新型阻火墙对电缆沟的防火效果研究*

白 云， 任鑫峰， 苟瑞君

(1. 中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051； 2. 山西省公安厅治安总队， 山西 太原 030000)

电缆主要通过电缆沟、 电缆隧道等敷设， 随着电缆的广泛使用， 敷设范围也变得越来越大. 生活中诸多原因会引发电缆火灾,而且火焰蔓延速度特别快. 近年来关于电缆引发的火灾不胜枚举， 所造成的损失是无可估量的. 因此， 对电缆进行合理的阻燃是非常有必要的.

国内外专家学者对于电缆自身的阻燃性能、 灭火系统以及合理的通风模式对电缆火灾的有效性进行了大量的研究. Grayson等[1]通过电缆燃烧试验, 评估了电缆的防火性能. 李殿臣等[2]通过燃烧试验,结合试验现象和数据,主要分析电缆隧道火灾中各类型电缆的阻燃性能. 曲磊[3]采用火灾试验的方法， 对细水雾灭火系统扑救电缆隧道火灾的有效性进行了研究.

李营等[4]研究了阻燃电缆的良好抗火性能. 张佳庆等[5]通过设置合理的隧道纵向通风， 对火灾情况下的电缆隧道进行了防护研究. 陶海军等[6]通过电缆火灾燃烧实验， 研究了电缆燃烧的烟气温度特征以及防火设计. 罗夏等[7]通过分析不同间隙的竖向电缆燃烧试验， 得到电缆之间的间隙决定着竖向电缆燃烧速率. 彭玉辉等[8]通过对不同外加热辐射、 电缆护套厚度情况下的核级电缆进行燃烧实验测试， 得出热释放速率、 质量损失速率等燃烧特性.

研究者们已经针对电缆采取了一系列的防火措施， 但是阻燃效果慢， 时间有限制， 故采用阻火墙对电缆实现更好的阻燃效果. 电缆防火封堵是火电机组阻止电缆起火蔓延的一项主要措施， 阻火墙在电缆沟的防护方面发挥着非常重要的作用. 传统的阻火墙虽起到阻挡作用， 但对阻火、 阻烟和阻止电缆延燃效果较差. 因此,本文研究一种新型阻火墙来实现对电缆更好的防火效果.

1 试验模型

电缆试验的计算区域在长×宽×高= 18 m×8 m×5 m的受限空间内进行[9]， 阻火墙的设置示意图和试验模型如图 1 所示. 模拟中设置了热电偶， 烟雾探测器和层区设备.

传统阻火墙是用两侧为耐火砖， 中间填沙； 新型阻火墙采用“工字型”结构， 两侧是防火隔板， 采用玻镁防火板. 玻镁防火板是不燃板材， 达到最高防火不燃级别A1级； 遇火无烟、 无毒、 无异味， 节能环保、 经济实惠、 能抗腐蚀、 抗酸抗碱、 坚固耐用、 防虫防霉.

传统阻火墙中间是阻火包， 阻火包是一种绿色环保建材， 采用岩棉、 硅藻土、 水泥砂浆作为填充料. 底部铺设3层粉煤灰砖， 对阻火包垫层形成支撑； 顶部用有机堵料， 加盖防火板.

图 1 阻火墙设置示意图和电缆试验模型Fig.1 Distribution map of fireproof wall and cable test model

2 参数设置及模拟工况

2.1 主要参数设置

新型阻火墙中间采用阻火包堆砌， 其厚度为500 mm， 两侧采用20 mm厚度的防火板封隔. 电缆支架材料为Steel ， 设置通风口为两个窗口，进风口和回风口都为0.5 m×0.5 m的正方形， 风速为1.5 m/s. 模拟时间设定为600 s. 模型中的网格划分为(60， 60， 30)， 共 216 000个网格. 选取电缆沟内中心处的纵向温度作为特征温度， 在中心沿垂直方向自左而右安装6个热电偶. 其中， A区和B区最高点处的热电偶距顶棚2m， 以测定顶棚射流温度， 其余 2 个热电偶以1m的间隔等距分布， 用来测定不同高度的温度变化[10].

试验模型内所使用的电缆， 本论文对其结构进行简单处理,不考虑电缆本身因素. 电缆结构主要由金属导体层、 绝缘层和护套层组成， 这3层的材料属性见表 1. 阻火墙内各材料的属性见表 2.

设置火是从A区域的电缆支架底端开始燃烧的， 即A区域为火源端， B区域为远离火源端. 选择T2模型作为火源的模型[11]， 火源功率设定为8 000 kW， 大小为0.5 m×0.5 m.

表 1 电缆不同结构层材料的性质

表 2 阻火墙各材料的性质

2.2 模拟工况

模拟主要采用新、 旧阻火墙对比分析法. 通过考察传统阻火墙的弊端， 建立新型阻火墙结构. 工况1为传统阻火墙作用下， 电缆沟发生火灾的情况； 工况2为新型阻火墙作用下， 电缆沟发生火灾的情况.

3 火灾模拟结果分析

通过运用 Pyrosim 软件， 模拟出电缆沟内两种工况下， 电缆着火后火焰的传播情况以及烟气含量、 温度和热释放速率、 燃烧速率的变化曲线.

3.1 火焰传播情况分析

为了更直观地观察火焰传播过程， 在模拟中设置了温度切片， 切片位置在y=3.5 m. 用温度切片云图来显示火焰的传播过程[12]. 工况1和工况2的火焰传播情况对比如图 2 所示.

图 2 火焰的传播情况Fig.2 Propagation of flame

由图2可知， 旧阻火墙下， 电缆在90～120 s燃烧速度加快， 说明在通风条件下， 电缆的燃烧火焰沿着电缆的敷设方向快速蔓延， 从而扩大火势. 120 s后电缆火焰延燃至B区域， 120～360 s之间， 电缆燃烧速度相对缓慢. 420 s电缆在B区域急剧燃烧， 一直到600 s都有火焰传播的迹象. 对于新阻火墙， 电缆在90～120 s 燃烧剧烈， 之后火焰传播缓慢， 未延燃至B区域， 说明新阻火墙有效地阻挡了火焰的传播.

3.2 烟气含量曲线图分析

图 3 是B区烟气含量对比分析图. 由于火灾烟气受热浮力作用上升至撞击顶棚， 继而在顶棚上方发生射流现象， 卷吸下部空间冷空气， 造成火灾烟气层厚度增加[13]. 分析图可以看出， 旧阻火墙作用下， 22.8 s烟气含量开始上升， 108 s烟气含量达到83.8%， 此后一直到600 s内， 烟气含量保持在高浓度范围内. 而新阻火墙作用下， 600 s内无烟气释放， 说明新阻火墙在有效时间内抑制了烟气的蔓延， 给B区域提供了安全的空间. 由此可见， 新阻火墙起到了良好的抑烟效果.

3.3 温度曲线分析

图 4 是A区域和B区域的温度对比分析图. 电缆材料在室内燃烧， 释放的热量使周围的环境温度升高[14]. 由图4(a)可知， 在0～100 s内， A区电缆燃烧剧烈， 两曲线急速上升. 100 s后， 两曲线开始回落， 呈下降趋势. 旧阻火墙作用下， 600 s时区域内温度为105 ℃. 而新阻火墙作用下， 600 s温度达到99.3 ℃， 说明新阻火墙的表面材料吸收了部分热量， 使温度有所下降. 分析图4(b)可知， 在旧阻火墙作用下， 69 s 之前温度保持在20 ℃， 69 s后曲线出现了上升的趋势， 486 s出现最大峰值695 ℃， 这说明在486 s时， 电缆剧烈燃烧， 释放出大量的热量， 导致温度急剧上升. 600 s温度降至300 ℃. 而新阻火墙作用下， 600 s内温度保持在20 ℃不变， 有效抑制了热量的传播. 由此可见， 新型阻火墙达到了隔温的效果.

图 3 烟气含量对比分析图Fig.3 Comparative analysis of smoke content

图 4 温度对比分析图Fig.4 Temperature contrast analysis diagram

3.4 热释放速率曲线分析

热释放速率是衡量电缆材料在火灾燃烧过程中所释放的热量[15]. 图 5 是电缆沟内工况1与工况2关于热释放速率和燃烧速率的对比分析图.

图 5 热释放速率和燃烧速率对比分析图Fig.5 The contrast analysis diagram of heat release rate and combustion rate

如图5(a)所示： 旧阻火墙作用下， 92 s时出现第一个热释放速率峰值为20 300 kW， 随后出现一个回落， 这是由于可燃性挥发物发生燃烧后， 消耗量大于生成量. 319 s时， 曲线又出现第二个峰值8 230 kW. 这是由于生成了大量的可燃性挥发物， 使得电缆材料的热释放速率迅速升高. 由于风速的影响而导致电缆燃烧出现不稳定的迹象， 因此图5(a)中热释放速率曲线波动很大， 而随着电缆持续燃烧， 热释放速率有上升的趋势. 485 s出现峰值， 此后曲线回落， 600 s热释放速率达到10 800 kW. 而新阻火墙作用下， 热释放速率曲线在50 s开始迅速上升， 93.6 s到达最大值20 300 kW， 此后曲线平缓. 118～600 s内， 热释放速率的值在1 570～2 780 kW内波动. 600 s达到2 220 kW. 这说明新阻火墙有效地降低了电缆燃烧过程中所释放的热量， 给救援工作提供了更充足的时间. 分析图5(b)可以得出， 0～100 s左右两曲线都呈上升趋势. 旧阻火墙作用下， 104 s燃烧速率达到0.578 kg/s； 104～400 s之间， 曲线相对平缓. 400 s后曲线开始上升， 504 s达到最大值1.65 kg/s， 之后到600 s保持不变. 而新阻火墙作用下， 燃烧速率缓慢， 107 s达到最大值0.586 kg/s， 之后一直到600 s 燃烧速率保持不变， 600 s时达到0.59 kg/s. 由此可见， 新阻火墙作用下， 单位时间内电缆的燃烧量有所减少， 对电缆起到了良好的阻燃效果.

4 结 论

本文针对阻火墙作用下电缆在火灾条件下的燃烧， 利用 PyroSim 软件对火灾的影响因素进行着重分析. 主要研究工作及结论如下：① 针对传统阻火墙的弊端， 设置的新型阻火墙可以有效减缓火焰的传播速度， 进而减缓电缆的延燃. ② 对于有效时间内的电缆火灾模拟， 新型阻火墙作用下， 火源区域外围没有产生烟气， 起到隔烟的效果； 温度达到20 ℃， 起到隔热的效果； 热释放速率达到2 220 kW， 下降了8 580 kW； 燃烧速率达到0.59 kg/s， 降低了1.06 kg/s， 新型阻火墙降低了热释放速率和电缆的燃烧量. ③ 通过对传统阻火墙结构和材料方面的改进， 实现了新型阻火墙良好的防火效果. 因此， 新阻火墙对电缆沟的防火设计具有一定的实用价值, 坚固耐用. 而任何一种阻火措施都不是万能的， 电缆的防火设计必须进行系统考虑,这样才能有效保护电缆沟的安全.

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