T型電纜廊道探測(cè)報(bào)警有效性分析

王志遠(yuǎn)，雷 蕾，成 乾

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)綜合管廊電纜廊道的安全越來(lái)越重視，其一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會(huì)嚴(yán)重阻礙安全生產(chǎn)，還會(huì)影響人們的日常生活和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。為此，應(yīng)在電纜廊道內(nèi)合理布置火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，多種系統(tǒng)組合使用，以便在最短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)火情，減少火災(zāi)的發(fā)生。

目前，《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)和《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50116—2013)都僅簡(jiǎn)單提及電纜廊道火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器選型問(wèn)題，沒(méi)有針對(duì)電纜廊道具體火災(zāi)情況下探測(cè)器的選擇做出具體要求。在已有的研究中，對(duì)電纜廊道進(jìn)行火災(zāi)模擬與試驗(yàn)時(shí)，都僅采用狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的隧道或管廊，并未對(duì)T型結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究[2]。因?qū)嶋H工程的需要，對(duì)電纜廊道進(jìn)行分支，T型廊道結(jié)構(gòu)由此產(chǎn)生，其交叉點(diǎn)處既是煙氣分散的場(chǎng)所，也是溫度產(chǎn)生突變的重要部位。因此，針對(duì)T型電纜廊道的特定結(jié)構(gòu)，采用高效組合的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，運(yùn)用FDS軟件模擬火災(zāi)場(chǎng)景，得出火災(zāi)溫度場(chǎng)、煙氣濃度分布與探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，可為電纜廊道相關(guān)防火標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制修訂提供理論基礎(chǔ)。

1 電纜廊道火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的選型

空間探測(cè)是針對(duì)某一場(chǎng)所空間范圍內(nèi)溫度及煙氣的變化，利用火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)偵測(cè)溫度及煙氣濃度，當(dāng)達(dá)到溫度及煙氣報(bào)警閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主要包括點(diǎn)型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、對(duì)射式線(xiàn)型光束感煙探測(cè)系統(tǒng)等。對(duì)象探測(cè)則利用火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)所內(nèi)布置的物體進(jìn)行表面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)物體出現(xiàn)溫度異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主要包括纜式線(xiàn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)、分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)等。

目前在電纜廊道中廣泛采用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要有以下幾類(lèi)：纜式線(xiàn)型感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)[3]、對(duì)射式線(xiàn)型光束感煙探測(cè)系統(tǒng)、分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)、空氣采樣式火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，這四種系統(tǒng)的對(duì)比如表1所示。在電纜廊道中，應(yīng)根據(jù)設(shè)置場(chǎng)所的工程環(huán)境不同，對(duì)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行選擇[4]。

表1 四種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)比

在對(duì)象探測(cè)中，針對(duì)電纜受熱這一火災(zāi)隱患，應(yīng)用較多的是纜式線(xiàn)型感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)和分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。纜式線(xiàn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)可針對(duì)電纜自身發(fā)熱實(shí)時(shí)監(jiān)控，可靠度高、精確，安裝維修方便，價(jià)格合理，但其溫敏材料的性能會(huì)隨著使用時(shí)間增加而降低，從而產(chǎn)生誤報(bào)警[5]。分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)因其光纖特性，不易受電磁干擾，但其靈敏度低，對(duì)廊道內(nèi)初期火災(zāi)反應(yīng)慢[6]。且在實(shí)際工程中，因分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)采用一對(duì)一保護(hù)動(dòng)力電纜的方式，不利于電纜的日常檢修，故對(duì)象探測(cè)應(yīng)用更多的是纜式線(xiàn)型感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。

為預(yù)防對(duì)象探測(cè)因電磁干擾而導(dǎo)致漏報(bào)，對(duì)陰燃所產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行早期預(yù)警，減少火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)成本，筆者在電纜廊道內(nèi)加裝空間探測(cè)，采用點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)與點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，與對(duì)象探測(cè)相輔相成，以更好地保護(hù)電纜廊道安全。

2 模型建立

2.1 空間幾何模型

圖1 電纜廊道模型

圖2 內(nèi)部托架設(shè)置

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，壓力為0.1 MPa，隧道內(nèi)壁由鋼筋混凝土、保溫層及外護(hù)管緊密結(jié)合而成，廊道右端為送風(fēng)口，在機(jī)械通風(fēng)情況下，改變隧道環(huán)境氣流速度，風(fēng)速分別為0.5，1，1.5 m·s-1。

2.2.2 火源設(shè)置

設(shè)置油盤(pán)火表面尺寸為0.5 m×0.5 m，火源熱釋放速率12 000 kW·m-2，火源功率3 000 kW[8]，經(jīng)計(jì)算，網(wǎng)格尺寸為0.1 m。油盤(pán)位置分別為橫豎交叉點(diǎn)、右橫中點(diǎn)、下豎中點(diǎn)。

2.2.3 探測(cè)器布置

將空間探測(cè)設(shè)置在距離電纜廊道頂部0.01 m處，每隔5 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)與點(diǎn)型感煙探測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分別記為KW1～KW9、KY1～KY9。點(diǎn)型感溫探測(cè)器溫度報(bào)警閾值為70 ℃，點(diǎn)型感煙探測(cè)器煙氣濃度報(bào)警閾值為3.28 kg·kg-1。為簡(jiǎn)化模型、精簡(jiǎn)計(jì)算，在每層電纜橋架上間隔2 m設(shè)置一個(gè)纜式線(xiàn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)，8層橋架共計(jì)168個(gè)測(cè)點(diǎn)，記為D1～D168，溫度報(bào)警閾值為70 ℃。工況設(shè)置如表2所示。

表2 工況設(shè)置表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 T型管廊結(jié)構(gòu)對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響

對(duì)工況1模擬結(jié)果分析，總結(jié)T型管廊結(jié)構(gòu)對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響。圖3是對(duì)空間探測(cè)KW1～KW9、KY1～KY9報(bào)警時(shí)間的分析與擬合曲線(xiàn)，擬合結(jié)果如表3所示。從圖中可以看出，測(cè)點(diǎn)KW2、KY2報(bào)警時(shí)間出現(xiàn)拐點(diǎn)，初步分析可能是因該測(cè)點(diǎn)位置為T(mén)型管廊交叉點(diǎn)上游，煙氣在交叉點(diǎn)分流后濃度減少，環(huán)境溫升速率減慢，致使交叉點(diǎn)下游測(cè)點(diǎn)KW3、KY3報(bào)警時(shí)間延長(zhǎng)，且擬合函數(shù)說(shuō)明探測(cè)器距離火源位置越遠(yuǎn)，報(bào)警時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 空間探測(cè)報(bào)警時(shí)間及其擬合

表3 報(bào)警時(shí)間擬合函數(shù)

表中擬合均方差分別為0.949 7，0.950 5，該值越接近1，說(shuō)明方程擬合度越高。由此可知，該階段測(cè)點(diǎn)位置與報(bào)警時(shí)間的關(guān)系擬合結(jié)果較為理想。

隨后取t=120 s、z=3.5 m處溫度及煙氣濃度切片，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，點(diǎn)燃油盤(pán)后一段時(shí)間，溫度場(chǎng)及煙氣濃度向左移動(dòng)，到達(dá)交叉點(diǎn)后分散，交叉點(diǎn)處溫度及煙氣濃度為臨界值，之后產(chǎn)生突變，且對(duì)比圖中高溫及煙氣高濃度分布范圍，兩者幾乎同步，可知遠(yuǎn)離火源端處溫度主要受煙氣熱對(duì)流影響，火源熱輻射作用較弱。

圖4 火災(zāi)溫度場(chǎng)分布

圖5 煙氣濃度分布

為驗(yàn)證T型管廊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析交叉點(diǎn)煙氣分散前后探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間，選取三種探測(cè)系統(tǒng)在交叉點(diǎn)不同方向(右、左、下)的最早報(bào)警時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 交叉點(diǎn)處探測(cè)器報(bào)警時(shí)間

從表4看出，交叉點(diǎn)下方向處探測(cè)器報(bào)警時(shí)間耗時(shí)最多。結(jié)合此時(shí)的溫度及煙氣濃度切片圖可知：在交叉點(diǎn)分散后，煙氣直線(xiàn)分流比轉(zhuǎn)角分流流量更大、流動(dòng)更快，大部分煙氣往左方向流動(dòng)，導(dǎo)致左側(cè)管廊內(nèi)溫升速率更快，三種探測(cè)器報(bào)警時(shí)間更短。

3.2 火源位置對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響

對(duì)工況1～工況3中不同火源位置處空間探測(cè)報(bào)警時(shí)間進(jìn)行分析，選取火源附近的測(cè)點(diǎn)(KW1～KW8與KY1～KY8)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：火源位于右橫中點(diǎn)與下豎中點(diǎn)兩處時(shí)，探測(cè)器的報(bào)警時(shí)間(34.7 s與33.6 s、21.4 s與20.2 s、16.5 s與17.2 s、10.7 s與10.3 s)幾乎相等；位于交叉點(diǎn)處附近的探測(cè)器報(bào)警時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，直線(xiàn)段測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)間(27.5 s、37.1 s、13.8 s、18.4 s)先于轉(zhuǎn)角段報(bào)警時(shí)間(36.1 s、48.4 s、19.2 s、24.7 s)。由此可見(jiàn)，火源位于交叉點(diǎn)處報(bào)警時(shí)間最長(zhǎng)，位于右橫中點(diǎn)和下豎中點(diǎn)的報(bào)警時(shí)間相差不大。

表5 工況1～3空間探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器報(bào)警時(shí)間

對(duì)工況1～工況3中對(duì)象探測(cè)第1層電纜橋架上測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)間作圖分析，如圖6所示。由圖6可知，工況1、工況2二者的曲線(xiàn)變化規(guī)律幾乎一致，越靠近火源，報(bào)警時(shí)間越短，此時(shí)溫度升高主要受火源熱輻射影響，當(dāng)距離火源較遠(yuǎn)且橋架上電纜處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)，其溫升速率穩(wěn)定且處于較高水平，探測(cè)器報(bào)警時(shí)間相對(duì)平穩(wěn)。而工況3因火源位置處的測(cè)點(diǎn)布置相對(duì)靠后，導(dǎo)致曲線(xiàn)拐點(diǎn)在后半段，其前半段測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律與工況1、工況2相似。由此可知，在對(duì)象探測(cè)中，探測(cè)器報(bào)警時(shí)間幾乎不受火源位置影響。

3.3 氣流速度對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響

選取工況2、工況4、工況5研究風(fēng)速對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響，對(duì)不同風(fēng)速下三種系統(tǒng)報(bào)警最快測(cè)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖6 對(duì)象探測(cè)報(bào)警時(shí)間與火源位置的關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 三種探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與氣流速度的關(guān)系曲線(xiàn)

經(jīng)擬合，三種系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與氣流速度均呈二次函數(shù)關(guān)系，存在臨界氣流速度使得探測(cè)器報(bào)警時(shí)間最短，其值約為0.95～1.05 m·s-1。當(dāng)風(fēng)速小于臨界氣流速度時(shí)，風(fēng)速增加，報(bào)警時(shí)間減少，當(dāng)風(fēng)速大于臨界氣流速度時(shí)，風(fēng)速增加，報(bào)警時(shí)間延長(zhǎng)。這是由于當(dāng)氣流速度小于臨界氣流速度時(shí)，加入的氧氣含量會(huì)使得燃燒加劇，擴(kuò)大火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)，氣流速度大于臨界氣流速度時(shí)，大量流入的低溫空氣以及廊道壁面的低溫使得火場(chǎng)溫度下降且加大火焰及煙氣的湍流程度，其會(huì)延長(zhǎng)初期火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警時(shí)間。同時(shí)，從圖7可知三種系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間總體規(guī)律為：點(diǎn)型感煙探測(cè)系統(tǒng)<纜式線(xiàn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)<點(diǎn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)。相比纜式線(xiàn)型感溫系統(tǒng)，在陰燃時(shí)點(diǎn)型感煙探測(cè)系統(tǒng)能夠更早監(jiān)測(cè)火情，點(diǎn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間僅稍晚于纜式線(xiàn)型感溫系統(tǒng)，但能在電磁干擾失效情況下起到替代作用，為電纜廊道安全提供二次保障。

4 結(jié)論

4.1 T型管廊交叉點(diǎn)處溫度及煙氣濃度為臨界值，在交叉點(diǎn)分散后產(chǎn)生突變，煙氣直線(xiàn)分流比轉(zhuǎn)角分流流量更大、流動(dòng)更快；交叉點(diǎn)處下方向探測(cè)器報(bào)警時(shí)間比左方向耗時(shí)更多，探測(cè)器距離火源位置越遠(yuǎn)，報(bào)警時(shí)間越長(zhǎng)；應(yīng)針對(duì)交叉點(diǎn)處這一薄弱位置加強(qiáng)防范，合理縮小空間探測(cè)的布置間距，加大探測(cè)器布置數(shù)量。

4.2 在空間探測(cè)中，火源位置對(duì)報(bào)警時(shí)間有一定的影響，火源位于交叉點(diǎn)處報(bào)警時(shí)間最長(zhǎng)，位于右橫中點(diǎn)和下豎中點(diǎn)的報(bào)警時(shí)間相差不大；在對(duì)象探測(cè)中，探測(cè)器報(bào)警時(shí)間幾乎不受火源位置影響，且變化規(guī)律一致。

4.3 三種系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與氣流速度均呈二次函數(shù)關(guān)系，探測(cè)器報(bào)警時(shí)間最短的臨界氣流速度約為0.95～1.05 m·s-1。

4.4 在空間探測(cè)與對(duì)象探測(cè)系統(tǒng)中，報(bào)警時(shí)間總體規(guī)律為：點(diǎn)型感煙探測(cè)系統(tǒng)<纜式線(xiàn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)<點(diǎn)型感溫探測(cè)系統(tǒng)。由此可知，不同探測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警時(shí)間長(zhǎng)短不同，點(diǎn)型感煙探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間最短，其作為空間探測(cè)的一種，是對(duì)象探測(cè)的良好補(bǔ)充，彌補(bǔ)了對(duì)象探測(cè)的不足，降低報(bào)警延遲率，可為電纜廊道提供更安全可靠的保障。