側噴式高壓細水霧滅火系統在綜合管廊內的消防效果研究

摘要：目前國內采用的綜合管廊自動滅火系統主要有水噴霧、高壓細水霧、超細干粉、氣溶膠等多種方式，其中高壓細水霧采用的頻率越來越高，但是針對高壓細水霧的噴頭安裝角度（直噴和側噴），國內沒有相關研究。本文針對直噴和側噴的不同安裝角度，進行區間段試驗。通過數據對比分析，認為側噴式高壓細水霧滅火系統在滅火效果、單側電纜支架的建設適用面、使用性能及造價費用等方面更具優勢。

關鍵詞：管廊消防；側噴式高壓細水霧；單側電纜支架

一、綜合管廊火災危險性及成因分析

地下綜合管廊由于具有封閉性、無人性等特點，一般發生火災時所產生的危害性較小。然而，由于這些特征，火災發生時，火勢沿管廊蔓延速度快，難以人為控制，搶險救援難度大，所帶來的危害及財產損失較為嚴重。

（一）管廊火災類型分析

綜合管廊各艙室管線的種類、數量、長度以及材質直接影響管廊的火災形勢。作為一種地下構筑物，管廊艙室一般包含天然氣、燃氣、電力以及通信等管線。根據《城市綜合管廊工程技術規范》（GB50838-2015）規定，含有上述管線的綜合管廊艙室火災危險性分類應符合表1規定，當艙室內含有兩類及以上管線時，艙室火災危險性類別應按火災危險性較大的管線確定[1]，見表1。在上述艙室中，電力艙室以及燃氣艙室最易引發火災危險。

（二）電力艙消防措施

據統計，電力火災占我國總火災的比例已經超過了30%，其中有一半以上的電力火災均是由電纜所引起。綜合管廊的電力艙一般由多種不同回路、不同等級的電力電纜組成，同時由于管廊內復雜惡劣的通風環境，單根電纜失效通常易造成整個電力艙燃燒，若不及時采取應急措施，火災的蔓延會迅速波及其他相鄰艙室，造成不可預估的后果。導致電纜起火的主要原因有電纜線短路、長時間超負荷運作、漏電以及電阻過大等因素。發生火災后，由于管廊空間密閉不透氣、燃燒副產物毒性大等多種原因，火勢的迅速蔓延會帶來巨大的財產損失。因此，實施相應的電力艙消防措施具有重要意義[2]。

目前有關電力艙的消防措施主要集中在電力艙溫度監控等方面的研究。規范規定，應對綜合管廊內的電力電纜設置火災監控系統。在電纜接頭處設置自動滅火裝置。應按照支架形式設計安裝電力電纜，并應符合現行國家標準《電力工程電纜設計標準》GB50217和《交流電氣裝置的接地設計規范》GB/T50065的有關規定。

（三）燃氣艙消防措施

管道燃氣是由多種化學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風險。造成燃氣火災的因素主要有氣體碰撞摩擦、爆炸、電氣設備開關以及管道泄漏和腐蝕等。燃氣火災的燃燒和爆炸通常瞬間發生，開采和輸送過程往往伴隨高溫、高壓或低溫、高壓，各個設備聯系緊密，加大了施救難度，導致火勢難以控制，易導致巨大的財產損失和人員傷亡[3]。

現如今對燃氣艙采取的消防措施主要是應用監控設備進行火災預警。規范指出天然氣調壓裝置不應設置在綜合管廊內，以避免發生燃氣艙火災。火災發生后，通常從斷源滅火、滅火劑滅火、堵漏滅火三個部分進行補救。在前期管道設計安裝時，應由專業人員嚴格按照規范執行。除此之外，還應按照國家規范在燃氣艙設置一定數量的逃生口，以保證人員安全。

二、管廊內滅火系統的選擇

（一）常用自動滅火系統的分類

在綜合管廊內，不同的滅火系統，可產生不同的效果，需要對應于管廊的不同區段的不同要求。因此，需要比較各種常用自動滅火系統的優缺點以及適用情況。目前，綜合管廊內常用的自動滅火系統有：氣體滅火系統（包括氣溶膠等）、水噴霧、高壓細水霧、超細干粉等。

1.氣溶膠滅火系統

這種滅火系統利用化學物質在燃燒時釋放大量可以滅火的介質，通過隔絕可燃物與氧氣以及燃燒融化過程中吸收大量熱量，從而達到滅火的目的?，F在市面上大多數使用的是S型氣溶膠。這種滅火系統設備結構簡單，易于安裝，占地面積小，可以帶電消防。然而，藥劑具有有效期，后期為維持系統有效運行，需要更換制劑，產生一定費用。

2.水噴霧滅火系統

水噴霧滅火系統是在自動噴水滅火系統的基礎上發展起來的。原理是水經過水霧噴頭后，被分解成無數細小水滴，形成水霧。水霧可以大面積降低溫度，在完全汽化過程中，可吸收大量熱量。這種方式安全環保，操作簡單，投資較小，更省經濟。然而，需要的水量較大，占地面積大，給水主管須占用管廊內部空間。

3.超細干粉滅火系統

這種滅火系統利用壓縮空氣，將超細干粉噴射至空氣中，迅速降低環境溫度，有效隔絕可燃物與氧氣，破壞燃燒條件，從而達到滅火目的。這種滅火方式滅火效率高，結構簡單，占用空間小，便于安裝。然而，干粉滅火劑具有有效期，需要定時更換，后期維護費用較高，對環境要求高，在潮濕的環境中易失效。

4.高壓細水霧滅火系統

經過特殊噴嘴，利用壓力產生細水霧，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，同時由于水霧是通過高壓產生，可以對燃燒物產生沖擊。這種方法以水滅火，安全環保，滅火效果很好，可以持續作用于火災，實時監控火場溫度。然而，需要設置泵房，占地面積較大。

（二）自動滅火系統技術經濟比較

目前綜合管廊中常用的自動滅火系統有超細干粉、氣溶膠、高壓細水霧，見表2。

由表2可知，高壓細水霧系統相比其他兩種自動滅火系統，有一定的優勢。主要體現在經濟性好、滅火效率高。在綜合管廊的設計中，高壓細水霧滅火系統和超細干粉滅火系統已形成主流趨勢。

（三）高壓細水霧系統適用范圍及工程實例

目前在我國已建造或正在建造的綜合管廊中，對滅火系統的選擇仍有較多不同。

早期建設的綜合管廊如上海安亭新鎮綜合管廊工程（2003年），管廊設置給水、電力、通信三種管線，全長5.8km，該管廊經當地消防部門審批后采用水噴霧滅火系統。后續建設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。水噴霧系統可以實時監控并有效降低火災現場溫度，但需要在管廊內部預留消防主干管和消防支管管位，導致斷面尺寸增大，造價較高[4]。

氣溶膠和超細干粉因設置方便、滅火系統設備簡單、可帶電消防等特點，逐漸取代水噴霧滅火系統成為管廊滅火系統首選技術。鄭州機場綜合管廊（2015年）、廈門集美新城綜合管廊工程（2015年）、武漢市中央商務區綜合管廊（2016年）均采用氣溶膠滅火系統和超細干粉滅火系統。氣溶膠和超細干粉空間需求小，系統維護簡單，但容易出現誤噴，啟動可靠性不穩定，人體吸入超細干粉后可能引發呼吸道中毒等狀況。

高壓細水霧系統因其不會產生大量排水、具有更長的系統壽命、電絕緣性、可實時監控等特點，近幾年在綜合管廊中被廣泛采用，如深圳的大空港啟動區綜合管廊、阿波羅未來城綜合管廊。其噴出的高速水霧，可以高效清洗空氣中的煙霧，有利于被火勢圍困人員的撤離。同時，速度快，穿透力強，能直達火源根部，將火勢徹底控制和撲滅，有效防止火源再次復燃。高壓細水霧系統可分為全淹沒式保護和分區局部保護（側噴保護）兩種方式。目前針對兩種方式滅火效果的研究有限，本文通過單因素實驗，具體分析對管廊消防滅火能力的影響。

三、噴頭不同安裝角度對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

高壓細水霧滅火系統主要是利用大壓力水泵或者強壓力氣體，水從噴頭中噴出產生霧狀顆粒型水滴，再均勻覆蓋到燃燒物、火災發生區域等保護區域。在高壓細水霧滅火系統的滅火過程中，噴頭起著重要作用，噴頭的參數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對綜合管廊內消防效果的影響。安裝角度θ的大小影響到噴頭的安裝高度和火災保護范圍。

1.直噴式θ=90°

直噴式高壓細水霧在管廊中應用較多，噴射范圍沿噴頭垂線對稱分布。該系統可有效防止兩側電纜起火，降低火災損失。直噴式噴頭多沿管廊頂板中線布置，對兩側的保護作用相同。直噴式高壓細水霧適用性較好，一般用于管廊斷面高度適中、火焰燃燒區較分散的防火分區，如管廊橫斷面尺寸適中、雙側布置電纜的綜合管廊。

2.側噴式0°＜θ≤90°

一方面，缺少管廊消防相關設計規范以及參考；另一方面，管廊內電纜多采用雙側布置。當管廊斷面尺寸較大或電纜單側布置時，火焰燃燒區較集中，側噴式相比直噴有更好的滅火效果。形成細水霧，更好貼合起火電纜，滅火速度快、復燃可能性小；保護范圍大，可增大布置間距，從而減少造價；滅火過程中用水量少，滅火效率更高。

（二）不同安裝角度滅火效果的試驗性分析

本次試驗主要研究全淹沒開式系統條件下，不同噴頭安裝角度θ對滅火效果和降溫速度的影響。試驗過程中還考慮了不同高度電纜橋架和滅火時的溫度變化。試驗通過模擬綜合管廊電纜艙火災，測試高壓細水霧系統在不同噴霧強度與噴頭角度條件下，對火災的撲救能力。

1.試驗設備

本次試驗建設長×寬×高尺寸為10m×3.0m×3.4m，艙內8層電纜橋架單側布置，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聚乙烯絕緣材料。沿廊道中間位置，距頂400mm、間距3000mm，設置有4個高壓細水霧噴頭。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分別設置2組熱電偶，如圖1所示。

2.噴頭流量系數K=0.95，不同安裝角度的滅火效果

從圖2中可以看到，直噴式高壓細水霧系統啟動后，頂板和側壁溫感探頭平均經過120.5s和71.5s溫度下降到100℃以下。側噴式高壓細水霧系統啟動后，頂板和側壁溫感探頭平均經過62s和57.5s溫度下降到100℃以下。期間泵組出口實際工作壓力均為10.2Mpa。

通過溫度變化曲線可知，當噴頭K=0.95時，對比火災發生后頂板和側壁處的降溫時間，側噴式均優于直噴式高壓細水霧。分析可知，由于直噴式保護范圍的局限，在頂板處降溫效果差，而側噴式在頂板處降溫效果明顯。

3.噴頭流量系數K=0.45，不同安裝角度的滅火效果

從圖3中可以看到，直噴式高壓細水霧系統啟動后，頂板和側壁溫感探頭平均經過136.5s和132s溫度下降到100℃以下。側噴式高壓細水霧系統啟動后，頂板和側壁溫感探頭平均經過91.5s和94.25s溫度下降到100℃以下。期間泵組出口實際工作壓力均為10.1Mpa。

通過溫度變化曲線可知，當噴頭K=0.45時，直噴式和側噴式都可達到滅火效果。對比火災發生后頂板和側壁處降溫時間，側噴式優于直噴式高壓細水霧。分析可知，側噴式高壓細水霧系統啟動后，噴頭形成細水霧范圍更加貼合起火范圍，可快速降低溫度。

四、側噴式高壓細水霧工程應用及適用范圍

（一）工程應用

某四艙綜合管廊含燃氣艙、污水艙、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，綜合管廊橫斷面設計圖如圖4。

在綜合艙和高壓電力艙均設置高壓細水霧系統，綜合艙采用局部應用式滅火，高壓細水霧噴頭雙側布置，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式滅火，高壓細水霧噴頭安裝位置距艙室中心線0m。高壓細水霧系統干管采用DN65高壓不銹鋼管，支管采用DN10-DN50高壓不銹鋼管，所有保護區均采用開式噴頭（k=0.95），噴頭安裝間距不大于3.0m。

高壓細水霧系統設計流量按照開式系統單個保護區同時開啟噴頭的流量，并取1.1倍的安全系數進行計算。本系統單個保護區與防火分區保持一致，最大流量按照200m長防火分區的綜合艙進行計算。根據規范，系統最小工作壓力P=10MPa，持續噴霧時間30min。單個噴頭設計流量q=k×（10×P）0.5=9.5L/min；根據計算：泵計算流量Qs=710.60L/min；系統工作壓力按最不利點進行水力計算，采用海森威廉公式計算結果：H=11.6MPa。故單臺提升泵設計參數Q=112L/min，H=13MPa，N=30kW，泵組采用7用1備，總功率210kW；單臺穩壓泵Q=11.7L/min，H=1.2MPa，N=0.55kW，1用1備。系統采用兩路供水，并設置消防水箱，水箱計算容積V=Qs×t=21.3m3，設計水箱尺寸為3×3×2.5=2.5m3。設置增壓泵Q=40L/min，H=33MPa，N=5.5kW，1用1備。

（二）適用范圍

側噴式高壓細水霧系統可通過調整噴頭的不同角度，改變保護范圍。相對于直噴式高壓細水霧，側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；管廊內電纜單側布置，火焰燃燒區較集中。

結語

側噴式高壓細水霧系統在火災發生時，形成細水霧范圍能更好覆蓋起火范圍，對深位火災有較好的抑制作用。在側噴式噴頭安裝角度設計時，應根據管廊高度以及保護范圍進行具體計算。在實際工程設計中，布置間距相對于直噴式可適當增大，但應注意校核。目前，管廊建設趨于精細化，高效、安全的消防系統尤為關鍵。側噴式高壓細水霧系統在管廊橫斷面尺寸較大、電纜單排布置可優先選擇，其滅火效果較直噴式更好。

參考文獻

[1]李露.高壓細水霧滅火系統在檔案館中的應用[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比較與分析[J].地下空間與工程學報，2009（06）：16-20.

[3]崔景立.高壓細水霧技術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地下市政綜合體建設的思考[J].給水排水，2019，45（05）：119-123.