电气管廊火场模拟分析与灭火有效性试验研究

王 允副教授 孙一鸣 雷 蕾副教授

(1.中国人民警察大学 消防工程系，河北 廊坊 065000；2.吉林省吉林市昌邑区消防救援大队，吉林 吉林 132001)

0 引言

按照《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》(国发〔2013〕36号)和《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》(国办发〔2014〕27号)有关部署，适应新型城镇化和现代化城市建设的要求，把地下综合管廊建设作为履行政府职能、完善城市基础设施的重要内容[1]。在工程建设中，电缆线路敷设于廊道内，实现了城市地下空间的深度开发。而电缆廊道内部一旦发生火灾，导致电气设备发生故障，人员的逃生及疏散困难，因此灭火系统是否能发挥最大有效性是亟待解决的问题[2]。当前研究缺少针对全尺寸电气管廊的实体火试验，缺少分析不同尺寸电气管廊火灾温度特性的相关性研究，缺少针对细水雾灭火系统设置要求的试验研究[3]。

本文的研究目的有：研究不同尺寸直线型电气管廊的火灾温度变化的相关性，分析电气管廊火灾温度分布特性；比较不同火源、通风风速及电缆充满度的条件下，细水雾喷水强度、喷头安装方式对高压细水雾灭火效果的影响；根据电气管廊火灾温度特性及细水雾灭火有效性的试验结果，提出工程应用建议[4]。

1 试验方案

1.1 试验环境

试验环境为某全尺寸地下管廊火灾试验平台。试验管廊尺寸长×宽×高为95m×3.4m×2.9m，管廊有4个区：A、B、C、D，管廊内部情况，如图1。

图1 管廊内部情况

1.2 试验工况

根据试验目的，考虑不同火源、电缆充满度、通风风速条件下，细水雾系统不同喷水强度及喷头安装方式对灭火效果的影响，共设置了以下几组试验工况。工况2为标准工况，工况1考虑引火源对灭火效果的影响，工况3考虑通风风速对灭火效果的影响，工况4考虑喷头安装方式对灭火效果的影响，工况5考虑电缆充满度对灭火效果的影响，工况6考虑细水雾喷水强度对灭火效果的影响，工况7考虑细水雾系统的设置对火灾发展的影响。试验工况编号及工况设置情况[5],见下表。

表 试验工况

1.2.1 引火源影响

试验起点时间为0s，在33s时启动电加热器，火灾初期产生少量烟雾，随火势进一步发展，产烟量逐渐增多，烟气向上蔓延至空间顶部，到达顶部后，烟气沿管廊水平方向蔓延，空间顶部烟气层逐渐下沉同时向左右两侧沿纵向方向蔓延，154s时(即电加热器开启121s后)出现明火，火灾由阴燃阶段发展至明火燃烧阶段，此时产烟量相比之前有所减少，168s(即电热器开启135s后)灭火系统开启，338s时关闭灭火系统，灭火持续时间约3min。

图2为工况1火源及上方热电偶温度曲线图，由图2可以看出，火源侧距离地面的第一层桥架(即火源层桥架)温度最高，在161s，即点火后的128s达到73.1℃，其次是距离地面的第二层桥架，在167s，即点火后的134s，达到51.3℃，均明显高于上方电缆。在219s时，即开启灭火系统51s后，各测点温度降至30℃以下。与工况2相比，电加热引火源仅对火源层桥架及火源上层桥架温度影响较大，且对火源层温度影响最大，环境整体温度较低，启动灭火系统后温度下降速度较快。

图2 工况1火源及上方温度曲线图

图3为工况1试验空间顶部温度曲线图，从图3可以看出，火源对顶层温度影响较小，顶层温度波动幅度较小，最高温度仅为24.3℃，开启灭火系统后，温度迅速降低，然后逐渐回升至室内环境温度。

图3 工况1顶部温度曲线图

1.2.2 风速影响

工况3设定的通风风速为2m/s，对比工况2、3，分析通风风速对火灾发展及细水雾灭火有效性的影响。图4为工况3火源及火源上方温度曲线图，从图4可以看出，火源侧距地面第一层桥架的温度最高，在点火后的65s达到668℃，其次是距地面第二层桥架，温度在点火后的90s达到638℃，再次是距地面第三层桥架，温度在点火后的110s达到580℃，均明显高于上方电缆。这是由于当风速增加时，加速了火灾的发展过程，导致温度最高值出现时间提前。当无环境风速时，火源及上方温度值均在同一时间达到最大值，当具有一定的环境风速时，火源上方电缆达到温度最高值的时间滞后于火源层。在190s时，开启灭火系统后，火源及上方温度逐渐下降；灭火系统开启170s后，火源及其上方温度均能降低到50℃以下。

图4 工况3火源及上方温度曲线图

图5为工况2、工况3空间顶部温度曲线对比图，从图5可以看出，当风速为2m/时，试验管廊空间顶部最高温度能到127℃，低于自然通风状态下的空间顶部最高温度。在灭火系统启动80s后，空间顶部温度逐渐下降，降到50℃以下。与自然通风状态下的工况对比，可以看出当有一定的风速时，试验管廊空间顶部温度最高值有所降低，且降温速度减慢。

图5 工况2、3顶部温度曲线对比图

1.2.3 喷头布置方式影响

图6为工况4火源及火源上方热电偶温度曲线图，从图6可以看出，火源侧距离地面第二层桥架的温度最高，在150s，即点火后的125s达到864℃，其次是距地面第三层桥架，在170s，即点火后的145s达到630℃，再次是距地面第一层桥架，温度在189s，即点火后的164s达到456℃，均明显高于上方电缆。这与工况2的变化规律类似。当145s灭火系统开启后，火源及上方温度会出现短暂上升后逐渐下降，在325s时，即灭火系统开启180s后，火源及其上方温度均能降低到50℃以下。与工况2相比，当采用侧喷喷头时，火源及上方温度下降速度较为缓慢。可见垂直安装的喷头更有利于火灾后温度的下降。

图6 工况4火源及上方温度曲线图

1.2.4 电缆布置方式影响

图7为工况5火源及火源上方温度曲线图，由图7可知，火源位置7测点异常，火源侧距离地面第一层桥架温度最高，在303s，即点火后的150s，达到最高温度值318℃，其次是距地面第二层桥架，在290s，即点火后的137s，达到最高温度值102℃，均明显高于上方电缆，其他层桥架的温度均未超过50℃，在364s，即灭火系统开启75s后，温度均降低至50℃以下。与工况2相比，火源层桥架温度最高，温度最高值降低，火源及上方温度整体较低。由于第5、6、7层加密布置电缆，影响了火焰向上蔓延传播，且本次试验中采用的是阻燃电缆，电缆难以被点燃发生延燃，所以热量的传递主要来源于热烟气的蔓延，加密布置电缆阻碍了热烟气的向上蔓延，故环境温度整体较低。

图7 工况5火源上方温度曲线图

1.2.5 喷水强度影响

图8为工况6，火源及火源上方热电偶温度曲线图。从图8可以看出，火源侧距地面第二层桥架的温度最高，在166s，即点火后的113s达到840℃，其次是距地面第一层桥架，温度在112s，即点火后的59s达到633℃，再次是距地面第三层桥架，温度在197s，即点火后的144s达到540℃，均明显高于上方电缆。这与工况2、工况4的变化规律类似，火源对第二层桥架的温度影响最明显。当187s灭火系统开启后，火源及上方温度逐渐下降，在442s时，即灭火系统开启255s后，火源及其上方温度均能降低到50℃以下。与工况2 相比，当喷水强度设置为1.0L/min·m2时，火源及火源上方温度下降速度较为缓慢，是因为当喷水强度增大时，水流量增大，导致水流不能充分与桥架接触，影响水分蒸发吸热。可见增大喷水强度并不能加快降温速率，加强灭火效果。

图8 工况6火源及上方温度曲线图

1.2.6 未开启细水雾系统的工况

图9为工况7火源及火源上方热电偶温度曲线图。从图9可以看出，火源侧距离地面第三层桥架温度最高，在100s时，即点火后的57s，达到最高温度值840℃，其次是距地面第二层桥架，在100s，即点火后的57s，达到最高温度值809℃，然后是距地面第一层桥架，在179s，即点火后的136s，达到最高温度值682℃，距地面第四层桥架，在184s，即点火后的141s，达到最高温度值505℃，这四层桥架温度明显高于上层电缆桥架温度。火源对火源上方两层电缆影响最大，距地面第二层及第三层桥架在同一时间达到温度最高值，然后温度有所下降，当第四层托架温度达到峰值时，第二层、三层托架达到第二次峰值，这是由于电缆外表面材料被燃尽后，电缆外层的炭化层会阻碍电缆燃烧，导致温度下降，当第四层电缆外表面被引燃时，环境温度上升，故温度再次上升。与工况2对比可看出，当未开启灭火系统时，火势向上蔓延趋势增加，在189s时，温度开始下降，但温度下降速度明显比开启灭火系统时的速度慢。

图9 工况7火源及上方温度曲线图

2 数值模拟

2.1 模型建立

根据全尺寸电气管廊试验平台的实际结构尺寸建立模型，如图10。

图10 电气管廊模型图

2.2 模拟工况

为了与试验工况相对应，模拟工况的设置情况与试验工况相一致。

2.3 模拟结果与试验对比分析

(1)引火源影响。模拟与试验电加热引火源工况下，火源及火源上方温度变化规律相似，火源层温度最高，随高度的升高，温度逐渐降低。与设置丙烷燃烧器引燃的工况相比，采用电加热器引火时，环境温度整体降低。

(2)风速影响。模拟和试验不同风速工况下，风速对火源及火源上方温度分布的影响规律相同，由于风速增大加速了火源向火源下风向蔓延发展，减缓了火源向上蔓延的趋势，故火源层温度高于火源上方两层的温度，同时火源断面的温度与自然通风条件下相比有所下降，随风速的增大，细水雾灭火系统的降温速率也有所下降。

(3)喷头布置方式的影响。模拟和试验侧喷头工况下，不同喷头布置方式对火源及火源上方的温度分布规律的影响具有相似性。火源及火源上方两层托架的温升变化最明显，其余层的温度变化较小，与采用垂直喷头的工况相比，采用侧喷喷头降温速率减缓。

(4)电缆布置的影响。在模拟及试验不同电缆布置工况下，电缆布置方式对火源及火源上方温度变化规律的影响具有一定的相似性。试验工况下，空间顶部温度有明显温升，而当电缆加密布置的工况下，空间顶部温度没有明显温度变化，由于加密布置电缆后，电缆更难以被引燃，同时热烟气向上传播也受到阻碍，因此空间顶部温度没有明显变化。

(5)细水雾灭火系统的影响。模拟与实验未开启细水雾灭火系统的条件下，火源及火源上方温度分布规律存在一定的差异性，在模拟工况下，火源及火源上方温度在升温至最高温度后维持在一温度值；试验工况下，火源及火源上方温度在升温至最高温度后维持一段时间后，开始下降，但降温速率明显低于开启细水雾灭火系统时的降温速率。

综上，模拟结果与实体试验结果比较符合，不同因素对火灾温度分布规律的影响也具有一致性。在模拟工况下，细水雾灭火系统开启后，空间顶部温度会在一段时间内持续上升后开始下降，在试验工况下，空间顶部温度会直接开始下降。因此在模拟工况下考虑细水雾的灭火效果，不仅要看降温速率还要考虑细水雾开启后对温度上升过程的影响。由于实体火试验中布置的电缆为阻燃电缆，电缆着火燃烧后不延燃或将燃烧控制在一定范围内，在模拟中，材料不具有这一特性，因此在未开启细水雾灭火系统的工况下，模拟与试验结果存在一定的差异性。但总体上看，细水雾灭火系统的模拟结果与试验结果具有较好的一致性。

3 结论

通过开展细水雾应用于电气管廊的实体火试验与数值模拟，分析火源因素、通风因素、电缆布置情况、细水雾喷头布置方式及喷头喷水强度对高压细水雾灭火效果的影响。得出的主要结论如下：

(1)电缆的材料特性及燃烧特性对于火灾的发展影响较大，电缆的充满度及布置方式也会影响火势的发展。阻燃电缆可以有效减缓火势的蔓延。

(2)通风风速对于电气管廊内火灾的发展具有一定的影响。在1m/s的范围内增大风速，环境温度会有所上升，当风速继续增大时，通风作用会带走环境的大部分热量，导致环境温度下降。因此，在保证管廊日常通风散热的基础上，可以适当增大风速，但要控制在1m/s以下，可以加快触动报警信号。

(3)缩尺寸试验模型与全尺寸试验管廊内的温度不具有成比例关系，但火灾温度分布规律具有相似性；两种全尺寸试验环境下，管廊空间顶部温度最高值相近，管廊高度对于空间顶部温度影响不大。

(4)细水雾灭火系统可以有效扑灭电缆发热起火及外部火引燃电缆引发的火灾。增大风速会减缓降温速率，垂直安装的喷头更有利于降低空间温度，喷水强度不宜设置过大。

(5)模拟结果与实体火试验结果具有较好的一致性，不同因素对细水雾灭火效果的影响较为一致。可以采用模拟的方法预测电气管廊火灾的发展过程。