綜合管廊電力艙火災特征和自動滅火系統的選擇研究

潘泓宇

上海市松江區城市建設綜合管理事務中心 上海 201600

綜合管廊是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施。2015年8月國務院辦公廳發表了《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》。綜合管廊在城市中的建設，對消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網”等具有極大意義，但隨著高壓電纜、燃氣等管道入廊敷設，綜合管廊的火災隱患是一個不容忽視的問題。故本文以松江南站大型居住社區地下綜合管廊為例，通過模擬計算，針對管廊內110kV電纜引起的火災，分析火災蔓延特征和環境溫度，求證自動滅火系統設置必要性，探討懸掛式超細干粉和細水霧這兩種目前應用最多的自動滅火系統各自的優勢，以期對今后管廊建設和安全運行提供參考。

1 工程概況

作為上海最大規模綜合管廊試點——松江南站大型居住社區地下綜合管廊規劃長度21.7km，除設置有常規的電力艙、綜合艙外，大膽探索、先行先試，為雨、污水和燃氣入廊設置單獨艙室，同時創造性的結合海綿城市理念，設置了初期雨水艙用于雨水調蓄，防止城市內澇，走在了國內前沿，極具科研價值，因此本文將其作為研究對象。

電力艙橫斷面內部尺寸寬×高為2.6m×3.8m，電力艙每個防火分區長度200m，防護分區之間采用不燃性墻體進行防火分隔，防火分隔處設置甲級防火門，管線穿越防火隔斷部位采用防火封堵措施嚴密封堵。

2 數值模擬模型建立

2.1 模擬軟件

電纜火災的數值模擬模型主要包括區域模型和流體動力學計算模型，由美國標準與技術研究院NIST開發的火災動力學仿真模型（FDS）是典型的流體動力學計算模型。本次利用pyrosim建立模型后運行FDS進行計算。

2.2 模型簡化及相關參數的確定

2.2.1 模型建立和簡化。以坐標原點為起始點，X軸正方向為橫斷面寬，Z軸正方向為橫斷面高，Y軸正方向為防火分區長，根據管廊實際尺寸1：1建立模型。

2.2.2 網格尺寸。防火分區長度200m，設置著火點在防火分區中間位置，考慮到軟件計算效率和電纜直徑大小，以著火點為中心設置網格邊界：MinX=0m，MaxX=3.35m，Min Y=98m，MaxY=102m，MinZ=0m，MaxZ=4.65m。計算單元尺寸：0.04m×0.04m×0.04m。

2.2.3 電纜參數設定。電纜結構復雜，一根YJV電纜由內而外由線芯（Cu或Al）、絕緣材料（XLPE）、填充材料（陶瓷纖維）、內護套和包帶（PVC）、鎧裝（鋼）、外護套（PVC）組成，其中主要燃燒反應物為XLPE和PVC，因此將電纜看作線芯，PVC、XLPE組成后首先在軟件中建立PVC和XLPE兩種材料，根據耗氧原理計算出[1]PVC燃燒熱16768kJ/kg，XLPE燃燒熱43825kJ/kg，然后建立surface類型為Layered的110kV和110kVBurn（PVC14.5mm、XLPE18mm）、10kV（PVC3.2mm、XLPE3.4mm）、自用電纜（PVC1.4mm、XLPE0.7mm）四種表面。

YJV電纜燃燒根據錐形量熱計實驗可以得到熱釋放速率隨時間變化的曲線圖[2]（圖1），將兩條曲線取均值合并后利用Engauge Digitizer導出，錄入110kV、10kV、自用電纜三個表面。

圖1 YJV電纜燃燒過程熱釋放速率變化圖

2.2.4 引燃方式。國內有些研究在建立電纜燃燒模型時，往往采用建立一個靠近電纜的火源，設置火源功率后引燃電纜[3-4]。但實際上，電力故障是影響電纜隧道火災發生的首要因素[5]，由于電力故障種類多樣，無法直徑確定火源功率，因此本文僅研究電纜達到燃點后的燃燒過程。

設置電纜燃點為300℃，將110kVBurn表面起始溫度設為310℃，用于放置在起火點，其他表面起始溫度為室溫20℃（TMPA） 。

3 火災模擬結果和分析

起火點位于圖左側的110kV電纜最上層，建立起火點處的垂直于Y軸的溫度切面，模擬結果顯示：35.5s時燃燒僅在110kV電纜處，但其上方的10kV電纜層周邊溫度已到達300℃；48.3s時，在兩層10kV電纜未點燃的情況下，300℃煙氣沿電纜間縫隙蔓延至自用電纜耐火橋架處；僅幾秒后，57.8s兩層10kV電纜突然燃燒，火勢蔓延至自用電纜耐火橋架，兩層10kV電纜均被點燃，但由于耐火橋架阻擋，自用電纜周圍溫度并不高；隨后300℃煙氣上升至頂板，不斷聚集，在103.9s時引燃對側10kV電纜和自用電纜。

模擬結果表明，110kV電纜燃燒發生后35s內是最佳滅火時間，隨后火勢發展迅速，在23s內引燃兩層10kV電纜，損失慘重。

4 自動滅火系統的選擇

細水霧滅火系統和超細干粉滅火系統是目前國內管廊建設領域采用最多的兩種自動滅火系統。

4.1 細水霧滅火系統

是利用水霧噴頭在工作高壓下將水噴出并在噴頭軸線下方1.0m處的平面上形成的直徑Dv0.50小于200μm，Dv0.99小于400μm的水霧滴。主要作用機理為冷卻、窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用。但根據管廊電力艙火災模擬結果，此系統的應用有明顯劣勢：

4.1.1 電纜燃燒發生后35s內是最佳滅火時間，但根據細水霧滅火系統技術規范，管廊電力艙采用全淹沒開式系統，響應時間不應大于30s。實際設計中，為追求經濟性，響應時間往往都接近30s，再加上接收火災報警信號等時間，此時火勢已開始蔓延。

4.1.2 根據相關研究，細水霧泵房服務半徑控制在1km以內，否則配水管道過長導致水損高，選用高揚程水泵，增加設備及管道投資[6]。松江南站大型居住社區地下綜合管廊規劃長度21.7km，細水霧滅火系統明顯不適用。

4.2 超細干粉滅火系統

超細干粉滅火原理主要為，無機鹽的揮發性分解物與燃燒過程中燃料所產生的自由基或活性基團發生化學抑制和負催化作用，使燃燒的鏈反應中斷而滅火。

松江南站大型居住社區地下綜合管廊采用懸掛式超細干粉滅火裝置，具有以下明顯優點：

4.2.1 電纜燃燒發生后35s內是最佳滅火時間，該系統采用全淹沒式，設計滅火劑噴放時間≤10s，可在電力發生燃燒初期將火撲滅，防止火災蔓延至相鄰電纜橋架，減少損失。

4.2.2 超細干粉系統不需要管道建設，初次建設和后期維護費用低。按同等的保護面積或容積計算，細水霧滅火系統初次建設成本是超細干粉系統的三倍以上。

綜上，超細干粉滅火系統滅火反應迅速，造價低，在管廊消防系統設計中應加大推廣力度，更好的保障管廊運行安全。