，2，3 m時(shí)對(duì)管廊內(nèi)頂棚溫度降溫效果差距不大，但過(guò)密的布置會(huì)使得相鄰噴頭噴放的細(xì)水霧過(guò)早交互而減少動(dòng)能，隔絕氧氣的效果也更明顯，會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)一氧化碳濃度升高，綜合考慮到人員疏散以及過(guò)密的布置會(huì)導(dǎo)致更大的水量，水量過(guò)大可能引起倉(cāng)內(nèi)電纜線損壞，在本文工況條件下的工程中，建議細(xì)水霧布置間距為3 m。