綜合管廊電力艙火災(zāi)特征和自動(dòng)滅火系統(tǒng)的選擇研究

潘泓宇

上海市松江區(qū)城市建設(shè)綜合管理事務(wù)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(gòu)筑物及附屬設(shè)施。2015年8月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)表了《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》。綜合管廊在城市中的建設(shè)，對(duì)消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網(wǎng)”等具有極大意義，但隨著高壓電纜、燃?xì)獾裙艿廊肜确笤O(shè)，綜合管廊的火災(zāi)隱患是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。故本文以松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊為例，通過(guò)模擬計(jì)算，針對(duì)管廊內(nèi)110kV電纜引起的火災(zāi)，分析火災(zāi)蔓延特征和環(huán)境溫度，求證自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)置必要性，探討懸掛式超細(xì)干粉和細(xì)水霧這兩種目前應(yīng)用最多的自動(dòng)滅火系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)，以期對(duì)今后管廊建設(shè)和安全運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

作為上海最大規(guī)模綜合管廊試點(diǎn)——松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊規(guī)劃長(zhǎng)度21.7km，除設(shè)置有常規(guī)的電力艙、綜合艙外，大膽探索、先行先試，為雨、污水和燃?xì)馊肜仍O(shè)置單獨(dú)艙室，同時(shí)創(chuàng)造性的結(jié)合海綿城市理念，設(shè)置了初期雨水艙用于雨水調(diào)蓄，防止城市內(nèi)澇，走在了國(guó)內(nèi)前沿，極具科研價(jià)值，因此本文將其作為研究對(duì)象。

電力艙橫斷面內(nèi)部尺寸寬×高為2.6m×3.8m，電力艙每個(gè)防火分區(qū)長(zhǎng)度200m，防護(hù)分區(qū)之間采用不燃性墻體進(jìn)行防火分隔，防火分隔處設(shè)置甲級(jí)防火門(mén)，管線穿越防火隔斷部位采用防火封堵措施嚴(yán)密封堵。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 模擬軟件

電纜火災(zāi)的數(shù)值模擬模型主要包括區(qū)域模型和流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST開(kāi)發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真模型（FDS）是典型的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。本次利用pyrosim建立模型后運(yùn)行FDS進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模型簡(jiǎn)化及相關(guān)參數(shù)的確定

2.2.1 模型建立和簡(jiǎn)化。以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)，X軸正方向?yàn)闄M斷面寬，Z軸正方向?yàn)闄M斷面高，Y軸正方向?yàn)榉阑鸱謪^(qū)長(zhǎng)，根據(jù)管廊實(shí)際尺寸1：1建立模型。

2.2.2 網(wǎng)格尺寸。防火分區(qū)長(zhǎng)度200m，設(shè)置著火點(diǎn)在防火分區(qū)中間位置，考慮到軟件計(jì)算效率和電纜直徑大小，以著火點(diǎn)為中心設(shè)置網(wǎng)格邊界：MinX=0m，MaxX=3.35m，Min Y=98m，MaxY=102m，MinZ=0m，MaxZ=4.65m。計(jì)算單元尺寸：0.04m×0.04m×0.04m。

2.2.3 電纜參數(shù)設(shè)定。電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一根YJV電纜由內(nèi)而外由線芯（Cu或Al）、絕緣材料（XLPE）、填充材料（陶瓷纖維）、內(nèi)護(hù)套和包帶（PVC）、鎧裝（鋼）、外護(hù)套（PVC）組成，其中主要燃燒反應(yīng)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(jù)耗氧原理計(jì)算出[1]PVC燃燒熱16768kJ/kg，XLPE燃燒熱43825kJ/kg，然后建立surface類型為L(zhǎng)ayered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(jù)錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)可以得到熱釋放速率隨時(shí)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(dǎo)出，錄入110kV、10kV、自用電纜三個(gè)表面。

圖1 YJV電纜燃燒過(guò)程熱釋放速率變化圖

2.2.4 引燃方式。國(guó)內(nèi)有些研究在建立電纜燃燒模型時(shí)，往往采用建立一個(gè)靠近電纜的火源，設(shè)置火源功率后引燃電纜[3-4]。但實(shí)際上，電力故障是影響電纜隧道火災(zāi)發(fā)生的首要因素[5]，由于電力故障種類多樣，無(wú)法直徑確定火源功率，因此本文僅研究電纜達(dá)到燃點(diǎn)后的燃燒過(guò)程。

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

3 火災(zāi)模擬結(jié)果和分析

起火點(diǎn)位于圖左側(cè)的110kV電纜最上層，建立起火點(diǎn)處的垂直于Y軸的溫度切面，模擬結(jié)果顯示：35.5s時(shí)燃燒僅在110kV電纜處，但其上方的10kV電纜層周邊溫度已到達(dá)300℃；48.3s時(shí)，在兩層10kV電纜未點(diǎn)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(shì)蔓延至自用電纜耐火橋架，兩層10kV電纜均被點(diǎn)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(shí)引燃對(duì)側(cè)10kV電纜和自用電纜。

模擬結(jié)果表明，110kV電纜燃燒發(fā)生后35s內(nèi)是最佳滅火時(shí)間，隨后火勢(shì)發(fā)展迅速，在23s內(nèi)引燃兩層10kV電纜，損失慘重。

4 自動(dòng)滅火系統(tǒng)的選擇

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)和超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)管廊建設(shè)領(lǐng)域采用最多的兩種自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

4.1 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

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(jī)理為冷卻、窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用。但根據(jù)管廊電力艙火災(zāi)模擬結(jié)果，此系統(tǒng)的應(yīng)用有明顯劣勢(shì)：

4.1.1 電纜燃燒發(fā)生后35s內(nèi)是最佳滅火時(shí)間，但根據(jù)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，管廊電力艙采用全淹沒(méi)開(kāi)式系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于30s。實(shí)際設(shè)計(jì)中，為追求經(jīng)濟(jì)性，響應(yīng)時(shí)間往往都接近30s，再加上接收火災(zāi)報(bào)警信號(hào)等時(shí)間，此時(shí)火勢(shì)已開(kāi)始蔓延。

4.1.2 根據(jù)相關(guān)研究，細(xì)水霧泵房服務(wù)半徑控制在1km以內(nèi)，否則配水管道過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致水損高，選用高揚(yáng)程水泵，增加設(shè)備及管道投資[6]。松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊規(guī)劃長(zhǎng)度21.7km，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)明顯不適用。

4.2 超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)

超細(xì)干粉滅火原理主要為，無(wú)機(jī)鹽的揮發(fā)性分解物與燃燒過(guò)程中燃料所產(chǎn)生的自由基或活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)抑制和負(fù)催化作用，使燃燒的鏈反應(yīng)中斷而滅火。

松江南站大型居住社區(qū)地下綜合管廊采用懸掛式超細(xì)干粉滅火裝置，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

4.2.1 電纜燃燒發(fā)生后35s內(nèi)是最佳滅火時(shí)間，該系統(tǒng)采用全淹沒(méi)式，設(shè)計(jì)滅火劑噴放時(shí)間≤10s，可在電力發(fā)生燃燒初期將火撲滅，防止火災(zāi)蔓延至相鄰電纜橋架，減少損失。

4.2.2 超細(xì)干粉系統(tǒng)不需要管道建設(shè)，初次建設(shè)和后期維護(hù)費(fèi)用低。按同等的保護(hù)面積或容積計(jì)算，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)初次建設(shè)成本是超細(xì)干粉系統(tǒng)的三倍以上。

綜上，超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)滅火反應(yīng)迅速，造價(jià)低，在管廊消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)加大推廣力度，更好的保障管廊運(yùn)行安全。