細水霧粒徑改變對電纜火災的影響

張華杰, 梁天水

(鄭州大學力學與安全工程學院， 鄭州 450001)

隨著科技的發展，電力設備在人們日常的生活中無處不在。城市地下綜合管廊里密布的電纜為城市的正常運行發揮著重要作用。但此類建筑橫斷面窄，縱向長度大，安全出口少，通風條件差，一旦著火火勢發展迅速，滅火救援難度大，且火災高溫環境會造成艙室結構損傷，導致城市癱瘓的嚴重后果。

細水霧作為自動滅火選型的一種，能夠撲救電氣火災，可以明顯降低受限空間內的煙氣濃度，在電力設施滅火系統中有著廣泛的應用。部分學者對狹長空間內細水霧作用下火災煙氣特性以及熄滅電纜火性能方面展開了研究。孫瑞雪等[1]利用FDS(fire dynamic simulation)軟件開展了綜合管廊滅火模擬，得到在一定條件下水霧滅火的最優方式。李濤等[2]研究了基于高壓細水霧作用下城市地下綜合管廊的火災蔓延規律，結果表明可燃物在單側燃燒的情況下發生轟燃，隨著高壓細水霧的開啟，轟燃次數減少。吳丹等[3]采用FDS技術分析了不同噴頭間距不同火源位置等不同條件下，細水霧滅火的有效性，結果表明在不同條件下細水霧滅火都有著優異的滅火效果，但噴頭間距不宜超過3 m。李亞培[4]采用數值模擬軟件，研究了細水霧作用下狹長通道內火災行為，發現施加細水霧可在一定程度上阻擋火災煙氣蔓延，降低頂棚溫度，抑制了有毒有害氣體擴散。

電線電纜成分多樣，燃燒產物復雜，難以實現精確模擬，數值模擬作為研究火災問題的重要手段，對不同工況下火勢蔓延有直觀的體現，可以為優化消防設計和防火保護措施提高參考依據。現針對綜合管廊電纜火災，通過數值模擬，研究不同粒徑細水霧的降溫、滅火效果以及對煙氣流動的影響，以期為細水霧系統設計提供參考。

1 數值模擬

1.1 軟件介紹

模擬軟件采用美國國家標準研究院和建筑火災研究實驗室合作開發的火災模擬軟件FDS。該軟件運用場模擬的方法在進行模擬火焰燃燒、煙氣流動等方面具有較好的適用性。FDS模擬不同火災場景偏差較小，模擬結果可通過自帶的Smokeviwe以3D動畫的方式直觀展示，基于數值模擬與全尺度實驗結果和理論方程的比較，所提出的FDS模型可用于預測綜合管廊電力電纜艙火災場景，因此，不再對FDS細水霧模擬有效性進行檢驗。

1.2 模型的建立

模型尺寸參考文獻[5]T型地下綜合管廊模型建立，如圖1所示。管廊橫截面寬度為2 m，高度為2.5 m，長度為6 m。為防止隧道內部受火災破壞，模型域的表面以及隧道頂端均為惰性材料，內部左右兩側敷設有六層電纜，每層電纜尺寸寬0.2 m, 厚0.1 m, 層與層電纜間隔0.1 m，最低一層電纜距地面0.3 m，最高一層距頂端1.1 m，距墻一側緊靠混凝土壁面，電纜由惰性材料支撐，可默認支撐結構不會對燃燒造成影響即不會影響流場運動。隧道兩端頂部設置開口，以保證維持燃燒需要的條件。在FDS模擬中，網格大小決定了模擬結果的準確性，網格越密精度越高，但相應消耗的計算機資源越多，計算時間越長。一般網格的尺寸由火源特征直徑決定。在考慮計算機性能以及保證模擬精度的前提下選用網格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

圖1 管廊模型示意圖Fig.1 Schematic model of pipe gallery

火源設置為線性火源，設置在一側電纜的正下方，火源功率為900 kW, 電纜點火溫度330 ℃，熱釋放速率按照t2(t為時間)快速火模式增長，電纜外護套為聚氯乙烯(PVC)，選取聚氯乙烯作為典型電纜材料進行模擬，設置火災類型為快速火。因為隧道空氣流動性差，所以隧道內不設置通風口，僅在隧道兩端設置開口，內部依靠火焰熱浮力驅動空氣流動，以起到更為真實的模擬效果。在管廊頂棚中心處自上而下等間距0.25 m設置熱電偶樹THCP1～TCHP5。煙氣高度測量設置在管廊中央及兩端出口處。電纜材料參考文獻[6]管廊模擬按照銅∶PVC=4∶6進行設置，具體參數如表1所示。

表1 電纜材料參數

2 模擬結果分析

細水霧粒徑的大小直接影響了細水霧的初始動能以及霧滴在空間內的彌散性，若水霧粒徑較大，霧滴容易沉降，而粒徑較小的水霧，空間彌散性好，在空氣中停留時間長，易于蒸發，對煙氣洗滌效果好，蒸發后形成的氣體屏障能夠隔絕氧氣，通過窒息滅火，且當粒徑小于100 μm時，可用于撲救帶電火災。霧滴粒徑是細水霧的一項重要性能指標，不同粒徑大小細水霧滅火效率不同，因此，對不同粒徑作用下電纜火災行為進行研究是必要的。根據細水霧的定義，共設置6種粒徑的細水霧進行模擬，各工況如表2所示。保持其他條件一致，在多次模擬的基礎上為使電纜能夠達到穩定燃燒狀態，采用火源引燃80 s后撤去火源，讓電纜自由蔓延50 s后開啟噴頭。當前針對高壓細水霧系統，一般設計最不利點噴頭壓力10 MPa，特性系數計算公式為

(1)

式(1)中：Q為流量；P為壓力；K為特性系數。

綜合管廊通常采用K=0.7或者K=1.0作為流量系數，這里取K=1.0，故取噴頭流量10 L/min。粒子出口速度參考文獻[4]，工況設置為30 m/s。對于電纜隧道等狹長通道，可以采用線性方式布置噴頭，一般將噴頭布置在隧道過道上方[7]，為保證細水霧能夠完全充滿所防護的空間，所以在模擬時將噴頭采用下噴的形式設置在隧道過道中央。選取火災溫度場，煙氣、以及熱釋放速率作為特征參數，來研究粒徑的不同滅火效果的差異。

表2 模擬工況

2.1 水霧粒徑對火災溫度場的影響

點火后，火場溫度迅速上升，在達到電纜燃燒溫度后，首層電纜在火源外焰的引燃下最先發生燃燒， 80 s撤去外加火源時測點1的溫度高達430 ℃，火源撤去后溫度迅速下降，電纜開始自由燃燒，50 s后噴頭開啟。噴頭開啟20 s后管廊著火側電纜溫度切片如圖2所示。

圖2 不同粒徑噴頭啟動后20 s管廊溫度分布Fig.2 Temperature distribution of pipe gallery 20 s after the start of nozzles with different particle sizes

通過對不同粒徑細水霧在滅火過程中的表現，不難發現，不同粒徑水霧均對火場溫度有明顯的降低作用，但粒徑不同，降溫效果不同。在短時間內(20 s)粒徑200 μm條件下的降溫效果最佳，整個燃燒區域的溫度最低，電纜上層以及中間層的火焰被迅速控制，最高溫度出現在了底層電纜處，達到240 ℃，而50 μm細水霧粒徑由于滯空時間長在火源處的水霧濃度大對底層電纜火抑制效果最好，底層電纜處整體溫度低于200 μm粒徑細水霧，其次是100 μm粒徑細水霧。不同粒徑條件下細水霧控制典型電纜材料火災能力依次為：200 μm>100 μm>50 μm>300 μm>400 μm>500 μm。

圖4 150 s時不同粒徑水霧下火場煙粒子示蹤圖Fig.4 Tracing diagram of smoke particles in fire scene under water mist with different particle sizes at 150 s

圖3為不同粒徑水霧在噴頭開啟35 s內溫度曲線。首層電纜在水霧的作用下溫度迅速下降，其中粒徑為200 μm的細水霧降溫效果最好。降溫效果依次為：200 μm>300 μm>50 μm>100 μm>400 μm>500 μm，可以看出，對首層無遮擋電纜火的降溫效果并非水霧粒徑越小越好，粒徑越小，初始動量越小，難以直接到達燃燒區參與反應，此時，降溫速率隨著粒徑的增大而增加(圖3)，但隨著粒徑的不斷增大，細水霧的比表面積不斷變小，吸熱汽化的速率也在不斷下降，氣相冷卻、隔氧窒息能力減弱，當粒徑超過200 μm時，降溫效率隨著粒徑的增加而減小，水霧主要依賴潤濕可燃物，降低燃燒速率來抑制火勢發展，此時滅火主導機理為表面冷卻，由于上層電纜的存在，顆粒較大的霧滴只能從首層逐層浸濕來達到滅火的目的，滅火效率較低，這在FDS中的水滅火機理中也有所體現，與端木維可[8]的研究結果一致，也在溫度云圖(圖2)中得到了驗證。在圖3中還觀察到，在不同粒徑條件下滅火過程中，溫度均出現了不同程度的上升，粒徑200 μm細水霧上升效果最不明顯，在也能在一定程度上驗證200 μm粒徑細水霧滅火效果好的事實。溫度上升可能因為盡管首層電纜在水霧作用下溫度下降，但火勢并未被完全控制，下層電纜在桁架的遮蔽下得以繼續燃燒，尤其是電纜底層溫度居高不下，短時間內造成了測點溫度出現了不同程度的上升。

圖3 130～165 s測點1溫度Fig.3 Temperature of point 1 measured at 130～165 s

2.2 水霧粒徑對火災煙氣的影響

人員在火場中是否安全與火場中有毒有害氣體以及煙氣的能見度與有關，煙密度是用來表征燃燒后一定空間內懸浮顆粒物的產量，用來顯示燃燒產物對人員傷害程度的參數[9]。細水霧對煙氣具有洗滌作用，從而對煙密度產生影響，燃燒的灰燼、碳粒和有害氣體能與細水霧結合而得到洗消沉降。對于受限空間，一旦發生火災產生大量煙氣的地下綜合管廊，此項性能尤為重要, Smokeview中的拉格朗日粒子可顯示煙氣的運動軌跡以及擴散情況，在此，運用拉格朗日示蹤粒子來分析水霧粒徑對火場煙氣的影響。圖4為不同粒徑細水霧噴頭開啟20 s后管廊中煙霧的分布，可以看出，粒徑越小，煙霧的沉降越多，細水霧對火場的煙氣稀釋效果越好。這是因為水霧粒徑越小，比表面積越大，換言之，水霧與煙霧的接觸面積就越大，更有利于洗消煙氣，降低火場煙霧濃度。

除有毒有害氣體外火場中煙氣層高度較低同樣可導致人員傷亡，火災發生后，煙氣沿著管廊頂棚蔓延，在擴散的過程中，煙氣層高度下降，當下降至人員口鼻處，氧氣濃度隨之降低，人員因此可能會窒息。圖5顯示了不同粒徑作用下，管廊1.8 m高度處能見度分布。可以看出，管廊在細水霧的作用下煙氣發生了沉降，能見度隨之降低。噴頭開啟后，原有的煙氣流動相應會發生改變，頂棚煙氣在細水霧作用下發生沉降，煙氣向上流動被抑制，加劇了氣體局部環流，煙氣有向下拉伸趨勢，且水霧粒徑越小，煙氣的沉降范圍和距離就越大。但隨著時間的發展，煙氣會逐漸充滿整個管廊，這也與前文示蹤粒子顯示結果相一致。

圖5 不同工況下噴頭開啟20 s噴頭下方1.8 m 高處能見度云圖Fig.5 Visibility nephogram at 1.8 m below the nozzle after the nozzle is opened for 20 s under different working conditions

2.3 不同粒徑的滅火時間的影響

火災發展一般可分為火災初期，火災發展階段、火災鼎盛期以及火災衰減期，對于火災撲救來說，初期火災最容易被控制，較為理想的狀態是當能在火災初期迅速將火撲滅，一旦初期不能及時將火控制，極有可能造成火勢的擴大進而出現轟燃的現象，滅火時間是衡量滅火設施可靠性的關鍵因素。不同粒徑條件下滅火時間如表3所示。火災熄滅的判據為噴出細水霧后300 s內，測點溫度的平均值不大于100 ℃[10]。在50 μm條件下，細水霧滅火所用時間最短，粒徑越大，滅火時間越長。不同粒徑條件下火災最大熱釋放速率也在表3中給出，與石磊等[11]的研究結果一致。

表3 在不同粒徑條件下滅火參數

3 結論

通過模擬得出如下結論。

(1)細水霧能顯著降低地下綜合管廊電力電纜艙火場溫度，不同粒徑細水霧滅火效果不同，其中粒徑為200 μm細水霧對整個火場降溫效果最好。

(2)由于障礙物的存在，在撲滅隱蔽的電纜火災時，細水霧需要好的彌散性，模擬發現水霧粒徑越小滅火時間越短。

(3)細水霧能引起煙氣沉降，水霧粒徑越小，煙氣沉降越明顯。