李彥林

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇張家港 215600）

0 引言

地下電纜隧道布置有密集高壓、低壓電纜。電纜在常年運(yùn)行下處于發(fā)熱狀態(tài)，且老化電纜運(yùn)行過程中火災(zāi)控制措施的有效性未知，火災(zāi)發(fā)生后難以撲救，并難以在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)，將導(dǎo)致鋼廠大面積停產(chǎn)，進(jìn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響，故需對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)對(duì)電纜隧道的保護(hù)展開研究。

《鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50414—2018）中規(guī)定在鋼鐵冶金企業(yè)中宜選用水噴霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)所保護(hù)，但未對(duì)具體電纜隧道進(jìn)行水噴霧系統(tǒng)參數(shù)的確定。《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50129—2014）中有相關(guān)統(tǒng)一的規(guī)范，即最低要求對(duì)水噴霧滅火系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，但有些電纜隧道建造時(shí)期早、使用年限長，建設(shè)初期設(shè)計(jì)要求與如今規(guī)范要求有所差異，因此，亟需開展滅火系統(tǒng)綜合治理研究，對(duì)此類型電纜隧道的滅火系統(tǒng)進(jìn)行分析并優(yōu)化，以避免火災(zāi)發(fā)生后造成更大事故損失，并能夠及時(shí)控制火勢(shì)以滿足電纜隧道的消防安全需求。

依托某鋼企電纜隧道工程，通過調(diào)研分析選取電纜隧道中噴水滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，并對(duì)其滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性和科學(xué)性進(jìn)行評(píng)估，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以滿足電纜隧道的消防安全需求。

1 電纜隧道水噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 依托工程

該工程電纜隧道高約2.5 m，寬約2 m，全長約530 m，共分為10 個(gè)防火分區(qū)，用于連接廠區(qū)各處地下電纜層。內(nèi)部電纜橋架為5 層，單側(cè)布置，主要電纜類型為35 kV、10 kV 與3 kV 高壓電纜、380 V 低壓動(dòng)力電纜、低壓控制電纜、通訊光纜等，以第2 區(qū)為例，實(shí)體及斷面示意如圖1 所示。

圖1 5 層電纜橋架實(shí)體及斷面示意

隧道內(nèi)電纜集中、數(shù)量眾多，不僅有大量的動(dòng)力電纜和通信電纜，還有高壓輸配電電纜，其環(huán)境溫度較高，內(nèi)部可燃物復(fù)雜，具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性。并且整個(gè)電纜隧道造價(jià)高，擔(dān)負(fù)著向各部門提供動(dòng)力電源和通信信號(hào)的重要職責(zé)，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果不可估量，因此擬采用水噴霧滅火系統(tǒng)對(duì)電纜隧道進(jìn)行保護(hù)。

1.2 電纜隧道自動(dòng)滅火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)確定

結(jié)合電纜隧道中橋架布置和電纜類型，依據(jù)《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50129—2014）及各項(xiàng)文獻(xiàn)研究，給出自動(dòng)滅火系統(tǒng)布置初步方案。

供給強(qiáng)度、持續(xù)供給時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間文獻(xiàn)信息見表1，噴頭工作壓力文獻(xiàn)信息見表2，布置方式文獻(xiàn)信息見表3，流量參數(shù)文獻(xiàn)信息見表4。

表1 供給強(qiáng)度、持續(xù)供給時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間文獻(xiàn)信息

表2 噴頭工作壓力文獻(xiàn)信息

表3 噴頭布置方式文獻(xiàn)信息

表4 噴頭流量參數(shù)文獻(xiàn)信息

綜上，在規(guī)范范圍以及各研究者設(shè)計(jì)范圍內(nèi)設(shè)定一個(gè)最低要求的水噴霧滅火系統(tǒng)參數(shù)條件，探究其滅火性能并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，因此在供給強(qiáng)度、持續(xù)供給時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間和工作壓力設(shè)定一個(gè)底線值，分別為13 L/（min·m2）、0.4 h、15 s、0.35 MPa；由于電纜隧道工程左側(cè)為電纜橋架而右側(cè)為巡檢通道，設(shè)計(jì)下噴+側(cè)噴最為合適，通過噴頭設(shè)備調(diào)研以及實(shí)現(xiàn)隧道電纜全覆蓋選取霧化角下噴120°/側(cè)噴90°，下噴噴頭間距為1 m 且位于電纜橋架頂部1/2處，側(cè)噴噴頭間距為1.7 m 且位于巡檢通道側(cè)墻離地1.625 m 處；噴霧流量通過噴頭廠商參數(shù)選取22.5 L/min。初步方案參數(shù)如表5 所示。

表5 初步方案參數(shù)

2 水噴霧滅火性能分析

2.1 數(shù)值建模

利用FDS建立該電纜隧道5 層橋架分區(qū)隧道尺寸模型。邊界條件：混凝土隧道壁面設(shè)為“CONCRETE”；隧道兩端洞口設(shè)為與外界連通的開口邊界“OPEN”；隧道內(nèi)初始溫度設(shè)為20 ℃，大氣壓設(shè)為101.325 kPa。本項(xiàng)目電纜的主要材料是PVC，故其火災(zāi)熱釋放速率設(shè)為0.65 MW［9］，火災(zāi)增長系數(shù)取為0.046 89 kW/s2?；鹪疵娣e為0.05 m2，位于電纜外表面。

網(wǎng)格尺寸是影響FDS 計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素。網(wǎng)格尺寸在1/16D*～1/4D*［10］，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。本模擬采用近火源區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.25 m×0.25m×0.25m，火源遠(yuǎn)端網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m。

2.2 滅火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為充分保證該電纜隧道滅火性能，提出水噴霧滅火性能的2 個(gè)判斷指標(biāo)：水噴霧全覆蓋以及穩(wěn)定溫度T0。

（1）水噴霧全覆蓋?！端畤婌F滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50129—2014）第3.2.9 條：當(dāng)保護(hù)對(duì)象為電纜時(shí)，水霧噴頭的布置應(yīng)使水霧完全包圍電纜。

在水噴霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)工作時(shí)，橫向上水噴霧覆蓋至整個(gè)電纜橫斷面，尤其注重最低層電纜靠墻最內(nèi)側(cè)，縱向上水噴霧覆蓋電纜隧道整個(gè)高度，如圖2 所示，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜隧道的全覆蓋。

圖2 電纜隧道全覆蓋截面示意

綜上，從模擬結(jié)果云圖中查看水噴霧滅火系統(tǒng)中滅火介質(zhì)將電纜完全包裹實(shí)現(xiàn)電纜隧道全覆蓋為判據(jù)，驗(yàn)證其水噴霧滅火性能。

（2）穩(wěn)定溫度T0。本隧道電纜主要為工作電壓＜100 kV 的ZR-YJV 型電纜，是具有阻燃特性的交聯(lián)聚乙烯護(hù)套銅芯電纜。①該電纜隧道一級(jí)報(bào)警溫度為80 ℃，二級(jí)報(bào)警溫度為150 ℃，三級(jí)報(bào)警溫度為350 ℃。②纜線芯外部材質(zhì)熔點(diǎn)（170～190 ℃）設(shè)定為150 ℃，阻燃電纜外層護(hù)套燃點(diǎn)為200 ℃。

綜上，結(jié)合報(bào)警溫度以及電纜外層護(hù)套燃點(diǎn)，以電纜隧道中電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下為判據(jù)來驗(yàn)證其水噴霧滅火性能，即T0≤150 ℃。

2.3 水噴霧滅火性能分析

設(shè)定水噴霧的啟動(dòng)方式受時(shí)間控制且為5 s 啟動(dòng)。從橫、縱2 個(gè)方向研究其水噴霧全覆蓋性以及溫度穩(wěn)定性，模擬所得電纜隧道內(nèi)水噴霧工作及溫度云圖如圖3 所示，5 層電纜橋架棚頂溫度曲線見圖4。由圖3—圖4 可得：①在25 s 時(shí)，火源溫度最高達(dá)519.39 ℃，且從火源縱向截面可以看出火勢(shì)蔓延較快，火源左側(cè)5.1m、右側(cè)5.6 m溫度已上升至140 ℃左右；②開啟水噴霧滅火系統(tǒng)至100 s時(shí)，火源橫、縱向截面溫度明顯降低，維持在250 ℃左右，即噴頭工作已實(shí)現(xiàn)橫、縱向截面的全覆蓋；③開啟水噴霧滅火系統(tǒng)至300 s 時(shí)，火源上方頂棚溫度已趨于穩(wěn)定，375 s 時(shí)溫度達(dá)到最低，達(dá)180.13 ℃，未達(dá)到溫度降至150 ℃以下的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 5 層電纜橋架橫、縱向水噴霧工作及溫度云圖

圖4 5 層電纜橋架棚頂溫度曲線

綜上，針對(duì)2 區(qū)5 層電纜橋架火災(zāi)區(qū)段，當(dāng)在該區(qū)段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，供給強(qiáng)度13 L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距為1 m，側(cè)噴噴頭霧化角90°，噴頭間距為1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量22.5 L/min，此工況只能滿足其實(shí)現(xiàn)電纜全覆蓋，不能滿足電纜隧道中電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此需在此基礎(chǔ)工況下對(duì)噴頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此滿足全部滅火判據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)滅火。

3 水噴霧滅火系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)初步設(shè)計(jì)參數(shù)方案進(jìn)行模擬，在此初步方案下能夠?qū)﹄娎|隧道進(jìn)行降溫，但由于電纜橋架相疊加，存在遮擋，導(dǎo)致水噴霧無法即時(shí)有效地覆蓋住火勢(shì)，因此在其他條件不變的情況下，增加噴霧流量，設(shè)置為30 L/min，模擬所得電纜隧道內(nèi)水噴霧工作及溫度云圖如圖5 所示，5 層電纜橋架優(yōu)化后棚頂溫度曲線見圖6。由圖5—圖6 可得：①在25 s 時(shí)，火源溫度最高達(dá)320.15 ℃，與優(yōu)化前相比同時(shí)段溫度下降明顯；②開啟水噴霧滅火系統(tǒng)至100 s時(shí)，相對(duì)于優(yōu)化前，火源橫、縱向截面溫度降低更快且溫度更低，維持在180 ℃左右，且噴頭工作已實(shí)現(xiàn)橫、縱向截面的全覆蓋；③開啟水噴霧滅火系統(tǒng)至180 s時(shí)，火源上方頂棚溫度已降低至150 ℃以下，達(dá)138.93 ℃，且溫度逐步降低，趨于穩(wěn)定，從云圖上看已接近室溫（隧道內(nèi)初始溫度設(shè)為20℃），優(yōu)化后達(dá)到溫度降至150℃以下的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 5 層電纜橋架優(yōu)化后橫、縱向水噴霧工作及溫度云圖

圖6 5 層電纜橋架優(yōu)化后棚頂溫度曲線

綜上所述，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后的滅火系統(tǒng)供給強(qiáng)度13L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距1m，側(cè)噴噴頭霧化角90°，噴頭間距1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量30 L/min，可滿足滅火有效性2 個(gè)判據(jù)：①電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃以下；②水噴霧實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)全覆蓋，故滅火系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)合理可行。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬對(duì)某鋼企電纜隧道工程水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。研究表明：

（1）A0 基礎(chǔ)工況下供給強(qiáng)度13 L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距1m，側(cè)噴噴頭霧化角90°，噴頭間距1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量22.5 L/min，僅能實(shí)現(xiàn)電纜全覆蓋，不能實(shí)現(xiàn)電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下這一評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）在參數(shù)優(yōu)化工況A1 下，噴霧流量優(yōu)化設(shè)為30 L/min，能有效降低電纜隧道內(nèi)溫度，滿足電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足該電纜隧道的消防安全需求。

（3）最終確定水噴霧滅火系統(tǒng)的最佳滅火系統(tǒng)參數(shù)為：水供給強(qiáng)度13 L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距為1m，側(cè)噴噴頭霧化角90°，噴頭間距1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量30 L/min。