T型電纜廊道探測報警有效性分析

王志遠，雷 蕾，成 乾

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來，國內外對綜合管廊電纜廊道的安全越來越重視，其一旦發生火災，不僅會嚴重阻礙安全生產，還會影響人們的日常生活和地方經濟的發展，造成巨大經濟損失[1]。為此，應在電纜廊道內合理布置火災探測報警系統，多種系統組合使用，以便在最短時間內監測火情，減少火災的發生。

目前，《城市綜合管廊工程技術規范》(GB 50838—2015)和《火災自動報警系統設計規范》(GB 50116—2013)都僅簡單提及電纜廊道火災報警探測器選型問題，沒有針對電纜廊道具體火災情況下探測器的選擇做出具體要求。在已有的研究中，對電纜廊道進行火災模擬與試驗時，都僅采用狹長結構的隧道或管廊，并未對T型結構進行深入研究[2]。因實際工程的需要，對電纜廊道進行分支，T型廊道結構由此產生，其交叉點處既是煙氣分散的場所，也是溫度產生突變的重要部位。因此，針對T型電纜廊道的特定結構，采用高效組合的火災探測報警系統，運用FDS軟件模擬火災場景，得出火災溫度場、煙氣濃度分布與探測系統報警時間的相關關系，可為電纜廊道相關防火標準和規范的制修訂提供理論基礎。

1 電纜廊道火災探測報警系統的選型

空間探測是針對某一場所空間范圍內溫度及煙氣的變化，利用火災探測系統偵測溫度及煙氣濃度，當達到溫度及煙氣報警閾值時發出報警信號，主要包括點型火災探測系統、吸氣式感煙火災探測系統、對射式線型光束感煙探測系統等。對象探測則利用火災探測系統對場所內布置的物體進行表面溫度的實時監測，當物體出現溫度異常時發出報警信號，主要包括纜式線型感溫探測系統、分布式光纖感溫探測系統等。

目前在電纜廊道中廣泛采用的火災報警系統主要有以下幾類：纜式線型感溫火災探測系統[3]、對射式線型光束感煙探測系統、分布式光纖感溫探測系統、空氣采樣式火災探測系統，這四種系統的對比如表1所示。在電纜廊道中，應根據設置場所的工程環境不同，對火災探測系統進行選擇[4]。

表1 四種火災報警系統對比

在對象探測中，針對電纜受熱這一火災隱患，應用較多的是纜式線型感溫火災探測系統和分布式光纖感溫火災探測系統。纜式線型感溫探測系統可針對電纜自身發熱實時監控，可靠度高、精確，安裝維修方便，價格合理，但其溫敏材料的性能會隨著使用時間增加而降低，從而產生誤報警[5]。分布式光纖感溫探測系統因其光纖特性，不易受電磁干擾，但其靈敏度低，對廊道內初期火災反應慢[6]。且在實際工程中，因分布式光纖感溫火災探測系統采用一對一保護動力電纜的方式，不利于電纜的日常檢修，故對象探測應用更多的是纜式線型感溫火災探測系統。

為預防對象探測因電磁干擾而導致漏報，對陰燃所產生的煙氣進行早期預警，減少火災探測報警系統成本，筆者在電纜廊道內加裝空間探測，采用點型感煙火災探測系統與點型感溫火災探測系統，與對象探測相輔相成，以更好地保護電纜廊道安全。

2 模型建立

2.1 空間幾何模型

圖1 電纜廊道模型

圖2 內部托架設置

2.2 參數設置

2.2.1 環境參數設置

設置環境溫度為20 ℃，壓力為0.1 MPa，隧道內壁由鋼筋混凝土、保溫層及外護管緊密結合而成，廊道右端為送風口，在機械通風情況下，改變隧道環境氣流速度，風速分別為0.5，1，1.5 m·s-1。

2.2.2 火源設置

設置油盤火表面尺寸為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]，經計算，網格尺寸為0.1 m。油盤位置分別為橫豎交叉點、右橫中點、下豎中點。

2.2.3 探測器布置

將空間探測設置在距離電纜廊道頂部0.01 m處，每隔5 m設置一個測點，共設置9個測點，點型感溫探測系統與點型感煙探測系統測點分別記為KW1～KW9、KY1～KY9。點型感溫探測器溫度報警閾值為70 ℃，點型感煙探測器煙氣濃度報警閾值為3.28 kg·kg-1。為簡化模型、精簡計算，在每層電纜橋架上間隔2 m設置一個纜式線型感溫探測系統測點，8層橋架共計168個測點，記為D1～D168，溫度報警閾值為70 ℃。工況設置如表2所示。

表2 工況設置表

3 模擬結果分析

3.1 T型管廊結構對報警時間的影響

對工況1模擬結果分析，總結T型管廊結構對報警時間的影響。圖3是對空間探測KW1～KW9、KY1～KY9報警時間的分析與擬合曲線，擬合結果如表3所示。從圖中可以看出，測點KW2、KY2報警時間出現拐點，初步分析可能是因該測點位置為T型管廊交叉點上游，煙氣在交叉點分流后濃度減少，環境溫升速率減慢，致使交叉點下游測點KW3、KY3報警時間延長，且擬合函數說明探測器距離火源位置越遠，報警時間越長。

圖3 空間探測報警時間及其擬合

表3 報警時間擬合函數

表中擬合均方差分別為0.949 7，0.950 5，該值越接近1，說明方程擬合度越高。由此可知，該階段測點位置與報警時間的關系擬合結果較為理想。

隨后取t=120 s、z=3.5 m處溫度及煙氣濃度切片，結果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，點燃油盤后一段時間，溫度場及煙氣濃度向左移動，到達交叉點后分散，交叉點處溫度及煙氣濃度為臨界值，之后產生突變，且對比圖中高溫及煙氣高濃度分布范圍，兩者幾乎同步，可知遠離火源端處溫度主要受煙氣熱對流影響，火源熱輻射作用較弱。

圖4 火災溫度場分布

圖5 煙氣濃度分布

為驗證T型管廊結構特點，分析交叉點煙氣分散前后探測報警系統報警時間，選取三種探測系統在交叉點不同方向(右、左、下)的最早報警時間，結果見表4。

表4 交叉點處探測器報警時間

從表4看出，交叉點下方向處探測器報警時間耗時最多。結合此時的溫度及煙氣濃度切片圖可知：在交叉點分散后，煙氣直線分流比轉角分流流量更大、流動更快，大部分煙氣往左方向流動，導致左側管廊內溫升速率更快，三種探測器報警時間更短。

3.2 火源位置對報警時間的影響

對工況1～工況3中不同火源位置處空間探測報警時間進行分析，選取火源附近的測點(KW1～KW8與KY1～KY8)進行統計，結果見表5。由表5可知：火源位于右橫中點與下豎中點兩處時，探測器的報警時間(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；位于交叉點處附近的探測器報警時間相對較長，直線段測點報警時間(27.5 s、37.1 s、13.8 s、18.4 s)先于轉角段報警時間(36.1 s、48.4 s、19.2 s、24.7 s)。由此可見，火源位于交叉點處報警時間最長，位于右橫中點和下豎中點的報警時間相差不大。

表5 工況1～3空間探測系統探測器報警時間

對工況1～工況3中對象探測第1層電纜橋架上測點報警時間作圖分析，如圖6所示。由圖6可知，工況1、工況2二者的曲線變化規律幾乎一致，越靠近火源，報警時間越短，此時溫度升高主要受火源熱輻射影響，當距離火源較遠且橋架上電纜處于穩定燃燒狀態時，其溫升速率穩定且處于較高水平，探測器報警時間相對平穩。而工況3因火源位置處的測點布置相對靠后，導致曲線拐點在后半段，其前半段測點變化規律與工況1、工況2相似。由此可知，在對象探測中，探測器報警時間幾乎不受火源位置影響。

3.3 氣流速度對報警時間的影響

選取工況2、工況4、工況5研究風速對報警時間的影響，對不同風速下三種系統報警最快測點的時間進行分析，如圖7所示。

圖6 對象探測報警時間與火源位置的關系曲線

圖7 三種探測系統報警時間與氣流速度的關系曲線

經擬合，三種系統報警時間與氣流速度均呈二次函數關系，存在臨界氣流速度使得探測器報警時間最短，其值約為0.95～1.05 m·s-1。當風速小于臨界氣流速度時，風速增加，報警時間減少，當風速大于臨界氣流速度時，風速增加，報警時間延長。這是由于當氣流速度小于臨界氣流速度時，加入的氧氣含量會使得燃燒加劇，擴大火災發展趨勢，氣流速度大于臨界氣流速度時，大量流入的低溫空氣以及廊道壁面的低溫使得火場溫度下降且加大火焰及煙氣的湍流程度，其會延長初期火災探測器的報警時間。同時，從圖7可知三種系統報警時間總體規律為：點型感煙探測系統<纜式線型感溫探測系統<點型感溫探測系統。相比纜式線型感溫系統，在陰燃時點型感煙探測系統能夠更早監測火情，點型感溫探測系統報警時間僅稍晚于纜式線型感溫系統，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 結論

4.1 T型管廊交叉點處溫度及煙氣濃度為臨界值，在交叉點分散后產生突變，煙氣直線分流比轉角分流流量更大、流動更快；交叉點處下方向探測器報警時間比左方向耗時更多，探測器距離火源位置越遠，報警時間越長；應針對交叉點處這一薄弱位置加強防范，合理縮小空間探測的布置間距，加大探測器布置數量。

4.2 在空間探測中，火源位置對報警時間有一定的影響，火源位于交叉點處報警時間最長，位于右橫中點和下豎中點的報警時間相差不大；在對象探測中，探測器報警時間幾乎不受火源位置影響，且變化規律一致。

4.3 三種系統報警時間與氣流速度均呈二次函數關系，探測器報警時間最短的臨界氣流速度約為0.95～1.05 m·s-1。

4.4 在空間探測與對象探測系統中，報警時間總體規律為：點型感煙探測系統<纜式線型感溫探測系統<點型感溫探測系統。由此可知，不同探測系統的報警時間長短不同，點型感煙探測系統報警時間最短，其作為空間探測的一種，是對象探測的良好補充，彌補了對象探測的不足，降低報警延遲率，可為電纜廊道提供更安全可靠的保障。