電纜豎井細(xì)水霧滅火系統(tǒng)數(shù)值模擬研究

葉 虹，趙晨曦，駱育真，許 崢

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

0 引言

電纜豎井是建筑物用于垂直敷設(shè)供電電纜或通信電纜的通道,強(qiáng)電和弱電一般分開敷設(shè),電纜密集且數(shù)量大,一旦發(fā)生電纜起火,將很快波及相鄰電纜,造成電纜成束延燃,并形成縱向燃燒,同時(shí)在煙囪效應(yīng)的作用下,火勢將快速蔓延。在電纜燃燒過程中還會(huì)形成帶火流膠滴向下層電纜, 導(dǎo)致著火點(diǎn)跳躍式蔓延。

電纜主要由導(dǎo)體、絕緣層和護(hù)套等構(gòu)成,其中對電纜燃燒特性有直接影響的是護(hù)套和絕緣層材料,其在燃燒過程中會(huì)釋放大量有害氣體和濃煙,給滅火撲救和人員疏散造成極大困難。細(xì)水霧滅火作為鹵代烷滅火劑(哈龍)的主要替代技術(shù)之一,因其具有滅火效率高、安全可靠、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在火災(zāi)防治中廣泛應(yīng)用。然而,當(dāng)前的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無法依賴一般性原則或統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此建立科學(xué)合理的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法成為拓展細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵所在。基于此,利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件(fire dynamics simulator,FDS)進(jìn)行電纜豎井高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)數(shù)值模擬,探究系統(tǒng)在電纜豎井中的各設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系,確定邊界條件,推薦限定條件下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍,同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

1 電纜豎井工程概況

圖1是典型的電纜豎井平面示意。整個(gè)電纜井主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是電纜井與樓梯間分別位于前室兩側(cè),高壓電纜井和低壓電纜井之間采用磚墻分隔,互不連通,每層均設(shè)有高壓電纜井和低壓電纜井的檢修門,檢修門為常閉狀態(tài)。

圖1 電纜豎井平面示意

一般而言,150 m高壓電纜井有23層,250 m高壓電纜井有39層,其底層和頂層分別通過進(jìn)線下平硐和出線上平硐與外部連接,層高約6.4 m。為模擬電纜豎井漏風(fēng)情況,設(shè)置條件為檢修門關(guān)閉,每層存在一條1 m×0.01 m的縫隙。豎井平面尺寸為5.8 m×2.8 m,共16.24 m2,每層地板上開設(shè)4個(gè)電纜通道,尺寸均為1.5 m×0.8 m。每個(gè)電纜通道內(nèi)豎直鋪設(shè)3根高壓電纜。

低壓電纜井樓層及層高與高壓電纜井完全相同,每層的平面尺寸為2.8 m×1.4 m,整個(gè)低壓電纜井上下貫通,各層之間用鋼格柵分隔,鋼格柵尺寸為2.8 m×0.8 m。低壓電纜井電纜橋架數(shù)量設(shè)置為五排,相鄰電纜橋架間距為0.2 m。

2 仿真模型建立與模擬工況確定

2.1 模型空間結(jié)構(gòu)建立

在FDS模型設(shè)計(jì)軟件PyroSim中按1∶1的比例實(shí)施電纜豎井的建模,模型平面如圖2所示。材料方面相關(guān)設(shè)定為高低壓電纜井采用磚墻隔離,其他墻壁、地板及樓梯為混凝土材料,高壓電纜井井內(nèi)的護(hù)欄以及低壓電纜井內(nèi)的鋼格柵為鋼材。此外,引入了一個(gè)高溫?zé)嵩醋鳛橐鹪?并在引燃電纜后撤銷。起火場景設(shè)定為電纜豎井中一排高壓電纜或低壓電纜過熱造成井內(nèi)一處起火。

圖2 電纜豎井模型平面

由于高壓電纜井和低壓電纜井之間是互相分隔的,且混凝土和磚墻均為不燃材料,因此認(rèn)定兩者為獨(dú)立的滅火單元,在此基礎(chǔ)上分別對高壓電纜井和低壓電纜井進(jìn)行高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)滅火模擬。

2.2 電纜參數(shù)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)選用的電纜為鋁芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套阻燃電纜(YJLV22）,電纜導(dǎo)體為鋁絲,護(hù)套為聚氯乙烯(PVC)；低壓電纜額定電壓為0.6/1.0 kV,截面外徑為16 mm,單位長度質(zhì)量為0.700 kg/m；高壓電纜額定電壓為10 kV,電纜外徑40 mm,單位長度質(zhì)量為5.572 kg/m。

該電纜具有多層護(hù)套,三股導(dǎo)體外包有內(nèi)層護(hù)套,然后外層護(hù)套再將其與填充物一起包裹形成完整的電纜。電纜材料設(shè)置為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.615的PVC和0.385的鋁組成,燃燒發(fā)熱為16 MJ/kg。

2.3 網(wǎng)格尺寸設(shè)定

在FDS模擬計(jì)算中,設(shè)置的網(wǎng)格越密集,模擬結(jié)果的分辨率越高,計(jì)算精度也越好,但網(wǎng)格設(shè)置過于密集則會(huì)增加計(jì)算壓力,過低則無法準(zhǔn)確表現(xiàn)火災(zāi)場景或產(chǎn)生較大誤差。FDS的指導(dǎo)手冊提供了如下用于確定網(wǎng)格尺寸的公式。

式中：D*為火源特征直徑,m；Q為火源熱釋放速率,kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度,kg/m；cp為環(huán)境空氣比熱容,kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度,K；g為重力加速度,m/s。

相關(guān)研究表明,在網(wǎng)格單元尺寸選擇為火源特征尺寸的0.1倍時(shí),其模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確,結(jié)合電纜豎井的結(jié)構(gòu)參數(shù),選用長方形網(wǎng)格用于模擬計(jì)算。網(wǎng)格主要由電纜豎井、底層的下平硐電纜道以及頂層的出線上平硐三部分組成；模型采用多套網(wǎng)格,電纜豎井中部為0.1 m×0.1 m×0.5 m的長方體網(wǎng)格,底層的起火區(qū)域、下平硐電纜道、頂層區(qū)域以及出線上平硐均采用0.1 m×0.2 m×0.2 m的長方體網(wǎng)格。

2.4 滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓電纜井選用流量系數(shù)K分別為1.0、1.5的噴頭,低壓電纜井選用流量系數(shù)K分別為1.7、2.5的噴頭；并設(shè)置水霧粒徑中位數(shù)為200 μm,最大值為300 μm,最小值為0.1 μm。

細(xì)水霧噴頭平面布置如圖3所示。對于高壓電纜井,每層隔板之間豎向配置2層噴頭,每層4個(gè)噴頭,縱向間距3.2 m,每層隔板之間共8個(gè)噴頭；對于低壓電纜井,每層隔板之間豎向配置2層噴頭,每層1只噴頭,縱向間距3.2 m,每層隔板之間2個(gè)噴頭。

圖3 細(xì)水霧噴頭平面布置

根據(jù)豎井火災(zāi)燃燒的特點(diǎn),設(shè)定滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),起火層和其上一層的噴頭同時(shí)動(dòng)作,由于電纜為豎直鋪設(shè),噴頭噴霧方向采用側(cè)噴方式,使細(xì)水霧最大程度發(fā)揮滅火效果。

2.5 工況設(shè)計(jì)

高低壓電纜井細(xì)水霧滅火模擬工況詳見表1。為研究高低壓電纜井在不同噴霧強(qiáng)度下細(xì)水霧的滅火效果,高壓電纜井噴霧強(qiáng)度分別設(shè)置為1.45 L/(min·m2)、2.18 L/(min·m2),對應(yīng)噴頭流量系數(shù)約為1.0、1.5；低壓電纜井噴霧強(qiáng)度分別設(shè)置為0.98 L/(min·m2)、1.44 L/(min·m2),對應(yīng)噴頭流量系數(shù)約為1.7、2.5。

表1 高低壓電纜井細(xì)水霧滅火模擬工況 單位：L/(min·m2)

3 模擬結(jié)果分析

熱釋放速率(heat release rate,HRR)是火災(zāi)研究中非常重要的參數(shù),表征火災(zāi)向外釋放熱量的能力,當(dāng)其熱釋放速率為0時(shí),則燃燒終止。通過對比分析各工況下熱釋放速率隨時(shí)間變化的曲線,可篩選出有效撲滅火災(zāi)的細(xì)水霧設(shè)計(jì)方案。

3.1 高壓電纜井模擬結(jié)果分析

1) 圖4為頂部底部開門,火源位于底層下,K分別取1.0、1.5以及無細(xì)水霧情況下的熱釋放速率對比。可以看出,在前30 s (火災(zāi)發(fā)展階段),三種情況下的熱釋放速率變化曲線基本一致；30 s后,細(xì)水霧系統(tǒng)啟用,熱釋放速率變化曲線開始產(chǎn)生差異,其中K取1.5對應(yīng)的曲線下降速率最快,并在約60 s時(shí)下降至0；K為1.0的熱釋放速率曲線在40～60 s上下存在較大波動(dòng),并于約80 s時(shí)下降至0。

圖4 頂部底部開門，火源位于底層時(shí)熱釋放速率對比

不同高度下溫度下降的情況與熱釋放速率下降情況類似(見圖5)。同時(shí)還可以看出,對比不同噴頭流量系數(shù)下的滅火效果,噴頭流量系數(shù)取1.5,其滅火所需時(shí)間具有優(yōu)勢,但本著保證滅火效果的同時(shí)盡量節(jié)約建造成本的原則,可優(yōu)先選用1.0作為高壓電纜井的噴頭流量系數(shù)。

圖5 不同高度下溫度變化

2) 圖6為頂部底部關(guān)門,火源位于底層下,熱釋放速率隨時(shí)間變化的情況。可看出,K=1和K=1.5時(shí),無論是熱釋放速率大小還是滅火時(shí)間,兩者間的差距均不大。分析其主要原因?yàn)榧?xì)水霧的滅火效率已達(dá)最大,即使系數(shù)繼續(xù)增大,也無法減小滅火時(shí)間。因此,該工況下,K取1.0即可達(dá)到較好的滅火效果。

圖6 頂部底部關(guān)門，火源位于底層時(shí)熱釋放速率變化

3) 由于真實(shí)火災(zāi)發(fā)生時(shí)火源位置具有較大的不確定性,導(dǎo)致電纜豎井火災(zāi)的發(fā)展有著很大的差異,因此,選擇在250 m高壓電纜井、火源高度為80/150/220 m分別開門和設(shè)置火源點(diǎn)+頂部開門的工況下,對細(xì)水霧滅火情況進(jìn)行研究分析,結(jié)果如圖7、8、9所示。

圖7 火源高度為80 m時(shí)，火源附近溫度變化

圖8 火源高度位于150 m時(shí)熱釋放速率變化

圖9 火源高度為220 m時(shí)熱釋放速率變化

從圖7、8、9可以看出,不同火源高度下,熱釋放速率均在30 s時(shí)快速下降,K取1.0和K取1.5均能在細(xì)水霧開啟后有效抑制火災(zāi)。

3.2 低壓電纜井模擬結(jié)果分析

圖10為低壓電纜井頂部底部開門,火源位于底層的工況下,K=1.7和K=2.5時(shí),熱釋放速率變化情況。在前30 s (火災(zāi)發(fā)展階段),三種工況的熱釋放速率變化曲線完全一致；30 s細(xì)水霧系統(tǒng)啟用后,曲線的變化趨勢開始產(chǎn)生差異,其中K為2.5的工況下,熱釋放速率下降最快；K為1.7的工況同樣具有較好的滅火效果,且在前50 s與K為2.5的工況滅火效果沒有明顯區(qū)別,且50 s后的差異也不大。

圖10 低壓井不同流量系數(shù)下熱釋放速率變化

無細(xì)水霧情況下,電纜火災(zāi)也會(huì)熄滅,其原因?yàn)殡娎|外包裹的聚合物為阻燃PVC,當(dāng)火源在30 s時(shí)撤出后,火焰雖然還在向上蔓延,但因材料自身的特性,火勢不斷變小直至熄滅。低壓電纜井由于上下貫通且沒有平臺(tái)阻隔,煙囪效應(yīng)明顯,火勢發(fā)展迅速,在細(xì)水霧啟動(dòng)時(shí),燃燒即將達(dá)到峰值并進(jìn)入衰退階段,故低壓電纜井在滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)論

基于上述仿真結(jié)果的研究分析,可以得出以下結(jié)論。

1) 針對高壓電纜井火災(zāi)的各種工況,在K=1.0和K=1.5時(shí),均能取得較為理想的滅火效果,熱釋放速率可快速下降至0。因此,本著保證滅火效果并盡量節(jié)約建造成本的原則,建議K優(yōu)先選擇1.0,相應(yīng)的噴霧強(qiáng)度設(shè)置為1.45 L/（min·m2）。

2) 在低壓電纜井開門工況下,K=1.7和K=2.5均可以達(dá)到相似的滅火效果,只是在火災(zāi)后期有部分差異,因此,建議K優(yōu)先選擇1.7,相應(yīng)的噴霧強(qiáng)度設(shè)置為0.98 L/(min·m2）。與此同時(shí),還需要關(guān)注滅火系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,基于低壓電纜井的特性,在滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。