綜合管廊電纜火災細水霧滅火效果數值模擬

黃 萍，鄧 茜，余龍星

(福州大學環境與安全工程學院，福建 福州 350108)

近年來，隨著中國經濟的快速增長，土地開發率逐漸上升，城市可供使用的地面空間越來越少，所以地下空間得到了越來越廣泛的開發與利用。城市綜合管廊就是一種集各類管線于一體的地下隧道式構造物。城市綜合管廊不僅可節省空間，而且還有利于管線的管理和維修，所以在各個國家得到了大力發展。由于城市綜合管廊狹長的結構和封閉的環境特點，一旦發生火災，將會造成非常嚴重的后果。為了解決可能發生的火災隱患問題，許多學者對城市綜合管廊的火災特性開展了研究。如黃萍等將AHP和證據理論兩種方法相結合，對綜合管廊火災危險性進行了評估；趙永昌等利用等比例小尺寸綜合管廊模型,研究了不同大小火源功率對火災初期溫度特征的影響；劉浩男等利用小尺寸模型和數值模擬方法對有風情況下綜合管廊煙氣運動規律進行了研究，結果發現綜合管廊的煙氣蔓延為一維蔓延過程，且隨著蔓延距離的增加，其蔓延速度會下降；王明年等采用FDS軟件建立了全尺寸城市綜合管廊火災模型，分析研究了城市綜合管廊火災的發展和蔓延過程及其變化規律。此外，還有許多學者從滅火設備著手研究了滅火系統的參數設置對于綜合管廊滅火效果的影響。如白靜結合綜合管廊的火災特性對多種消防滅火方式進行了比較，認為高壓細水霧滅火系統更適合撲滅綜合管廊火災；相坤等采用火災實體試驗的方法，研究了高壓細水霧滅火系統在綜合管廊滅火過程中的溫度變化，并考察環境風速、噴頭安裝角度對滅火效果的影響。

盡管目前已有許多關于城市綜合管廊的研究，但從最初的綜合管廊消防設計角度著手研究火災特性和滅火情況的研究卻很少。因此，本文在前人研究的基礎上，采用火災動力學模擬軟件FDS，從綜合管廊消防設計的角度出發，將噴頭間距、電纜橫向間距和電纜橋架間距作為變量，模擬了不同組合工況下細水霧噴頭間距、電纜橫向間距和電纜橋架間距對綜合管廊電纜火災細水霧滅火效果的影響。

1 數值模擬

1.1 物理模型建立

本文參考我國某城市的綜合管廊設計圖進行建模。由于本文研究的重點在于電纜燃燒初期火災的撲救，其火災的影響范圍較小，因此為了節約計算資源，將綜合管廊模型長度選為4 m進行建模，計算模型的截面尺寸為3.0 m×3.1 m，見圖1。有研究表明，選用0.05 m尺寸的單元網格大小可以滿足計算精度，故本研究計算模型共劃分為210 800個網格。電纜橋架一般為不可燃燒的金屬材質，金屬橋架本身對火災發展的影響較小，因此本模型忽略電纜金屬橋架的設置，僅以電纜間隔作為橋架間距。由于電纜火災中可燃物主要為PVC護套，所以本研究將電纜簡化為PVC護套。PVC護套的熱物性參數和反應路徑參數分別見表1和表2。值得注意的是，為滿足網格對齊特性，建模過程中將110 kV電纜和220 kV電纜設為統一規格大小，但根據兩種電纜不同的實際可燃物體積，分別設置了厚度為2.60 mm和4.18 mm的可燃物表面。

圖1 綜合管廊電纜火災模型設計圖Fig.1 Design drawing of the cable fire model in utility tunnels注：圖中A、B、C、D含義及取值見表3

表1 綜合管廊電纜火災模型中PVC護套的熱物性參數設置Table 1 Thermophysical parameter setting of cable fire model materials in utility tunnels

表2 綜合管廊電纜火災模型中PVC護套的反應路徑參數設置Table 2 Parameter settings of reaction path of cable fire model in utility tunnels

此次模擬采用高壓細水霧滅火系統對綜合管廊電纜火災進行滅火，細水霧滅火器噴頭參數選擇FDS自帶的商用噴頭，噴頭響應溫度為57℃，當一個噴頭響應時，其他噴頭一起動作。常見的電纜起火原因為線路短路，故本文采用heater熱源加熱電纜來模擬電纜短路起火，起火電纜位于底層靠近墻體的第一根電纜，位置位于中心1 m的范圍內(見圖1)；火源設置于相鄰兩噴頭的中間，從而形成了火源上下游對稱布置的物理場景，便于下文的結果分析，前人研究也通常采用這種設置方法。

1.2 電纜火災工況設計

為了考察噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和橋架間距對綜合管廊電纜火災細水霧滅火效果的影響，共設置了9種組合工況，對應的噴頭啟動時間、滅火時間和著火電纜長度也一并統計匯總于表3。為更便于同變量不同工況對照組之間參數的比對，表中將“0”工況進行了重復排列。此外，需要注意的是，火源設置于相鄰兩噴頭的中間，因此噴頭間距的二分之一即為火源距其最近噴頭的距離，為了便于應用本文結論，特采用噴頭間距作為研究變量，使其與消防設計規范中的術語一致。

表3 綜合管廊電纜火災工況設計表Table 3 Design table of simulation cases of cable fire in utility tunnels

2 結果與分析

2.1 噴頭的啟動時間分析

2.1.1 不同噴頭間距布置下噴頭的啟動時間分析

不同噴頭間距布置下(不同火源距其最近噴頭距離)噴頭的啟動時間，見圖2。

圖2 不同噴頭間距布置下噴頭的啟動時間Fig.2 Activation time of a sprinkler under different sprinkler spacing arrangement

由圖2可見，在研究的范圍內，隨著噴頭間距的增大，噴頭的啟動時間有減小的趨勢。

為了研究此規律產生的原因，在與噴頭同等高度處每隔0.2 m設置1個熱電偶監測點共設置9個監測點(THCP01～THCP09)，用于監測煙氣流動過程中溫度的變化。噴頭啟動前不同監測點的溫度變化曲線，見圖3。

圖3 噴頭啟動前不同監測點的溫度變化曲線Fig.3 Temperature changes at different measuring points before a sprinkler starts

由圖3可見，存在一個臨界時間點使得溫度變化趨勢發生改變：在到達臨界時間點前，與火源距離越近的監測點溫度越高；到達臨界時間點后，與火源距離越遠的監測點溫度越高。這與隧道火災中觀測到的水躍現象類似，因此其溫度變化規律也可以解釋為：到達臨界時間點前，煙氣正常流動，煙氣與壁面的熱對流和對空氣的熱輻射將產生熱損失，隨著運動距離的增加，熱損失增加，所以距離火源越遠的監測點溫度越低；到達臨界時間點后，由于水躍現象的產生，導致煙氣在較遠的監測點處聚集(見圖4)。

圖4 煙氣水躍現象覆蓋噴頭情況示意圖Fig.4 Schematic diagram of flue gas density jump covering a sprinkler

由于噴頭需要一定時間升溫至啟動溫度，煙氣正常流動階段的溫度不足以觸發噴頭的感溫組件，因此水躍現象產生階段的溫度大小對于噴頭啟動的作用更加明顯。而噴頭間距較大時，噴頭處于煙氣卷吸區域，因此溫度更高，所以噴頭啟動時間越短。

2.1.2 不同110 kV電纜橫向間距布置下噴頭的啟動時間分析

不同110 kV電纜橫向間距布置下噴頭的啟動時間，見圖5。

由圖5可見，隨著110 kV電纜橫向間距的增加，噴頭的啟動時間總體上呈上升趨勢。結合不同110 kV電纜橫向間距下的溫度切片圖(見圖6)可以發現，當110 kV電纜橫向間距從0.25 m增加至0.35 m時，由于220 kV電纜橫向間距是定值,110 kV電纜橫向間距的增加會導致下層電纜燃燒的氣體被分流，使部分煙氣朝向走廊中心，導致煙氣更快地到達噴頭，噴頭的啟動時間輕微下降；但當110 kV電纜橫向間距達到0.45 mm時，這種分流現象消失，由于110 kV電纜與火源的距離增大，火災的橫向蔓延速度變慢，噴頭的啟動時間再次增大。由于煙氣導流現象導致的噴頭啟動時間下降這一現象并不明顯，因此這里只考慮電纜橫向間距增加引起噴頭啟動時間增大的規律。

圖5 不同110 kV電纜橫向間距布置下噴頭的啟動時間Fig.5 Activation time of a sprinkler under different hori- zontal spacing of 110 kV cable arrangement

圖6 不同110 kV電纜橫向間距布置下的溫度切片圖(A=1.75 m，C=0.45 m，D=0.3 m)Fig.6 Temperature slice diagram at different horizonital spacing of 110 kV cable(A=1.75 m，C=0.45 m，D=0.3 m)

不同110 kV電纜橫向間距布置下電纜燃燒的熱釋放速率變化曲線，見圖7。

圖7 不同110 kV電纜橫向間距布置下電纜燃燒的熱釋放速率變化曲線(A=1.75 m，C=0.45 m，D=0.3 m)Fig.7 Heat release rates of cable fire for different harizontal spacing of 110 kV cable(A=1.75 m， C=0.45 m，D=0.3 m)

由圖7可見，隨著110 kV電纜橫向間距的增加，電纜燃燒的熱釋放速率逐漸減小。這一規律表明，110 kV電纜橫向間距的增加會阻礙火災的發展，使噴頭的啟動時間變長。

2.1.3 不同220 kV電纜橫向間距布置下噴頭的啟動時間分析

不同220 kV電纜橫向間距布置下噴頭的啟動時間，見圖8。

圖8 不同220 kV電纜橫向間距布置下噴頭的啟動時間Fig.8 Activation time of a sprinkler under different horizontal spacing of 220 kV cable

由圖8可見,在其他參數一定的情況下，噴頭的啟動時間隨著220 kV電纜橫向間距的增加而增大。

不同220 kV電纜橫向間距布置下電纜燃燒的熱釋放速率變化曲線，見圖9。

圖9 不同220 kV電纜橫向間距布置下電纜燃燒的熱釋放速率變化曲線(A=1.75 m，B=0.35 m，D=0.3 m)Fig.9 Heat release rates of cable fire for different horizontal spacing of 220 kV cable (A=1.75 m，B=0.35 m，D=0.3 m)

由圖9可見,隨著220 kV電纜橫向間距的增加，電纜燃燒的熱釋放速率逐漸減小。分析其原因是：當220 kV電纜的橫向間距增加時，所受輻射熱量減小，火災的橫向蔓延速率減小，導致火災發展時間變長，煙氣升溫速率變低,故噴頭的啟動時間變長。

2.1.4 不同電纜橋架間距布置下噴頭的啟動時間分析

不同電纜橋架間距布置下噴頭的啟動時間，見圖10。

圖10 不同電纜橋架間距布置下噴頭的啟動時間Fig.10 Activation time of a sprinkler under different cable bridge spacing

由圖10可見，噴頭的啟動時間隨著電纜橋架間距的增加而增大。

不同電纜橋架間距布置下電纜燃燒的熱釋放速率變化曲線，見圖11。

由圖11可見，當電纜橋架間距為0.4 m時，電纜燃燒的熱釋放速率大于電纜橋架間距為0.3 m時電纜燃燒的熱釋放速率，因此噴頭的啟動時間減小。然而，不同于110 kV及220 kV電纜橫向間距對噴頭啟動時間的影響機制,電纜橋架間距增加影響的是火災的垂直發展，使其蔓延速度減小、火勢減小，并影響煙氣升溫速率，從而導致噴頭的啟動時間增加。

圖11 不同電纜橋架間距布置下電纜燃燒的熱釋放速率變化曲線(A=1.75 m，B=0.35 m，C=0.45 m)Fig.11 Heat release rates of cable fire for different cable bridge spacing(A=1.75 m，B=0.35 m， C=0.45 m)

2.2 滅火時間分析

滅火時間是指噴頭啟動后至火焰熄滅的時間。不同噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距對滅火時間的影響，見圖12。

圖12 不同噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距對滅火時間的影響Fig.12 Fire extinguishing time under different spacing arrangement

由圖12可見，隨著噴頭間距的增加，滅火時間呈現出減小的趨勢；而隨著110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距的增加，滅火時間總體上呈現出增大的趨勢。這與第2.1節中噴頭的啟動時間分析結果相對應，說明噴頭的啟動時間越長的布置方案也會導致滅火時間增加。由于所有工況的滅火時間差異較小，故對其影響原因不再贅述。

2.3 著火電纜長度分析

不同噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距對著火電纜長度的影響，見圖13。

圖13 不同噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距對著火電纜長度的影響Fig.13 Burned length of cables in different spacing arrangement

由圖13可見，隨著噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距的增加，著火電纜長度幾乎都呈現出減小的趨勢。對于不同噴頭間距的對照組工況，由于電纜間距設置相同，所以著火電纜長度差異的來源不是電纜燃燒速度，而是燃燒時間的差異。如第2.1節所述，噴頭間距越大時，由于水躍現象的出現，噴頭的啟動時間越短，相應地電纜燃燒時間就越短，著火電纜長度也就越短。

通過分析圖7、圖9和圖11可知，110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距越大，電纜燃燒的熱釋放速率越小，火勢的發展受阻，故著火電纜長度減小。但值得注意的是，110 kV電纜橫向間距和220 kV電纜橫向間距的變化對于著火電纜長度的影響甚微，而隨著電纜橋架間距的變化，不同工況的著火電纜長度變化卻非常明顯。為了探究其原因，分別在離火源相同距離的兩根電纜的垂直方向和橫向方向上布置了熱電偶，檢測不同方向上電纜表面的升溫速率，其檢測結果見圖14。

圖14 不同方向上電纜表面溫度的變化曲線Fig.14 Diagram of cable surface temperature changes in different directions

由圖14可見，在相同的電纜橫向間距下，垂直方向上電纜表面的升溫速率更快，即火災在垂直方向蔓延速度更快，因此當電纜橋架間距不同時，著火電纜長度相差較大。

3 結 論

本文采用火災動力學模擬軟件(FDS)研究了細水霧噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距對綜合管廊電纜火災細水霧滅火效果的影響，得到主要結論歸納如下：

(1) 噴頭的啟動時間隨著噴頭間距的增加而減小，隨著110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距的增加而增大。

(2) 噴頭啟動時間越長的布置方案，其所需的滅火時間也會相應地增加。

(3) 著火電纜長度隨著噴頭間距、110 kV電纜橫向間距、220 kV電纜橫向間距和電纜橋架間距的增加而減小。