電纜豎井細水霧滅火系統數值模擬研究

葉 虹，趙晨曦，駱育真，許 崢

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

0 引言

電纜豎井是建筑物用于垂直敷設供電電纜或通信電纜的通道,強電和弱電一般分開敷設,電纜密集且數量大,一旦發生電纜起火,將很快波及相鄰電纜,造成電纜成束延燃,并形成縱向燃燒,同時在煙囪效應的作用下,火勢將快速蔓延。在電纜燃燒過程中還會形成帶火流膠滴向下層電纜, 導致著火點跳躍式蔓延。

電纜主要由導體、絕緣層和護套等構成,其中對電纜燃燒特性有直接影響的是護套和絕緣層材料,其在燃燒過程中會釋放大量有害氣體和濃煙,給滅火撲救和人員疏散造成極大困難。細水霧滅火作為鹵代烷滅火劑(哈龍)的主要替代技術之一,因其具有滅火效率高、安全可靠、環保等優點,在火災防治中廣泛應用。然而,當前的細水霧滅火系統的設計無法依賴一般性原則或統一的標準,因此建立科學合理的細水霧滅火系統設計與評價方法成為拓展細水霧系統應用領域的關鍵所在。基于此,利用火災動力學軟件(fire dynamics simulator,FDS)進行電纜豎井高壓細水霧滅火系統數值模擬,探究系統在電纜豎井中的各設計參數之間的關系,確定邊界條件,推薦限定條件下的系統設計參數范圍,同時也為實驗研究提供參考。

1 電纜豎井工程概況

圖1是典型的電纜豎井平面示意。整個電纜井主要結構特點是電纜井與樓梯間分別位于前室兩側,高壓電纜井和低壓電纜井之間采用磚墻分隔,互不連通,每層均設有高壓電纜井和低壓電纜井的檢修門,檢修門為常閉狀態。

圖1 電纜豎井平面示意

一般而言,150 m高壓電纜井有23層,250 m高壓電纜井有39層,其底層和頂層分別通過進線下平硐和出線上平硐與外部連接,層高約6.4 m。為模擬電纜豎井漏風情況,設置條件為檢修門關閉,每層存在一條1 m×0.01 m的縫隙。豎井平面尺寸為5.8 m×2.8 m,共16.24 m2,每層地板上開設4個電纜通道,尺寸均為1.5 m×0.8 m。每個電纜通道內豎直鋪設3根高壓電纜。

低壓電纜井樓層及層高與高壓電纜井完全相同,每層的平面尺寸為2.8 m×1.4 m,整個低壓電纜井上下貫通,各層之間用鋼格柵分隔,鋼格柵尺寸為2.8 m×0.8 m。低壓電纜井電纜橋架數量設置為五排,相鄰電纜橋架間距為0.2 m。

2 仿真模型建立與模擬工況確定

2.1 模型空間結構建立

在FDS模型設計軟件PyroSim中按1∶1的比例實施電纜豎井的建模,模型平面如圖2所示。材料方面相關設定為高低壓電纜井采用磚墻隔離,其他墻壁、地板及樓梯為混凝土材料,高壓電纜井井內的護欄以及低壓電纜井內的鋼格柵為鋼材。此外,引入了一個高溫熱源作為引火源,并在引燃電纜后撤銷。起火場景設定為電纜豎井中一排高壓電纜或低壓電纜過熱造成井內一處起火。

圖2 電纜豎井模型平面

由于高壓電纜井和低壓電纜井之間是互相分隔的,且混凝土和磚墻均為不燃材料,因此認定兩者為獨立的滅火單元,在此基礎上分別對高壓電纜井和低壓電纜井進行高壓細水霧滅火系統滅火模擬。

2.2 電纜參數設定

實驗選用的電纜為鋁芯交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套阻燃電纜(YJLV22）,電纜導體為鋁絲,護套為聚氯乙烯(PVC)；低壓電纜額定電壓為0.6/1.0 kV,截面外徑為16 mm,單位長度質量為0.700 kg/m；高壓電纜額定電壓為10 kV,電纜外徑40 mm,單位長度質量為5.572 kg/m。

該電纜具有多層護套,三股導體外包有內層護套,然后外層護套再將其與填充物一起包裹形成完整的電纜。電纜材料設置為質量分數0.615的PVC和0.385的鋁組成,燃燒發熱為16 MJ/kg。

2.3 網格尺寸設定

在FDS模擬計算中,設置的網格越密集,模擬結果的分辨率越高,計算精度也越好,但網格設置過于密集則會增加計算壓力,過低則無法準確表現火災場景或產生較大誤差。FDS的指導手冊提供了如下用于確定網格尺寸的公式。

式中：D*為火源特征直徑,m；Q為火源熱釋放速率,kW；ρ∞為環境空氣密度,kg/m；cp為環境空氣比熱容,kJ/(kg·K)；T∞為環境空氣溫度,K；g為重力加速度,m/s。

相關研究表明,在網格單元尺寸選擇為火源特征尺寸的0.1倍時,其模擬結果較為準確,結合電纜豎井的結構參數,選用長方形網格用于模擬計算。網格主要由電纜豎井、底層的下平硐電纜道以及頂層的出線上平硐三部分組成；模型采用多套網格,電纜豎井中部為0.1 m×0.1 m×0.5 m的長方體網格,底層的起火區域、下平硐電纜道、頂層區域以及出線上平硐均采用0.1 m×0.2 m×0.2 m的長方體網格。

2.4 滅火系統設計

高壓電纜井選用流量系數K分別為1.0、1.5的噴頭,低壓電纜井選用流量系數K分別為1.7、2.5的噴頭；并設置水霧粒徑中位數為200 μm,最大值為300 μm,最小值為0.1 μm。

細水霧噴頭平面布置如圖3所示。對于高壓電纜井,每層隔板之間豎向配置2層噴頭,每層4個噴頭,縱向間距3.2 m,每層隔板之間共8個噴頭；對于低壓電纜井,每層隔板之間豎向配置2層噴頭,每層1只噴頭,縱向間距3.2 m,每層隔板之間2個噴頭。

圖3 細水霧噴頭平面布置

根據豎井火災燃燒的特點,設定滅火系統啟動時,起火層和其上一層的噴頭同時動作,由于電纜為豎直鋪設,噴頭噴霧方向采用側噴方式,使細水霧最大程度發揮滅火效果。

2.5 工況設計

高低壓電纜井細水霧滅火模擬工況詳見表1。為研究高低壓電纜井在不同噴霧強度下細水霧的滅火效果,高壓電纜井噴霧強度分別設置為1.45 L/(min·m2)、2.18 L/(min·m2),對應噴頭流量系數約為1.0、1.5；低壓電纜井噴霧強度分別設置為0.98 L/(min·m2)、1.44 L/(min·m2),對應噴頭流量系數約為1.7、2.5。

表1 高低壓電纜井細水霧滅火模擬工況 單位：L/(min·m2)

3 模擬結果分析

熱釋放速率(heat release rate,HRR)是火災研究中非常重要的參數,表征火災向外釋放熱量的能力,當其熱釋放速率為0時,則燃燒終止。通過對比分析各工況下熱釋放速率隨時間變化的曲線,可篩選出有效撲滅火災的細水霧設計方案。

3.1 高壓電纜井模擬結果分析

1) 圖4為頂部底部開門,火源位于底層下,K分別取1.0、1.5以及無細水霧情況下的熱釋放速率對比。可以看出,在前30 s (火災發展階段),三種情況下的熱釋放速率變化曲線基本一致；30 s后,細水霧系統啟用,熱釋放速率變化曲線開始產生差異,其中K取1.5對應的曲線下降速率最快,并在約60 s時下降至0；K為1.0的熱釋放速率曲線在40～60 s上下存在較大波動,并于約80 s時下降至0。

圖4 頂部底部開門，火源位于底層時熱釋放速率對比

不同高度下溫度下降的情況與熱釋放速率下降情況類似(見圖5)。同時還可以看出,對比不同噴頭流量系數下的滅火效果,噴頭流量系數取1.5,其滅火所需時間具有優勢,但本著保證滅火效果的同時盡量節約建造成本的原則,可優先選用1.0作為高壓電纜井的噴頭流量系數。

圖5 不同高度下溫度變化

2) 圖6為頂部底部關門,火源位于底層下,熱釋放速率隨時間變化的情況。可看出,K=1和K=1.5時,無論是熱釋放速率大小還是滅火時間,兩者間的差距均不大。分析其主要原因為細水霧的滅火效率已達最大,即使系數繼續增大,也無法減小滅火時間。因此,該工況下,K取1.0即可達到較好的滅火效果。

圖6 頂部底部關門，火源位于底層時熱釋放速率變化

3) 由于真實火災發生時火源位置具有較大的不確定性,導致電纜豎井火災的發展有著很大的差異,因此,選擇在250 m高壓電纜井、火源高度為80/150/220 m分別開門和設置火源點+頂部開門的工況下,對細水霧滅火情況進行研究分析,結果如圖7、8、9所示。

圖7 火源高度為80 m時，火源附近溫度變化

圖8 火源高度位于150 m時熱釋放速率變化

圖9 火源高度為220 m時熱釋放速率變化

從圖7、8、9可以看出,不同火源高度下,熱釋放速率均在30 s時快速下降,K取1.0和K取1.5均能在細水霧開啟后有效抑制火災。

3.2 低壓電纜井模擬結果分析

圖10為低壓電纜井頂部底部開門,火源位于底層的工況下,K=1.7和K=2.5時,熱釋放速率變化情況。在前30 s (火災發展階段),三種工況的熱釋放速率變化曲線完全一致；30 s細水霧系統啟用后,曲線的變化趨勢開始產生差異,其中K為2.5的工況下,熱釋放速率下降最快；K為1.7的工況同樣具有較好的滅火效果,且在前50 s與K為2.5的工況滅火效果沒有明顯區別,且50 s后的差異也不大。

圖10 低壓井不同流量系數下熱釋放速率變化

無細水霧情況下,電纜火災也會熄滅,其原因為電纜外包裹的聚合物為阻燃PVC,當火源在30 s時撤出后,火焰雖然還在向上蔓延,但因材料自身的特性,火勢不斷變小直至熄滅。低壓電纜井由于上下貫通且沒有平臺阻隔,煙囪效應明顯,火勢發展迅速,在細水霧啟動時,燃燒即將達到峰值并進入衰退階段,故低壓電纜井在滅火系統設計時要盡量縮短系統的響應時間。

4 結論

基于上述仿真結果的研究分析,可以得出以下結論。

1) 針對高壓電纜井火災的各種工況,在K=1.0和K=1.5時,均能取得較為理想的滅火效果,熱釋放速率可快速下降至0。因此,本著保證滅火效果并盡量節約建造成本的原則,建議K優先選擇1.0,相應的噴霧強度設置為1.45 L/（min·m2）。

2) 在低壓電纜井開門工況下,K=1.7和K=2.5均可以達到相似的滅火效果,只是在火災后期有部分差異,因此,建議K優先選擇1.7,相應的噴霧強度設置為0.98 L/(min·m2）。與此同時,還需要關注滅火系統的響應時間,基于低壓電纜井的特性,在滅火系統設計時應盡可能縮短系統響應時間。