地下管廊电缆舱室内细水雾防灭火仿真分析

2022-09-14朱彭辉

兰州工业学院学报 2022年4期

赵言，卢平,2，余陶，朱彭辉

(1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601；2.合肥学院土木工程学院，安徽合肥 230608)

综合管廊因具有有效减少管线埋设、维修所带来的路面开挖与交通拥堵问题和可延长管线使用寿命等优点，成为城市健康、可持续发展的重要生命线[1]。根据《城市综合管廊的工程技术规范》中火灾危险性分类表可知电缆舱室的火灾危险性等级仅次于天然气管道，但因为电力传输本就带有热量且易发生短路、超负荷、接触不良等事故[2]，其发生火灾危险性较高，应得到重视。电缆舱室由于狭长且密闭、初期火灾不易被发现。火灾发生后烟气浓度及廊内温度迅速上升，能见度下降，使得消防救援工作难以展开，因此要求电缆舱室应设置自动灭火系统[3]。

目前未有相关资料对管廊中自动灭火系统做出明确规定。细水雾灭火系统由于其电绝缘性、节能环保、灭火效果好等优点被认为是最适合电缆舱室的自动灭火系统[4]。孙瑞雪等人通过Pyrosim软件模拟60 s后关闭通风下细水雾雾滴粒径、雾锥角、喷射速度等参数对灭火效果的影响[5]。朱纹静等人通过分析火灾实体实验与数值模拟的数据误差，认为Pyrosim软件可用于研究细水雾灭火能力[6]。陈立青等人根据不同通风方式设计不同的通风工况，研究了不同通风方式下的管廊火灾排烟效果，认为应采用自然进风和机械排风相结合的方式进行排烟[7]。王明年等人通过Pyrosim软件模拟管廊火灾，研究了舱室截面尺寸对电缆火灾的热释放速率的影响，建议管廊应采用密闭自熄辅助自动灭火系统的消防措施[8]。

1 研究对象

选取合肥市高新区综合管廊为研究对象，建立电缆舱室的模型。该地下管廊全长20.29 km，宽10.35 m，净高3 m，包含多种管线。其中电力舱室净高2.4 m，宽1.9 m，电缆支架宽0.7 m，布局如图1所示。

2 模型建立

2.1 建立Pyrosim模型

根据上述电缆舱进行建模，其中模型断面为3×1.9 m2，电缆支架宽0.7 m，共6层，电缆直径4 cm。由于细水雾灭火系统作用下电缆燃烧横向蔓延不明显[9]，考虑到模拟运行时间，模型长度取12 m，模拟的单元格大小为0.1 m×0.1 m×0.1 m，共72 000个网格。由于舱室结构狭小，因此考虑为小型火源，单位面积的火源热释放速率设置为1 MW/m2，火源起火面积设置为0.4 m2。火源类型设置为t2模型，更接近火灾发展的规律。增长时间默认为60 s，软件中火源默认为CH4气体，火源切片设置在第四层电缆处。细水雾喷头设置在管廊顶部，单排排列，采用开式系统，喷头流量系数1.2 L/min/MPa1/2。模型设置了1个热电偶装置位于火源上方， 1个烟气层高度检测装置位于模型中心，以及HRR检测装置。模型两边设置开放界面与外界相连，设置环境参数管廊内部初始温度为20 ℃，环境压力为大气压。

图1 合肥高新区管廊电缆舱平面效果

2.2 模拟工况设计

为研究相邻喷头间水雾作用范围的相互影响、喷头压力对灭火效果的影响以及单侧电缆布置管廊内喷头喷射角度对灭火效果的影响，特设置如下工况和变量，其中喷头的喷射角度为喷头与管廊顶板的夹角。工况A主要是观察细水雾喷头的布置间距对其灭火效果的影响，工况B主要是研究细水雾流量变化对其灭火效果的影响，工况C主要考虑喷头喷射方向对细水雾灭火效果的影响，具体如表1所示。

3 模拟结果分析

3.1 喷头间距对细水雾灭火效果的影响

工况A主要是观察细水雾喷头的布置间距对其灭火效果的影响，从而设置A1、A2、A3分别对应喷头间距2、3、4 m三种工况。在Pyrosim中建立4个喷头横向排列，得到3种间距下喷头工作情况如图2所示。其中喷头间距为2 m时对应为两个喷头出现大量重叠区域;喷头间距为3 m时对应为两个喷头正好无重叠区域;喷头间距为4 m时对应为两喷头间存在未覆盖区域。

表1 模拟工况安排

图2 喷头布置间距示意

图3～5分别为不同喷头布置间距下HRR、火源上方温度、烟气层高度随时间的变化曲线。

图3 不同布置间距下HRR变化曲线

根据图3～5可知，在模拟开始初期3条曲线完全重合，火源上方温度迅速上升至700 ℃左右，烟气层高度下降至1.4 m。当细水雾开启后，喷头布置间距为3 m的工况下热释放速率曲线首先降低，温度也随之下降，烟气层高度升高，100 s时火已经熄灭，120 s时温度下降至室温，125 s前烟气层高度就恢复至2.4 m，灭火效果较好。其次是间距为2 m的工况下，火熄灭时间与温度下降所用时间略长，这是由于两喷头间含有大量重叠区域，导致细水雾相互作用使得粒径等参数受到影响，从而减弱了灭火效果。间距为4 m的工况下由于其相邻两喷头间含有细水雾未覆盖区域且反应时间过长，该工况在细水雾开启后，温度下降速率相比另外两个工况较小，直到130 s火才熄灭，160 s左右温度降低至初始温度，并且125 s时烟气层高度下降至1.2 m，150 s烟气才得到控制，灭火效果最差。

图4 不同布置间距下火源上方温度变化曲线

图5 不同布置间距下烟气层高度变化曲线

综上，对于综合管廊电缆舱室的火灾并非间距越小灭火效果越好。细水雾喷头间距为4 m时的灭后效果最差，2 m和3 m的工况除烟效果相差不大，但3 m工况的灭火效果更好，喷头间距过近会导致单个细水雾喷头的灭火效率降低并且增加投资，故建议喷头的布置间距设置为3 m。

3.2 喷头流量对细水雾灭火效果的影响

工况B主要研究细水雾流量变化对其灭火效果的影响。根据《细水雾灭火系统技术规范》可知喷头流量计算公式，即

In a typical procedure, Cu2–xS powders were prepared by the sol-gel method. The operating mode is similar to that followed by Riyaz et al. who synthesized only the covellite phase CuS[14]. However, three different phases were obtained by annealing in this study. Fig. 1 displays the operating mode.

(1)

式中：q为流量；k为流量系数；P为工作压力。

图6～8为不同流量下HRR、火源上方温度、烟气层高度随时间的变化曲线。

图6 不同流量下HRR变化曲线

图7 不同流量下火源上方温度变化曲线

图8 不同流量下烟气层高度变化曲线

由图6～8可知，模拟开时后，起初各工况的曲线变化情况相同，但开启细水雾后各工况曲线开始分离。可以看出流量为13 L/min、10 L/min的工况灭火效果较好，热释放速率曲线、温度明显低于另外两个工况，烟气层上升所用时间也较短。其中火在100 s之前就已经熄灭，125 s左右温度也下降至室温，烟气层上升至2.4 m。其中13 L/min工况时的灭火效果最好。7 L/min和16 L/min工况的热释放速率曲线和火源上方温度曲线大致重合，灭火效果明显差于10 L/min、13 L/min的工况，在120 s时火焰才得以熄灭。流量为7 L/min的工况灭火效果差可能因为水量较小，无法及时降低火焰的温度，其烟气层上升所用时间也最长。流量为16 L/min的工况烟气层一直较低，灭火效果较差可能是因为随着流量的增大，对舱室内流场产生扰动造成的。

综上所述，细水雾灭火效果并没有随着流量的增大而增大，13 L/min的工况火源热释放速率、热电偶温度降低最及时，烟气层高度升高最快，所以灭火效果最好；其次是10 L/min的工况。由于这两个工况灭火效果差别不大，又因为细水雾水量过大可能造成电缆火灾后舱室内含大量积水从而引发安全事故，并且水量过大使得管网内压力过大，从而提高了对管网质量的要求，使经济成本增高，因此流量采用10 L/min。

3.3 喷头喷射方向对细水雾灭火效果的影响

工况C主要考虑喷头喷射方向对细水雾灭火效果的影响。从而设置C1、C2、C3分别对应喷头喷射方向与顶板夹角0°、45°、90°三种工况，效果如图9所示。由图9可知当喷头喷射方向与顶板夹角为0°时，由于上层电缆的阻碍导致水雾无法充分接触到火源，而喷头喷射方向与顶板夹角为45°、90°时水雾能够很好的接触到火源位置。

图9 喷射方向与顶板夹角示意

图10～12为不同喷射方向下HRR、火源上方温度、烟气层高度随时间的变化曲线。由图10～12可以看出喷头喷射角度对灭火效果的影响最大。当角度为0°时，由于细水雾喷射出的水雾被上方电缆挡住导致火灾处电缆无法接触到喷出的细水雾，火灾无法得到扑灭。而喷射角度为45°和90°的工况由于水雾都可以充分接触到火源位置，所以火灾可以扑灭。其中喷射方向与顶板夹角为45°和90°的工况下HRR曲线、火源上方温度曲线相差不大，但除烟效果明显比90°工况更好。这是因为喷头从最高点向下喷射保护面积更大，与烟气接触更为全面，因此建议喷头喷射角度设置为90°的工况。