细水雾粒径改变对电缆火灾的影响

张华杰, 梁天水

(郑州大学力学与安全工程学院， 郑州 450001)

随着科技的发展，电力设备在人们日常的生活中无处不在。城市地下综合管廊里密布的电缆为城市的正常运行发挥着重要作用。但此类建筑横断面窄，纵向长度大，安全出口少，通风条件差，一旦着火火势发展迅速，灭火救援难度大，且火灾高温环境会造成舱室结构损伤，导致城市瘫痪的严重后果。

细水雾作为自动灭火选型的一种，能够扑救电气火灾，可以明显降低受限空间内的烟气浓度，在电力设施灭火系统中有着广泛的应用。部分学者对狭长空间内细水雾作用下火灾烟气特性以及熄灭电缆火性能方面展开了研究。孙瑞雪等[1]利用FDS(fire dynamic simulation)软件开展了综合管廊灭火模拟，得到在一定条件下水雾灭火的最优方式。李涛等[2]研究了基于高压细水雾作用下城市地下综合管廊的火灾蔓延规律，结果表明可燃物在单侧燃烧的情况下发生轰燃，随着高压细水雾的开启，轰燃次数减少。吴丹等[3]采用FDS技术分析了不同喷头间距不同火源位置等不同条件下，细水雾灭火的有效性，结果表明在不同条件下细水雾灭火都有着优异的灭火效果，但喷头间距不宜超过3 m。李亚培[4]采用数值模拟软件，研究了细水雾作用下狭长通道内火灾行为，发现施加细水雾可在一定程度上阻挡火灾烟气蔓延，降低顶棚温度，抑制了有毒有害气体扩散。

电线电缆成分多样，燃烧产物复杂，难以实现精确模拟，数值模拟作为研究火灾问题的重要手段，对不同工况下火势蔓延有直观的体现，可以为优化消防设计和防火保护措施提高参考依据。现针对综合管廊电缆火灾，通过数值模拟，研究不同粒径细水雾的降温、灭火效果以及对烟气流动的影响，以期为细水雾系统设计提供参考。

1 数值模拟

1.1 软件介绍

模拟软件采用美国国家标准研究院和建筑火灾研究实验室合作开发的火灾模拟软件FDS。该软件运用场模拟的方法在进行模拟火焰燃烧、烟气流动等方面具有较好的适用性。FDS模拟不同火灾场景偏差较小，模拟结果可通过自带的Smokeviwe以3D动画的方式直观展示，基于数值模拟与全尺度实验结果和理论方程的比较，所提出的FDS模型可用于预测综合管廊电力电缆舱火灾场景，因此，不再对FDS细水雾模拟有效性进行检验。

1.2 模型的建立

模型尺寸参考文献[5]T型地下综合管廊模型建立，如图1所示。管廊横截面宽度为2 m，高度为2.5 m，长度为6 m。为防止隧道内部受火灾破坏，模型域的表面以及隧道顶端均为惰性材料，内部左右两侧敷设有六层电缆，每层电缆尺寸宽0.2 m, 厚0.1 m, 层与层电缆间隔0.1 m，最低一层电缆距地面0.3 m，最高一层距顶端1.1 m，距墙一侧紧靠混凝土壁面，电缆由惰性材料支撑，可默认支撑结构不会对燃烧造成影响即不会影响流场运动。隧道两端顶部设置开口，以保证维持燃烧需要的条件。在FDS模拟中，网格大小决定了模拟结果的准确性，网格越密精度越高，但相应消耗的计算机资源越多，计算时间越长。一般网格的尺寸由火源特征直径决定。在考虑计算机性能以及保证模拟精度的前提下选用网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m。

图1 管廊模型示意图Fig.1 Schematic model of pipe gallery

火源设置为线性火源，设置在一侧电缆的正下方，火源功率为900 kW, 电缆点火温度330 ℃，热释放速率按照t2(t为时间)快速火模式增长，电缆外护套为聚氯乙烯(PVC)，选取聚氯乙烯作为典型电缆材料进行模拟，设置火灾类型为快速火。因为隧道空气流动性差，所以隧道内不设置通风口，仅在隧道两端设置开口，内部依靠火焰热浮力驱动空气流动，以起到更为真实的模拟效果。在管廊顶棚中心处自上而下等间距0.25 m设置热电偶树THCP1～TCHP5。烟气高度测量设置在管廊中央及两端出口处。电缆材料参考文献[6]管廊模拟按照铜∶PVC=4∶6进行设置，具体参数如表1所示。

表1 电缆材料参数

2 模拟结果分析

细水雾粒径的大小直接影响了细水雾的初始动能以及雾滴在空间内的弥散性，若水雾粒径较大，雾滴容易沉降，而粒径较小的水雾，空间弥散性好，在空气中停留时间长，易于蒸发，对烟气洗涤效果好，蒸发后形成的气体屏障能够隔绝氧气，通过窒息灭火，且当粒径小于100 μm时，可用于扑救带电火灾。雾滴粒径是细水雾的一项重要性能指标，不同粒径大小细水雾灭火效率不同，因此，对不同粒径作用下电缆火灾行为进行研究是必要的。根据细水雾的定义，共设置6种粒径的细水雾进行模拟，各工况如表2所示。保持其他条件一致，在多次模拟的基础上为使电缆能够达到稳定燃烧状态，采用火源引燃80 s后撤去火源，让电缆自由蔓延50 s后开启喷头。当前针对高压细水雾系统，一般设计最不利点喷头压力10 MPa，特性系数计算公式为

(1)

式(1)中：Q为流量；P为压力；K为特性系数。

综合管廊通常采用K=0.7或者K=1.0作为流量系数，这里取K=1.0，故取喷头流量10 L/min。粒子出口速度参考文献[4]，工况设置为30 m/s。对于电缆隧道等狭长通道，可以采用线性方式布置喷头，一般将喷头布置在隧道过道上方[7]，为保证细水雾能够完全充满所防护的空间，所以在模拟时将喷头采用下喷的形式设置在隧道过道中央。选取火灾温度场，烟气、以及热释放速率作为特征参数，来研究粒径的不同灭火效果的差异。

表2 模拟工况

2.1 水雾粒径对火灾温度场的影响

点火后，火场温度迅速上升，在达到电缆燃烧温度后，首层电缆在火源外焰的引燃下最先发生燃烧， 80 s撤去外加火源时测点1的温度高达430 ℃，火源撤去后温度迅速下降，电缆开始自由燃烧，50 s后喷头开启。喷头开启20 s后管廊着火侧电缆温度切片如图2所示。

图2 不同粒径喷头启动后20 s管廊温度分布Fig.2 Temperature distribution of pipe gallery 20 s after the start of nozzles with different particle sizes

通过对不同粒径细水雾在灭火过程中的表现，不难发现，不同粒径水雾均对火场温度有明显的降低作用，但粒径不同，降温效果不同。在短时间内(20 s)粒径200 μm条件下的降温效果最佳，整个燃烧区域的温度最低，电缆上层以及中间层的火焰被迅速控制，最高温度出现在了底层电缆处，达到240 ℃，而50 μm细水雾粒径由于滞空时间长在火源处的水雾浓度大对底层电缆火抑制效果最好，底层电缆处整体温度低于200 μm粒径细水雾，其次是100 μm粒径细水雾。不同粒径条件下细水雾控制典型电缆材料火灾能力依次为：200 μm>100 μm>50 μm>300 μm>400 μm>500 μm。

图4 150 s时不同粒径水雾下火场烟粒子示踪图Fig.4 Tracing diagram of smoke particles in fire scene under water mist with different particle sizes at 150 s

图3为不同粒径水雾在喷头开启35 s内温度曲线。首层电缆在水雾的作用下温度迅速下降，其中粒径为200 μm的细水雾降温效果最好。降温效果依次为：200 μm>300 μm>50 μm>100 μm>400 μm>500 μm，可以看出，对首层无遮挡电缆火的降温效果并非水雾粒径越小越好，粒径越小，初始动量越小，难以直接到达燃烧区参与反应，此时，降温速率随着粒径的增大而增加(图3)，但随着粒径的不断增大，细水雾的比表面积不断变小，吸热汽化的速率也在不断下降，气相冷却、隔氧窒息能力减弱，当粒径超过200 μm时，降温效率随着粒径的增加而减小，水雾主要依赖润湿可燃物，降低燃烧速率来抑制火势发展，此时灭火主导机理为表面冷却，由于上层电缆的存在，颗粒较大的雾滴只能从首层逐层浸湿来达到灭火的目的，灭火效率较低，这在FDS中的水灭火机理中也有所体现，与端木维可[8]的研究结果一致，也在温度云图(图2)中得到了验证。在图3中还观察到，在不同粒径条件下灭火过程中，温度均出现了不同程度的上升，粒径200 μm细水雾上升效果最不明显，在也能在一定程度上验证200 μm粒径细水雾灭火效果好的事实。温度上升可能因为尽管首层电缆在水雾作用下温度下降，但火势并未被完全控制，下层电缆在桁架的遮蔽下得以继续燃烧，尤其是电缆底层温度居高不下，短时间内造成了测点温度出现了不同程度的上升。

图3 130～165 s测点1温度Fig.3 Temperature of point 1 measured at 130～165 s

2.2 水雾粒径对火灾烟气的影响

人员在火场中是否安全与火场中有毒有害气体以及烟气的能见度与有关，烟密度是用来表征燃烧后一定空间内悬浮颗粒物的产量，用来显示燃烧产物对人员伤害程度的参数[9]。细水雾对烟气具有洗涤作用，从而对烟密度产生影响，燃烧的灰烬、碳粒和有害气体能与细水雾结合而得到洗消沉降。对于受限空间，一旦发生火灾产生大量烟气的地下综合管廊，此项性能尤为重要, Smokeview中的拉格朗日粒子可显示烟气的运动轨迹以及扩散情况，在此，运用拉格朗日示踪粒子来分析水雾粒径对火场烟气的影响。图4为不同粒径细水雾喷头开启20 s后管廊中烟雾的分布，可以看出，粒径越小，烟雾的沉降越多，细水雾对火场的烟气稀释效果越好。这是因为水雾粒径越小，比表面积越大，换言之，水雾与烟雾的接触面积就越大，更有利于洗消烟气，降低火场烟雾浓度。

除有毒有害气体外火场中烟气层高度较低同样可导致人员伤亡，火灾发生后，烟气沿着管廊顶棚蔓延，在扩散的过程中，烟气层高度下降，当下降至人员口鼻处，氧气浓度随之降低，人员因此可能会窒息。图5显示了不同粒径作用下，管廊1.8 m高度处能见度分布。可以看出，管廊在细水雾的作用下烟气发生了沉降，能见度随之降低。喷头开启后，原有的烟气流动相应会发生改变，顶棚烟气在细水雾作用下发生沉降，烟气向上流动被抑制，加剧了气体局部环流，烟气有向下拉伸趋势，且水雾粒径越小，烟气的沉降范围和距离就越大。但随着时间的发展，烟气会逐渐充满整个管廊，这也与前文示踪粒子显示结果相一致。

图5 不同工况下喷头开启20 s喷头下方1.8 m 高处能见度云图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 不同粒径的灭火时间的影响

火灾发展一般可分为火灾初期，火灾发展阶段、火灾鼎盛期以及火灾衰减期，对于火灾扑救来说，初期火灾最容易被控制，较为理想的状态是当能在火灾初期迅速将火扑灭，一旦初期不能及时将火控制，极有可能造成火势的扩大进而出现轰燃的现象，灭火时间是衡量灭火设施可靠性的关键因素。不同粒径条件下灭火时间如表3所示。火灾熄灭的判据为喷出细水雾后300 s内，测点温度的平均值不大于100 ℃[10]。在50 μm条件下，细水雾灭火所用时间最短，粒径越大，灭火时间越长。不同粒径条件下火灾最大热释放速率也在表3中给出，与石磊等[11]的研究结果一致。

表3 在不同粒径条件下灭火参数

3 结论

通过模拟得出如下结论。

(1)细水雾能显著降低地下综合管廊电力电缆舱火场温度，不同粒径细水雾灭火效果不同，其中粒径为200 μm细水雾对整个火场降温效果最好。

(2)由于障碍物的存在，在扑灭隐蔽的电缆火灾时，细水雾需要好的弥散性，模拟发现水雾粒径越小灭火时间越短。

(3)细水雾能引起烟气沉降，水雾粒径越小，烟气沉降越明显。