成都东部新区绛溪二线（3号路）综合管廊自动灭火系统设计

李驰昊， 许江城， 吴玥含， 江利， 伍小林

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 成都 610072）

城市综合管廊是将电力、 通信、 热力、 燃气、雨污水等多种市政管线集中敷设于同一地下空间，舱室内管线种类多， 运行过程相互影响， 所以存在多种火灾风险因素。 廊内设有大量电器设备和电缆， 这些都可能导致带电火灾（E 类）。 管廊建设水平提升也将燃气管道纳入综合管廊， 但燃气管道气体泄漏可能引发气体火灾（C 类）或爆炸。 此外， 运行的排水管道由于污水流动而释放出可燃气体， 这也是导致C 类火灾的原因之一。 廊内热水管和空调管线的保温层和屏蔽层的材料易燃， 可能引起固体火灾（A 类）。 由此分析， 综合管廊内各种运行管线都是潜在的火灾风险。 除此之外， 维修人员进入管廊进行日常维护和管理时， 可能会带一些易燃材料和物品， 可能会引起A 类火灾或B 类火灾（液体或可熔化的固体物质火灾）。 综上， 综合管廊火灾原因有很多， 既有运行管道因素， 也有外部等因素。

结合规范要求及设计经验， 管廊内容易引发火灾的主要是天然气管道、 电力电缆两类， 当管廊舱室内同时有两类及以上的管线时， 火灾危险类别应按危险性较大管线确定［1］。

本文以成都东部新区南中心绛溪二线（3 号路）综合管廊为例， 介绍管廊消防措施及自动灭火系统选型计算， 进行不同灭火系统技术经济比较分析。

1 工程概况

成都东部新区南中心绛溪二线（3 号路）综合管廊建设长度约1.8 km。 结合《空港新城综合管廊规划》要求和各市政管线等需求， 确定绛溪二线（3 号路）管廊净空横断面尺寸为： （3.4 m ＋1.8 m） ×3.5 m， 包含综合舱和电力舱。 综合管廊标准横断面如图1 所示。

图1 综合管廊标准横断面Fig. 1 Standard cross-section of utility tunnel

其中， 综合舱管线放置20 回10 kV 电力线缆、DN 400 mm 再生水管、 DN 600 mm 输水管和40 孔通信线缆， 电力舱放置32 回10 kV 电力线缆。 根据火灾危险性分类， 结合舱内管线布置情况， 综合舱和电力舱危险类别均为丙类， 综合舱定性为轻危险级， 电力舱则为中危险级。

2 综合管廊内消防措施

根据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》规定， 并结合管廊建设经验， 绛溪二线（3 号路）管廊主要的消防措施有：

（1） 防火分区。 防火分区按不超过200 m 设置， 共划分11 个防火分区， 不同分区间利用常闭甲级防火门连通。

（2） 自动报警系统。 每个防火分区内布置感温光缆、 手动报警按钮、 消防电话、 声光报警器， 配电间布置差定温探测器、 感烟探测器等设备。 每2个防火分区设置1 台区域火灾报警控制器， 在控制中心设置火灾集中报警控制器， 区域及集中报警器之间采用光缆连接。 当探测器及测温光（电）缆发出检测信号， 火灾报警装置联动视频监控系统， 跳出该防火分区的视频画面， 火灾报警控制主机可自动或通过人工确认报警， 进入火灾处理程序。

（3） 通风系统。 管廊内各舱室运行工况采用机械进风、 机械排风的通风方式。 大约每隔200 m 设为一个通风区间， 区间内一端设进风口另一端设出风口， 形成推拉式的纵向通风系统。 火灾工况时可关闭相应的通风设施， 确保发生火灾的防火分区的密闭。 待确认火灾熄灭并冷却后， 启动火灾后通风系统排除火灾后残余的有毒烟气。

（4） 自动灭火系统。 自动灭火系统由超细干粉灭火剂、 灭火装置智能控制主机、 区域控制单元、火灾自动报警系统等组成。 电力舱和综合舱标准段设1 排灭火装置， 分别间距3 m 和2 m 布置， 对特殊节点设2 排灭火装置， 排间距1.5 m 布置。 通过控制主机和控制单元对接外部控制信号， 实现火灾工况时启动灭火装置喷洒超细干粉灭火。

（5） 手动灭火器。 灭火器型号为手提式磷酸铵盐干粉灭火器（MF／ABC6）， 充装6 kg 灭火剂。 电力舱和综合舱分别间隔40 m 和30 m 设置2 具灭火器，通风口防火门处、 投料口等所有节点均设置灭火器。

3 综合管廊自动灭火系统比较

目前， 国内综合管廊采用的自动灭火方式有：气体、 水喷雾、 超细干粉、 高压细水雾、 气溶胶等方式。 根据现行规范及工程案例， 对常见灭火方式进行设计参数计算和工程建设内容分析比较。

3.1 气体灭火系统

气体灭火系统由输气管道、 储存装置、 启动装置、 控制系统和外储压式灭火剂等组成。 卤代烷烃灭火剂（七氟丙烷等）易保存， 可用于扑灭A、 B、E 类火灾以及灭火前能切断气源的气体火灾， 目前国内应用的实例有沈阳南运河综合管廊、 武汉市中央商务区综合管廊等［2］。

气体灭火以七氟丙烷为介质， 设计以GB50370—2005《气体灭火系统设计规范》为根据， 参考该规范的3.3.14 公式计算， 对单个防火分区进行设计。 海拔高度修正系数K ＝0.885， 实际容积V ＝2 380 m3， 质量体积S ＝0.137 16 m3／kg， 灭火剂设计浓度C1＝9%， 计算得到灭火剂设计用量W ＝1 518.78 kg。 根据储存容器内剩余量ΔW1＝40.81 kg、 管网内剩余量ΔW2＝0， 计算得储存量W0＝1 559.59 kg， 每个防火分区需设置1 套外储压式气体灭火系统， 10 个储气瓶， 储气瓶约占用15.5 m2。 本项目共需设置100 个158.76 kg 钢瓶， 需占用155 m2的储气瓶储存空间。 计算分析可知， 七氟丙烷气体灭火存在占地空间大、 药剂量多， 需专门设置土建存储空间， 对保护长距离综合管廊经济成本较高。

3.2 水喷雾灭火系统

水喷雾灭火系统由加压供水泵组、 雨淋阀组、供水管道和喷头等组成［3］， 通过水压作用将水流分解成细小的雾状水滴喷向燃烧物， 可高效扑救A、B 和E 类火灾等。 管廊工程应用水喷雾灭火系统的实例有合肥市滨湖城市天地综合管廊、 广州市疾控中心道路管沟、 上海安亭新镇管廊等［4］。

水喷雾灭火系统设计以GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》为根据， 参考该规范的7.1～7.2 公式计算， 设计喷雾强度q1＝13 L／（min·m2），持续供给时间t ＝0.4 h， 计算得出200 m 防火分区水喷雾灭火系统设计流量Q ＝154.86 L／s， 水箱容量V ＝223 m3。 系统采用DN 150 mm 管道， 根据管道内水的平均流速v ≤5 m／s， 计算得到单位长度水头损失i ＝0.003 2 MPa／m。 根据喷头工作压力不小于0.35 MPa、 管道工作压力不大于1.6 MPa， 推算出1 套水喷雾系统的保护半径不超过386 m。 故本项目需设置7 套泵组， 水箱总体积达1 631 m3。水喷雾灭火系统中消防主管管径大， 设计用水量多， 并且水箱占用空间大。 假若发生火灾， 短时间内喷头喷射大量消防用水， 应同时考虑廊内排水问题， 从而增加管廊集水坑尺寸和排水泵组规模。

3.3 超细干粉灭火系统

超细干粉灭火系统由超细干粉灭火装置、 火灾探测器及控制线缆、 区域控制单元、 控制主机等组成。 超细干粉灭火可扑灭A、 B 和C 类火灾， 主要应用的实例有广州市环11 号线管廊、 广州智慧城管廊、 长沙高塘坪管廊等［5］。

超细干粉灭火系统设计以DB35／T 1153—2011《超细干粉自动灭火装置设计、 施工及验收规范》和GB 50347—2004《干粉灭火系统设计规范》为根据，GB 50347—2004 第2.1.3 条规定： 局部应用灭火系统主要由一个适当的灭火剂供应源组成， 它能将灭火剂直接喷放到着火物上或认为危险的区域； 第3.1.3 条规定： 局部应用灭火系统时在喷头和保护对象之间、 喷头喷射角范围内不应有遮挡物。 综合管廊是管线布置较为密集的市政设施， 管线之间距离较近， 管线下方有支架支撑； 且管廊设计时， 管廊内10 kV 电缆一般不由电力院进行专项设计， 无法确定其电力电缆接头部位。 若采用局部应用灭火系统， 很难保证其喷射角范围无遮挡物的要求。 因此， 电力电缆接头部位、 电力电缆舱室以及变配电室安装的超细干粉灭火装置应采用全淹没灭火系统。

计算得设计灭火剂浓度C ＝0.12， 保护区容积Vv＝2 380 m3， 保护区内不燃烧体和难燃烧体总体积Vg＝0 m3（管廊内不燃烧体和难燃烧体主要以支架为主， 所占体积小， 忽略不计）， 配置场所危险等级补偿系数K1＝1.5， 防护区不密封度补偿系数K2＝1.1， 喷射不均匀补偿系数K3＝1.0， 计算得灭火剂用量m ＝472 kg。 灭火装置采用5 kg 规格， 每个防火分区需设置95 具灭火装置， 布置间距为2.1 m。 舱室内装置布置如图2 所示。 该装置可直接悬挂在管廊内部， 无需单独存储， 且占用体积小。 灭火装置设置平面示意如图3 所示， 从应用及设计角度考虑， 超细干粉灭火系统符合前期投资低的设计要求， 适用于本项目。 该系统如果运行管理到位，对初期火灾有较好灭火效果。 但目前尚未推出关于超细干粉灭火系统的国家设计规范， 设计一般根据地方标准， 使超细干粉系统设计难以满足不同工程需求， 对规模较大的综合管廊存在一定消防隐患。

图2 综合管廊消防标准横断面Fig. 2 Fire extinguishing standard cross-section of utility tunnel

图3 综合舱超细干粉灭火装置设置平面示意Fig. 3 Schematic plan of superfine dry powder fire extinguishing device in comprehensive cabin

3.4 高压细水雾灭火系统

高压细水雾灭火系统主要有水源、 供水装置、区域选择阀、 压力开关、 开放式喷头、 火灾报警控制器、 火灾探测器及供水管网组成［6］， 可扑救A、B、 C、 E 类火灾和特殊的立体火灾。 主要应用的实例有贵安新区、 成都、 上海临港新城、 南京河西、 兰州兰石CBD、 嘉兴科技城综合管廊等［7］。

灭火系统设计以GB 50898—2013《细水雾灭火系统技术规范》为根据， 参考该规范的3.4 公式计算， 喷头选用K ＝1.0， 工作压力P ≥10 MPa， 计算喷头流量q0=10 L／min 。 喷头安装间距在1.5～3.0 m 之间， 每个防火分区计算得喷头72 只， 间距2.8 m。 每个防火分区再划分为5 个较小保护区，若发生火灾只启动相邻保护区， 预计启用44 只，设计流量q1=440 L／min。 将泵站设在管廊结构处，距最远端单向距离约1 852 m， 输水主管道DN 65 mm， 则泵组距最不利点喷头处的沿程阻力损失约1.59 MPa， 设计压力为喷头工作压力加上沿程水头损失共11.59 MPa。 选择1 套泵组， 泵组参数为XSWBG500／14（泵组流量为500 L／min， 大于设计流量440 L／min； 泵组工作压力为14 MPa， 大于设计压力11.59 MPa； 服务半径1 800 m 左右）。 本项目预设一路市政供水， 水箱净体积V ＝10.56 m3，喷头布置共720 只， 整套系统只需设置1 套高压细水雾泵组， 泵房占地面积小， 喷头用水量少（约7.7 L／s）， 远低于水喷雾灭火系统， 因此， 高压细水雾系统也适用于本项目。

4 技术比较及生命周期分析

气体灭火系统可有效灭火， 但实际灭火中不确定因素较多， 并且空间密闭性被破坏后灭火失效率较高， 一旦复燃， 灭火系统无法再次启动； 此外，气体灭火介质用量大， 存储空间大。 综上可得， 气体灭火适用于短距离小容积的综合管廊。

水喷雾系统可重复启动， 灭火效果好， 但电气绝缘性差， 易导致积水带电， 不适用于电气火灾。从设计角度分析， 水喷雾灭火系统设计流量大、 输水管径大、 占用廊内空间， 且需增大廊内排水规模，应用可行性低， 适用短距离小容积的综合管廊。

超细干粉灭火系统灭火效率高， 前期投资低，系统组成简单无需单独存储， 但后期维护成本高，适用于长度中短（长度小于2 km）的综合管廊。

高压细水雾灭火效果好， 消防系统供水要求较低， 但系统组成较复杂， 前期投资较高； 高压细水雾灭火效果好， 喷头作用后烟尘颗粒与细水雾粘合， 减少空气中的烟尘含量， 有效防止烟气二次损害。 但细水雾灭火系统管路水头损失相对较高， 需要专用的消防水池和泵站系统以保证长距离综合管廊的压力需求［8］， 因此， 高压细水雾灭火适合长距离大规模的综合管廊。

根据管廊项目设计经验总结不同灭火系统建设运行投资， 具体如表1 所示。 结合上文对不同灭火系统设计分析， 气体、 水喷雾和超细干粉投资与管廊长度呈线性增长， 即每个公里建设内容基本相同、 投资接近。 案例分析中高压细水雾系统中1 套泵站保护半径可达1.8 km， 合理布置泵站位置保护半径可超过3 km。 当管廊长度规模小于1 套高压细水雾系统保护范围内， 管廊长度规模越长， 高压细水雾的经济效益越显著。 因此， 当管廊长度规模小于2 km 时， 可考虑选用气体、 水喷雾和超细干粉灭火； 大于2 km 时， 高压细水雾灭火更为经济实用。

表1 不同灭火系统投资比较Tab. 1 Investment comparison of different fire extinguishing systems

5 结语

成都东部新区绛溪二线（3 号路）综合管廊内管线种类多， 运行时间长， 易相互影响。 其中， 电力管线最易引发火灾风险， 一旦发生将直接导致地块电力和燃气等系统中断。 因此， 廊内消防工程显得尤为重要。 消防工程设计中灭火方式的选择是难点之一， 选择灭火方式要考虑管廊结构、 建设规模和运营管理水平。 结合实际情况及成都地区综合管廊设计经验， 绛溪二线（3 号路）综合管廊选择超细干粉灭火， 满足设计规范要求。 超细干粉灭火可广泛应用于小型综合管廊消防系统。