側(cè)噴式高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在綜合管廊內(nèi)的消防效果研究

摘要：目前國(guó)內(nèi)采用的綜合管廊自動(dòng)滅火系統(tǒng)主要有水噴霧、高壓細(xì)水霧、超細(xì)干粉、氣溶膠等多種方式，其中高壓細(xì)水霧采用的頻率越來(lái)越高，但是針對(duì)高壓細(xì)水霧的噴頭安裝角度（直噴和側(cè)噴），國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)研究。本文針對(duì)直噴和側(cè)噴的不同安裝角度，進(jìn)行區(qū)間段試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，認(rèn)為側(cè)噴式高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在滅火效果、單側(cè)電纜支架的建設(shè)適用面、使用性能及造價(jià)費(fèi)用等方面更具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：管廊消防；側(cè)噴式高壓細(xì)水霧；單側(cè)電纜支架

一、綜合管廊火災(zāi)危險(xiǎn)性及成因分析

地下綜合管廊由于具有封閉性、無(wú)人性等特點(diǎn)，一般發(fā)生火災(zāi)時(shí)所產(chǎn)生的危害性較小。然而，由于這些特征，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火勢(shì)沿管廊蔓延速度快，難以人為控制，搶險(xiǎn)救援難度大，所帶來(lái)的危害及財(cái)產(chǎn)損失較為嚴(yán)重。

（一）管廊火災(zāi)類型分析

綜合管廊各艙室管線的種類、數(shù)量、長(zhǎng)度以及材質(zhì)直接影響管廊的火災(zāi)形勢(shì)。作為一種地下構(gòu)筑物，管廊艙室一般包含天然氣、燃?xì)?、電力以及通信等管線。根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）規(guī)定，含有上述管線的綜合管廊艙室火災(zāi)危險(xiǎn)性分類應(yīng)符合表1規(guī)定，當(dāng)艙室內(nèi)含有兩類及以上管線時(shí)，艙室火災(zāi)危險(xiǎn)性類別應(yīng)按火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的管線確定[1]，見(jiàn)表1。在上述艙室中，電力艙室以及燃?xì)馀撌易钜滓l(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)。

（二）電力艙消防措施

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力火災(zāi)占我國(guó)總火災(zāi)的比例已經(jīng)超過(guò)了30%，其中有一半以上的電力火災(zāi)均是由電纜所引起。綜合管廊的電力艙一般由多種不同回路、不同等級(jí)的電力電纜組成，同時(shí)由于管廊內(nèi)復(fù)雜惡劣的通風(fēng)環(huán)境，單根電纜失效通常易造成整個(gè)電力艙燃燒，若不及時(shí)采取應(yīng)急措施，火災(zāi)的蔓延會(huì)迅速波及其他相鄰艙室，造成不可預(yù)估的后果。導(dǎo)致電纜起火的主要原因有電纜線短路、長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)作、漏電以及電阻過(guò)大等因素。發(fā)生火災(zāi)后，由于管廊空間密閉不透氣、燃燒副產(chǎn)物毒性大等多種原因，火勢(shì)的迅速蔓延會(huì)帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失。因此，實(shí)施相應(yīng)的電力艙消防措施具有重要意義[2]。

目前有關(guān)電力艙的消防措施主要集中在電力艙溫度監(jiān)控等方面的研究。規(guī)范規(guī)定，應(yīng)對(duì)綜合管廊內(nèi)的電力電纜設(shè)置火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。在電纜接頭處設(shè)置自動(dòng)滅火裝置。應(yīng)按照支架形式設(shè)計(jì)安裝電力電纜，并應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50217和《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065的有關(guān)規(guī)定。

（三）燃?xì)馀撓来胧?/p>

管道燃?xì)馐怯啥喾N化學(xué)混合成分組成的可燃性氣體，由于其輸送和使用條件的特殊性，往往具有較大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。造成燃?xì)饣馂?zāi)的因素主要有氣體碰撞摩擦、爆炸、電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)以及管道泄漏和腐蝕等。燃?xì)饣馂?zāi)的燃燒和爆炸通常瞬間發(fā)生，開(kāi)采和輸送過(guò)程往往伴隨高溫、高壓或低溫、高壓，各個(gè)設(shè)備聯(lián)系緊密，加大了施救難度，導(dǎo)致火勢(shì)難以控制，易導(dǎo)致巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[3]。

現(xiàn)如今對(duì)燃?xì)馀摬扇〉南来胧┲饕菓?yīng)用監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。規(guī)范指出天然氣調(diào)壓裝置不應(yīng)設(shè)置在綜合管廊內(nèi)，以避免發(fā)生燃?xì)馀摶馂?zāi)?；馂?zāi)發(fā)生后，通常從斷源滅火、滅火劑滅火、堵漏滅火三個(gè)部分進(jìn)行補(bǔ)救。在前期管道設(shè)計(jì)安裝時(shí)，應(yīng)由專業(yè)人員嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。除此之外，還應(yīng)按照國(guó)家規(guī)范在燃?xì)馀撛O(shè)置一定數(shù)量的逃生口，以保證人員安全。

二、管廊內(nèi)滅火系統(tǒng)的選擇

（一）常用自動(dòng)滅火系統(tǒng)的分類

在綜合管廊內(nèi)，不同的滅火系統(tǒng)，可產(chǎn)生不同的效果，需要對(duì)應(yīng)于管廊的不同區(qū)段的不同要求。因此，需要比較各種常用自動(dòng)滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用情況。目前，綜合管廊內(nèi)常用的自動(dòng)滅火系統(tǒng)有：氣體滅火系統(tǒng)（包括氣溶膠等）、水噴霧、高壓細(xì)水霧、超細(xì)干粉等。

1.氣溶膠滅火系統(tǒng)

這種滅火系統(tǒng)利用化學(xué)物質(zhì)在燃燒時(shí)釋放大量可以滅火的介質(zhì)，通過(guò)隔絕可燃物與氧氣以及燃燒融化過(guò)程中吸收大量熱量，從而達(dá)到滅火的目的?，F(xiàn)在市面上大多數(shù)使用的是S型氣溶膠。這種滅火系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，占地面積小，可以帶電消防。然而，藥劑具有有效期，后期為維持系統(tǒng)有效運(yùn)行，需要更換制劑，產(chǎn)生一定費(fèi)用。

2.水噴霧滅火系統(tǒng)

水噴霧滅火系統(tǒng)是在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。原理是水經(jīng)過(guò)水霧噴頭后，被分解成無(wú)數(shù)細(xì)小水滴，形成水霧。水霧可以大面積降低溫度，在完全汽化過(guò)程中，可吸收大量熱量。這種方式安全環(huán)保，操作簡(jiǎn)單，投資較小，更省經(jīng)濟(jì)。然而，需要的水量較大，占地面積大，給水主管須占用管廊內(nèi)部空間。

3.超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)

這種滅火系統(tǒng)利用壓縮空氣，將超細(xì)干粉噴射至空氣中，迅速降低環(huán)境溫度，有效隔絕可燃物與氧氣，破壞燃燒條件，從而達(dá)到滅火目的。這種滅火方式滅火效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，便于安裝。然而，干粉滅火劑具有有效期，需要定時(shí)更換，后期維護(hù)費(fèi)用較高，對(duì)環(huán)境要求高，在潮濕的環(huán)境中易失效。

4.高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)特殊噴嘴，利用壓力產(chǎn)生細(xì)水霧，直接作用于火焰，水霧汽化迅速吸收大量熱量，水蒸氣膨脹，隔絕可燃物與氧氣，同時(shí)由于水霧是通過(guò)高壓產(chǎn)生，可以對(duì)燃燒物產(chǎn)生沖擊。這種方法以水滅火，安全環(huán)保，滅火效果很好，可以持續(xù)作用于火災(zāi)，實(shí)時(shí)監(jiān)控火場(chǎng)溫度。然而，需要設(shè)置泵房，占地面積較大。

（二）自動(dòng)滅火系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

目前綜合管廊中常用的自動(dòng)滅火系統(tǒng)有超細(xì)干粉、氣溶膠、高壓細(xì)水霧，見(jiàn)表2。

由表2可知，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)相比其他兩種自動(dòng)滅火系統(tǒng)，有一定的優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性好、滅火效率高。在綜合管廊的設(shè)計(jì)中，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)和超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)已形成主流趨勢(shì)。

（三）高壓細(xì)水霧系統(tǒng)適用范圍及工程實(shí)例

目前在我國(guó)已建造或正在建造的綜合管廊中，對(duì)滅火系統(tǒng)的選擇仍有較多不同。

早期建設(shè)的綜合管廊如上海安亭新鎮(zhèn)綜合管廊工程（2003年），管廊設(shè)置給水、電力、通信三種管線，全長(zhǎng)5.8km，該管廊經(jīng)當(dāng)?shù)叵啦块T審批后采用水噴霧滅火系統(tǒng)。后續(xù)建設(shè)的上海世博園綜合管廊（2007年）和深圳前海怡海大道電纜隧道（2013年）也是采用水噴霧滅火系統(tǒng)。水噴霧系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并有效降低火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度，但需要在管廊內(nèi)部預(yù)留消防主干管和消防支管管位，導(dǎo)致斷面尺寸增大，造價(jià)較高[4]。

氣溶膠和超細(xì)干粉因設(shè)置方便、滅火系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單、可帶電消防等特點(diǎn)，逐漸取代水噴霧滅火系統(tǒng)成為管廊滅火系統(tǒng)首選技術(shù)。鄭州機(jī)場(chǎng)綜合管廊（2015年）、廈門集美新城綜合管廊工程（2015年）、武漢市中央商務(wù)區(qū)綜合管廊（2016年）均采用氣溶膠滅火系統(tǒng)和超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)。氣溶膠和超細(xì)干粉空間需求小，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，但容易出現(xiàn)誤噴，啟動(dòng)可靠性不穩(wěn)定，人體吸入超細(xì)干粉后可能引發(fā)呼吸道中毒等狀況。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)因其不會(huì)產(chǎn)生大量排水、具有更長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命、電絕緣性、可實(shí)時(shí)監(jiān)控等特點(diǎn)，近幾年在綜合管廊中被廣泛采用，如深圳的大空港啟動(dòng)區(qū)綜合管廊、阿波羅未來(lái)城綜合管廊。其噴出的高速水霧，可以高效清洗空氣中的煙霧，有利于被火勢(shì)圍困人員的撤離。同時(shí)，速度快，穿透力強(qiáng)，能直達(dá)火源根部，將火勢(shì)徹底控制和撲滅，有效防止火源再次復(fù)燃。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)可分為全淹沒(méi)式保護(hù)和分區(qū)局部保護(hù)（側(cè)噴保護(hù)）兩種方式。目前針對(duì)兩種方式滅火效果的研究有限，本文通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，具體分析對(duì)管廊消防滅火能力的影響。

三、噴頭不同安裝角度對(duì)滅火效果的影響分析

（一）不同安裝角度滅火效果的理論性分析

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)主要是利用大壓力水泵或者強(qiáng)壓力氣體，水從噴頭中噴出產(chǎn)生霧狀顆粒型水滴，再均勻覆蓋到燃燒物、火災(zāi)發(fā)生區(qū)域等保護(hù)區(qū)域。在高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火過(guò)程中，噴頭起著重要作用，噴頭的參數(shù)決定了滅火效果以及適用范圍。本文研究不同噴頭安裝角度θ對(duì)綜合管廊內(nèi)消防效果的影響。安裝角度θ的大小影響到噴頭的安裝高度和火災(zāi)保護(hù)范圍。

1.直噴式θ=90°

直噴式高壓細(xì)水霧在管廊中應(yīng)用較多，噴射范圍沿噴頭垂線對(duì)稱分布。該系統(tǒng)可有效防止兩側(cè)電纜起火，降低火災(zāi)損失。直噴式噴頭多沿管廊頂板中線布置，對(duì)兩側(cè)的保護(hù)作用相同。直噴式高壓細(xì)水霧適用性較好，一般用于管廊斷面高度適中、火焰燃燒區(qū)較分散的防火分區(qū)，如管廊橫斷面尺寸適中、雙側(cè)布置電纜的綜合管廊。

2.側(cè)噴式0°＜θ≤90°

一方面，缺少管廊消防相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及參考；另一方面，管廊內(nèi)電纜多采用雙側(cè)布置。當(dāng)管廊斷面尺寸較大或電纜單側(cè)布置時(shí)，火焰燃燒區(qū)較集中，側(cè)噴式相比直噴有更好的滅火效果。形成細(xì)水霧，更好貼合起火電纜，滅火速度快、復(fù)燃可能性??；保護(hù)范圍大，可增大布置間距，從而減少造價(jià)；滅火過(guò)程中用水量少，滅火效率更高。

（二）不同安裝角度滅火效果的試驗(yàn)性分析

本次試驗(yàn)主要研究全淹沒(méi)開(kāi)式系統(tǒng)條件下，不同噴頭安裝角度θ對(duì)滅火效果和降溫速度的影響。試驗(yàn)過(guò)程中還考慮了不同高度電纜橋架和滅火時(shí)的溫度變化。試驗(yàn)通過(guò)模擬綜合管廊電纜艙火災(zāi)，測(cè)試高壓細(xì)水霧系統(tǒng)在不同噴霧強(qiáng)度與噴頭角度條件下，對(duì)火災(zāi)的撲救能力。

1.試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)建設(shè)長(zhǎng)×寬×高尺寸為10m×3.0m×3.4m，艙內(nèi)8層電纜橋架單側(cè)布置，橋架的寬度為600mm，相鄰橋架的層間距為300mm，最底層橋架距地面為400mm，頂層橋架距隧道頂部為900mm，每層橋架上放置有多根電纜的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料。沿廊道中間位置，距頂400mm、間距3000mm，設(shè)置有4個(gè)高壓細(xì)水霧噴頭。噴頭安裝間距為d=3m，工作壓力為P=10Mpa。

溫感探頭采用8支直徑為2mm的鎳鉻鎳硅K型熱電偶，在空間中央吊頂下150mm處和自頂部向下第二層電纜橋架中央，每間隔2.5m分別設(shè)置2組熱電偶，如圖1所示。

2.噴頭流量系數(shù)K=0.95，不同安裝角度的滅火效果

從圖2中可以看到，直噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)啟動(dòng)后，頂板和側(cè)壁溫感探頭平均經(jīng)過(guò)120.5s和71.5s溫度下降到100℃以下。側(cè)噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)啟動(dòng)后，頂板和側(cè)壁溫感探頭平均經(jīng)過(guò)62s和57.5s溫度下降到100℃以下。期間泵組出口實(shí)際工作壓力均為10.2Mpa。

通過(guò)溫度變化曲線可知，當(dāng)噴頭K=0.95時(shí)，對(duì)比火災(zāi)發(fā)生后頂板和側(cè)壁處的降溫時(shí)間，側(cè)噴式均優(yōu)于直噴式高壓細(xì)水霧。分析可知，由于直噴式保護(hù)范圍的局限，在頂板處降溫效果差，而側(cè)噴式在頂板處降溫效果明顯。

3.噴頭流量系數(shù)K=0.45，不同安裝角度的滅火效果

從圖3中可以看到，直噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)啟動(dòng)后，頂板和側(cè)壁溫感探頭平均經(jīng)過(guò)136.5s和132s溫度下降到100℃以下。側(cè)噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)啟動(dòng)后，頂板和側(cè)壁溫感探頭平均經(jīng)過(guò)91.5s和94.25s溫度下降到100℃以下。期間泵組出口實(shí)際工作壓力均為10.1Mpa。

通過(guò)溫度變化曲線可知，當(dāng)噴頭K=0.45時(shí)，直噴式和側(cè)噴式都可達(dá)到滅火效果。對(duì)比火災(zāi)發(fā)生后頂板和側(cè)壁處降溫時(shí)間，側(cè)噴式優(yōu)于直噴式高壓細(xì)水霧。分析可知，側(cè)噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)啟動(dòng)后，噴頭形成細(xì)水霧范圍更加貼合起火范圍，可快速降低溫度。

四、側(cè)噴式高壓細(xì)水霧工程應(yīng)用及適用范圍

（一）工程應(yīng)用

某四艙綜合管廊含燃?xì)馀摗⑽鬯?、綜合艙及高壓電力艙。其中，綜合艙B×H=5.0×4.2m，高壓電力艙B×H=2.8×4.2m，綜合管廊橫斷面設(shè)計(jì)圖如圖4。

在綜合艙和高壓電力艙均設(shè)置高壓細(xì)水霧系統(tǒng)，綜合艙采用局部應(yīng)用式滅火，高壓細(xì)水霧噴頭雙側(cè)布置，噴頭安裝位置距艙室中心線1.25m，安裝角度45°；高壓電力艙采用全淹沒(méi)式滅火，高壓細(xì)水霧噴頭安裝位置距艙室中心線0m。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)干管采用DN65高壓不銹鋼管，支管采用DN10-DN50高壓不銹鋼管，所有保護(hù)區(qū)均采用開(kāi)式噴頭（k=0.95），噴頭安裝間距不大于3.0m。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量按照開(kāi)式系統(tǒng)單個(gè)保護(hù)區(qū)同時(shí)開(kāi)啟噴頭的流量，并取1.1倍的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)單個(gè)保護(hù)區(qū)與防火分區(qū)保持一致，最大流量按照200m長(zhǎng)防火分區(qū)的綜合艙進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)規(guī)范，系統(tǒng)最小工作壓力P=10MPa，持續(xù)噴霧時(shí)間30min。單個(gè)噴頭設(shè)計(jì)流量q=k×（10×P）0.5=9.5L/min；根據(jù)計(jì)算：泵計(jì)算流量Qs=710.60L/min；系統(tǒng)工作壓力按最不利點(diǎn)進(jìn)行水力計(jì)算，采用海森威廉公式計(jì)算結(jié)果：H=11.6MPa。故單臺(tái)提升泵設(shè)計(jì)參數(shù)Q=112L/min，H=13MPa，N=30kW，泵組采用7用1備，總功率210kW；單臺(tái)穩(wěn)壓泵Q=11.7L/min，H=1.2MPa，N=0.55kW，1用1備。系統(tǒng)采用兩路供水，并設(shè)置消防水箱，水箱計(jì)算容積V=Qs×t=21.3m3，設(shè)計(jì)水箱尺寸為3×3×2.5=2.5m3。設(shè)置增壓泵Q=40L/min，H=33MPa，N=5.5kW，1用1備。

（二）適用范圍

側(cè)噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)整噴頭的不同角度，改變保護(hù)范圍。相對(duì)于直噴式高壓細(xì)水霧，側(cè)噴式的適用范圍可以概括為以下幾種：管廊橫斷面尺寸較大，橫斷面寬度或高度較大；管廊內(nèi)電纜單側(cè)布置，火焰燃燒區(qū)較集中。

結(jié)語(yǔ)

側(cè)噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，形成細(xì)水霧范圍能更好覆蓋起火范圍，對(duì)深位火災(zāi)有較好的抑制作用。在側(cè)噴式噴頭安裝角度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)管廊高度以及保護(hù)范圍進(jìn)行具體計(jì)算。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，布置間距相對(duì)于直噴式可適當(dāng)增大，但應(yīng)注意校核。目前，管廊建設(shè)趨于精細(xì)化，高效、安全的消防系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。側(cè)噴式高壓細(xì)水霧系統(tǒng)在管廊橫斷面尺寸較大、電纜單排布置可優(yōu)先選擇，其滅火效果較直噴式更好。

參考文獻(xiàn)

[1]李露.高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在檔案館中的應(yīng)用[J].給水排水，2016，42（04）：95-98.

[2]孫磊，劉澄波．綜合管廊的消防滅火系統(tǒng)比較與分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009（06）：16-20.

[3]崔景立.高壓細(xì)水霧技術(shù)用于既有建筑消防改造研究[J].給水排水，2013，39（01）：80-83.

[4]饒傳富，毛宇，熊小林，等.從城市地下綜合管廊到新區(qū)地下市政綜合體建設(shè)的思考[J].給水排水，2019，45（05）：119-123.