細水霧應(yīng)用于綜合管廊電纜倉火災滅火的數(shù)值模擬

吳 丹 王永強 羅晶宇 李德浩 陳溢彬

(西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010)

綜合管廊是城市地下管道綜合走廊，即在城市地下設(shè)計并建設(shè)的一個市政公用隧道，將通信、燃氣、供熱、電力、給排水等各種工程管線集于一體，綜合利用城市地下空間，是保障城市運轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。隨著我國綜合管廊的不斷建設(shè)，其火災危險性也越發(fā)得到重視。電纜倉是綜合管廊中火災危險性較大的區(qū)域。由于電纜倉中電纜線的密集敷設(shè)，電纜過載、相間短路以及電纜絕緣層老化等原因而發(fā)生火災將導致電力中斷及管廊結(jié)構(gòu)損壞等更大的損失。

細水霧滅火系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)更小的霧滴粒徑，有水基滅火劑和氣體滅火劑的雙重特點[2]。細水霧霧滴粒徑較小，噴射出的水霧較輕，可長時間懸浮在空氣中，只有當水量極大或通過極長時間才能聚集、凝結(jié)成為水滴，當有足夠的霧滴時才能匯聚成為較大的水滴導電或者是導電的水流段[3]。天津市電力科學研究院進行了細水霧噴射霧滴的交流耐壓試驗[4]，結(jié)果表明細水霧作用下在35，110，220 kV 3個電壓等級下均沒有發(fā)生工頻交流及閃絡(luò)現(xiàn)象，可見細水霧系統(tǒng)以其無污染、電絕緣性良好等特點可以被用于城市地下綜合管廊工程中。程潔群[5]通過分析綜合管廊的火災危險性及火災特點，對比了傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)、氣溶膠滅火系統(tǒng)、IG541氣體滅火系統(tǒng)及細水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點，認為在綜合管廊中使用細水霧系統(tǒng)較好。劉銀水等[6]在微重力條件下根據(jù)電纜火災特點，研究了細水霧布置方式、噴射角度及粒徑大小等因素對滅火及電纜線絕緣性的影響。虞利強等[7]以浦東機場二期工程電纜隧道為背景，開展了細水霧滅電纜火災全尺寸模擬實驗，實驗表明在封閉電纜隧道內(nèi)，采用流量系數(shù)為0.45的高壓低流量細水霧系統(tǒng)可以有效撲救電纜火災，且無復燃現(xiàn)象的發(fā)生，滅火后環(huán)境溫度可降低到50 ℃ 以下，有效保護了電纜隧道結(jié)構(gòu)安全。陳炳元等[8]基于理論推導、結(jié)合實體實驗及FDS模擬實驗，認為在壓力和流量滿足一定條件的情況下，粒徑為50～100 μm的細水霧撲滅電纜艙火災的效果較好。劉乃玲等[9]利用FDS對細水霧應(yīng)用于狹長空間火災進行了模擬，認為在狹長空間內(nèi)噴入細水霧后，空間各對應(yīng)斷面溫度均有所降低且在極限范圍內(nèi)，細水霧噴霧量越大降溫效果越明顯。陳雅惠[10]等通過FDS對管廊火災進行了模擬，分析噴頭的安裝角度對煙氣層高度及溫度對滅火效果的影響，并在其工況條件下提出了最優(yōu)安裝角度。孫瑞雪[11]等采用FDS數(shù)值模擬軟件研究了細水霧流量、管廊通風等因素對細水霧撲滅管廊火災的影響，結(jié)果表明，在細水霧作用時，關(guān)閉管廊的通風系統(tǒng)更有益于細水霧滅火。王致遠[12]等利用FDS模擬管廊風速對細水霧系統(tǒng)滅火效果的影響，結(jié)果表明細水霧滅火系統(tǒng)的有效性以及在城市綜合管廊選用細水霧系統(tǒng)時，施加不超過1.2 m/s的風，對滅火更為有利。已有較多關(guān)于FDS模擬細水霧滅火有效性的相關(guān)論證，認為FDS數(shù)值模型可以用于研究細水霧滅火，許多學者對細水霧應(yīng)用于管廊火災進行了模擬，大多集中于對管廊通風效果、細水霧噴霧量、噴頭角度等方面，水霧粒徑及水霧設(shè)置距離方面研究較少且更多考慮美國NFPA750相關(guān)標準，參數(shù)選取范圍較大，與我國實際管廊噴淋要求不符，很少考慮到我國具體的相關(guān)標準要求。因此，本文基于FDS模擬技術(shù)，根據(jù)我國管廊的相關(guān)標準，在標準提供的參考范圍內(nèi)，進一步對影響細水霧滅火的水霧粒徑、噴頭設(shè)置間距及不同起火位置進行模擬，得到既能滿足相關(guān)標準要求且在本文工況下最優(yōu)的細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 細水霧作用下綜合管廊電纜倉火災數(shù)值模擬

1.1 火災場景設(shè)計

網(wǎng)格條件：數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸大小對實驗準確度影響較大。根據(jù)國內(nèi)外學者的經(jīng)驗[13]及FDS指導手冊中火災特征直徑(Characteristic fire diameter)公式[14]：

(1)

式中：D*為火災直徑(m)；Q為火源熱釋放率(kW)；ρ0為環(huán)境空氣密度(kg/m3)，一般取1.204 kg/m；Cp為定壓比熱(kJ/K·kg)，一般取1.005 kJ/K·kg；T0為環(huán)境空氣溫度(K)，一般取293 K；g為重力加速度(m/s2)，一般取9.8 m/s2。本文設(shè)置的火源功率大小為Q=250 kW(GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[15]中規(guī)定“模擬火源應(yīng)采用丙烷燃燒器，熱釋放速率為250 kW”)，通過計算可得D*=0.55。根據(jù)FDS指導手冊[14]，當無量綱參數(shù)值處于4～16區(qū)間時，模擬計算結(jié)果較為準確。綜合考慮時間以及效率，本文所有工況網(wǎng)格設(shè)置為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

環(huán)境、邊界條件設(shè)置：環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為101 kPa，管廊結(jié)構(gòu)材料為混凝土。

模型建立：根據(jù)GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[16]建立長12 m、寬2.5 m、高3 m的管廊模型，如圖1，管廊左右兩端設(shè)置為開放空間。根據(jù)GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[15]中A.4管廊內(nèi)電纜橋架為8層，橋架寬度為0.6 m，層間距為0.2 m，電纜簡化為PVC薄板，每層纜架均有電纜分布。規(guī)范中規(guī)定“模擬火源應(yīng)采用丙烷燃燒器，熱釋放速率為250 kW”“燃燒器持續(xù)燃燒時間為5 min”，因此，確定模擬火源的熱釋放速率大小為250 kW，火源設(shè)置在電纜橋架2，5，8層(分別代表底、中、頂層)。

測點布置及工況設(shè)置：根據(jù)GB 50898—2013第A.4.4中對熱電偶布置位置的建議，在電纜廊道中央頂部及高度為1.7 m處(根據(jù)國家衛(wèi)健委《中國居民營養(yǎng)與慢性病況報告(2015)》我國成年人身高已經(jīng)超過1.5 m)每隔1 m設(shè)置熱電偶以及一氧化碳測點。在電纜廊道中央及著火側(cè)設(shè)置2個溫度切片，用于判斷溫度場及煙氣流態(tài)的整體變化。根據(jù)GB 50898—2013第2.1.1中“在最小設(shè)計壓力下，經(jīng)噴頭噴出并在噴頭軸線下方1 m處的平面上形成直徑DV0.50小于200 μm，DV0.99小于400 μm的水霧滴”設(shè)置火源位置、細水霧粒徑、噴頭間距，研究相關(guān)指標的變化對細水霧滅電纜火災的影響，具體工況如表1所示。為保證細水霧均勻覆蓋到兩側(cè)電纜，細水霧噴頭霧化錐角均為110°。

圖1 管廊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Pipe gallery structure drawing

表1 模擬工況匯總表Table 1 Summary of simulated working conditions

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 火源位置對滅火的影響

溫度是判定細水霧是否撲滅管廊電纜倉火災的重要參數(shù)之一。根據(jù)GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[15]中的實驗要求，丙烷燃燒器應(yīng)預燃5 min后撤去并啟動細水霧系統(tǒng)。為研究在細水霧條件作用下火源位置對管廊電纜倉滅火影響，模擬當火源位于電纜架底層、中層、高層時，細水霧作用對管廊電纜倉的降溫效果，細水霧噴頭位于管廊中央。發(fā)生火災時，熱煙氣最先向上運動導致頂棚溫度最高，因此將頂棚溫度變化作為滅火判定指標。以火源在電纜架底層時為例，300 s后撤去火源，有、無細水霧作用條件下電纜倉頂棚溫度變化情況如圖2所示。從圖2可見，當300 s撤去火源后，未施加細水霧的管廊電纜倉溫度在小幅下降后隨著電纜自身被點燃，火勢逐漸蔓延，溫度隨時間逐漸升高，在模擬結(jié)束時溫度可高達700 ℃ 左右。當300 s撤去火源并施加細水霧時，管廊電纜倉煙氣溫度有明顯下降，50 s內(nèi)溫度由最初的306 ℃ 下降至88 ℃ 左右，隨著細水霧持續(xù)作用，倉內(nèi)溫度逐漸恢復至室溫，降溫過程有先快后慢的趨勢。在管廊電纜倉發(fā)生火災時，細水霧滅火系統(tǒng)可以應(yīng)用于倉內(nèi)并使得溫度在較短時間內(nèi)得到下降，降溫效果良好。

圖3為當火源位于倉內(nèi)不同電纜架上時，細水霧對管廊電纜倉中央頂棚溫度的降溫效果圖。在300 s撤去火源施加細水霧后，在電纜架不同層數(shù)起火的火災均能被細水霧撲滅。當火源位置位于電纜橋架頂層時，由于無遮擋物，細水霧可以直接作用于起火處，因此在施加細水霧后最先將溫度降至50 ℃以下。火源位置位于中層電纜線處時，由于電纜橋架結(jié)構(gòu)的影響，各層電纜在燃燒時橫向蔓延現(xiàn)象不明顯，主要為火源正上方豎向蔓延后才發(fā)生橫向蔓延，因此會出現(xiàn)當火源位于電纜架中層時，檢測到的頂棚溫度最高。因為在豎向蔓延充分的基礎(chǔ)上，熱煙氣在向上運動時距離頂棚比火源在底層時更近，但當細水霧開啟時也比底層燃燒的電纜先接觸到水霧，因此降溫速度比火源處于底層電纜架時更快。綜上所述，在管廊電纜倉內(nèi)無論起火位置怎樣變化，模擬結(jié)束時細水霧系統(tǒng)均能撲滅倉內(nèi)發(fā)生的火災。

圖2 有無細水霧溫度變化Fig.2 Temperature changes with or without water mist

圖3 火源位于不同位置溫度變化Fig.3 Temperature changes at different locations of the fire source

2.2 細水霧粒徑對管廊電纜倉滅火的影響

為探究粒徑大小變化對管廊電纜倉滅火降溫效果的影響，根據(jù)GB 50898-2013第2.1.1中規(guī)定，本文設(shè)置了4種粒徑工況：100，200，300，400 μm，各個工況均在300 s撤出火源并啟動細水霧系統(tǒng)。圖4-圖5分別為管廊電纜倉中央頂棚溫度變化及管廊高度為1.7 m處CO濃度變化趨勢圖。

圖4 不同細水霧粒徑下廊內(nèi)頂棚溫度變化Fig.4 Temperature changes of the ceiling in the corridor with different particle sizes of water mist

圖5 不同細水霧粒徑下廊內(nèi)CO濃度變化Fig.5 CO concentration changes in the corridor with different particle sizes of water mist

從圖4可以看出，300 s前，4種細水霧粒徑作用下管廊電纜倉頂棚溫度變化一致，當300 s開啟細水霧系統(tǒng)后，50 s內(nèi)粒徑為100 μm的細水霧使得頂棚溫度最先下降至64 ℃ 左右。這是由于粒徑越小，細水霧彌散性越好，在同樣的火場中，與上升熱煙氣接觸后更易蒸發(fā)吸熱，因此在50 s內(nèi)首先將溫度降至最低。滅火前期50 s內(nèi)降溫效果由強到弱依次為100 μm>200 μm>300 μm>400 μm。隨著細水霧的持續(xù)作用，粒徑為300 μm與400 μm的細水霧降溫趨勢相近，均在450 s左右將管廊電纜倉溫度降至室溫20 ℃，而粒徑為200 μm的細水霧在510 s左右才將廊內(nèi)溫度恢復至室溫，粒徑為100 μm的細水霧降溫最為緩慢，在815 s左右將廊內(nèi)溫度恢復至室溫。究其原因，是因為在相同細水霧噴頭壓力下，粒徑越大，動量越大，更加容易穿過上升熱煙氣到達燃燒表面對正在燃燒的電纜起到良好的降溫效果且有效避免火勢蔓延。

從圖5的一氧化碳濃度變化也可印證前述結(jié)果。粒徑為300 μm與400 μm的細水霧在滅火過程中所產(chǎn)生的一氧化碳較少，這是因為較大粒徑更易到達燃燒表面，很好地阻止火勢蔓延，避免了在水霧作用下的持續(xù)不完全燃燒，而粒徑為100 μm的細水霧作用下，一氧化碳濃度波動幅度最大且在600 s后一氧化碳濃度才有明顯的逐步下降趨勢。

綜合考慮滅火時間和一氧化碳濃度(一氧化碳還可以助燃，但受到氧濃度的影響)以及規(guī)范中要求(細水霧粒徑小于400 μm)，最佳粒徑選擇為300 μm。小粒徑的水霧在滅火前期表現(xiàn)最好，但在實際工程中，細水霧的粒徑并非越小越好，從機械加工工藝方面考慮，細水霧粒徑越小，對設(shè)備的生產(chǎn)要求越高，制作更為精密，后期的保養(yǎng)難度也會上升，因此成本也更高。綜合考慮時間及設(shè)備成本，可將細水霧粒徑范圍選擇在300～400 μm(不包含400 μm)之間。

2.3 細水霧布置間距對管廊電纜倉滅火的影響

根據(jù)GB 50898-2013第3.4.4中規(guī)定在電纜廊道中細水霧最大布置間距為3 m，為探究細水霧布置間距的不同對管廊電纜倉火災滅火的影響，設(shè)置細水霧布置間距為1，2，3 m。

由圖6可見，3種工況下，開啟細水霧噴頭后均能使倉內(nèi)溫度降低有效滅火，其中當細水霧布置間距為1 m時，頂棚溫度在50 s內(nèi)最先下降到50 ℃，并在 416 s時使管廊電纜倉內(nèi)溫度降至20 ℃ (恢復常溫)。滅火所需時間隨著細水霧布置間距的增大而增大，這是因為：細水霧噴頭間距越近，意味著噴頭數(shù)量越多，更多的水霧會充滿整個倉內(nèi)，降溫效果也更好，縮短了滅火時間。

由圖7可見，在不同細水霧布置間距下，一氧化碳生成量則與滅火時間及降溫效果呈現(xiàn)出相反趨勢，一氧化碳生成量1 m>2 m>3 m。究其原因，當噴頭豎向布置間距過小會使得相鄰噴頭噴放的細水霧過早交互而減少動能，水霧在倉內(nèi)充分彌散，隔絕氧氣的效果也更明顯，因而發(fā)生的不完全燃燒更充分，隨著細水霧的持續(xù)作用，燃燒的電纜得到充分降溫，倉內(nèi)一氧化碳含量也逐步下降。

從滅火時間及有毒害氣體生成量的角度出發(fā)，雖然當噴頭布置間距為1 m時所用的滅火時間最短，但其在滅火初期過程中產(chǎn)生的一氧化碳一段時間內(nèi)比其他兩種工況都高，且在滅火時間上布置間距為1 m的工況較其他兩種工況并未有較大優(yōu)勢，考慮到細水霧布置間距越近噴頭數(shù)量越多其水量也相應(yīng)增多，過大水量在管廊電纜倉內(nèi)會引起電纜短路，因此，在本文工況條件下建議在管廊電纜倉內(nèi)細水霧噴頭布置間距為3 m，既滿足滅火效能，又能降低噴頭數(shù)量減少成本，同時可以減少水量。

圖6 不同噴頭間距下廊內(nèi)頂棚溫度變化Fig.6 Temperature changes of the ceiling in the corridor under different spacing of nozzles

圖7 不同噴頭間距下廊內(nèi)CO濃度變化Fig.7 CO concentration changes in the corridor under different spacing of nozzles

3 結(jié)論

本文基于FDS模擬技術(shù)分析了在綜合管廊電纜倉中細水霧設(shè)置相關(guān)參數(shù)及火源位置的不同對細水霧滅電纜火災效果的影響，結(jié)果表明：(1)在城市地下綜合管廊電纜倉中施加細水霧滅火系統(tǒng)能夠有效撲滅電纜倉發(fā)生的火災，且當起火位置位于不同層數(shù)的電纜架時，雖滅火時長有所不同，但均能在實驗結(jié)束前將電纜倉內(nèi)火災撲滅。(2)粒徑為100 μm的細水霧彌散性最好，在滅火初期對管廊電纜倉內(nèi)降溫效果最優(yōu)，滅火前期50 s內(nèi)降溫效果由強到弱依次為100 μm>200 μm>300 μm>400 μm，但在相同的細水霧噴頭壓力下，粒徑越大，霧滴動量越大，更加容易穿過上升熱煙氣到達燃燒表面，粒徑300 μm與400 μm所需的滅火時間更短，考慮細水霧滅火時間及設(shè)備成本，在本文條件工況下的工程中，建議細水霧粒徑選擇300～400 μm。(3)細水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用于城市地下綜合管廊中時，當噴頭間距設(shè)置為1，2，3 m時對管廊內(nèi)頂棚溫度降溫效果差距不大，但過密的布置會使得相鄰噴頭噴放的細水霧過早交互而減少動能，隔絕氧氣的效果也更明顯，會導致短時間內(nèi)一氧化碳濃度升高，綜合考慮到人員疏散以及過密的布置會導致更大的水量，水量過大可能引起倉內(nèi)電纜線損壞，在本文工況條件下的工程中，建議細水霧布置間距為3 m。