钢厂电缆隧道水喷雾灭火系统设计及优化

李彦林

（江苏永钢集团有限公司，江苏张家港 215600）

0 引言

地下电缆隧道布置有密集高压、低压电缆。电缆在常年运行下处于发热状态，且老化电缆运行过程中火灾控制措施的有效性未知，火灾发生后难以扑救，并难以在短时间内修复，将导致钢厂大面积停产，进而造成巨大的经济损失及社会影响，故需对自动喷水灭火系统对电缆隧道的保护展开研究。

《钢铁冶金企业设计防火标准》（GB 50414—2018）中规定在钢铁冶金企业中宜选用水喷雾自动灭火系统进行场所保护，但未对具体电缆隧道进行水喷雾系统参数的确定。《水喷雾灭火系统设计规范》（GB 50129—2014）中有相关统一的规范，即最低要求对水喷雾灭火系统参数进行设定，但有些电缆隧道建造时期早、使用年限长，建设初期设计要求与如今规范要求有所差异，因此，亟需开展灭火系统综合治理研究，对此类型电缆隧道的灭火系统进行分析并优化，以避免火灾发生后造成更大事故损失，并能够及时控制火势以满足电缆隧道的消防安全需求。

依托某钢企电缆隧道工程，通过调研分析选取电缆隧道中喷水灭火系统的基础参数设置，并对其灭火系统设计参数的有效性和科学性进行评估，从而优化系统设计以满足电缆隧道的消防安全需求。

1 电缆隧道水喷雾系统设计

1.1 依托工程

该工程电缆隧道高约2.5 m，宽约2 m，全长约530 m，共分为10 个防火分区，用于连接厂区各处地下电缆层。内部电缆桥架为5 层，单侧布置，主要电缆类型为35 kV、10 kV 与3 kV 高压电缆、380 V 低压动力电缆、低压控制电缆、通讯光缆等，以第2 区为例，实体及断面示意如图1 所示。

图1 5 层电缆桥架实体及断面示意

隧道内电缆集中、数量众多，不仅有大量的动力电缆和通信电缆，还有高压输配电电缆，其环境温度较高，内部可燃物复杂，具有较大的火灾危险性。并且整个电缆隧道造价高，担负着向各部门提供动力电源和通信信号的重要职责，一旦发生火灾，后果不可估量，因此拟采用水喷雾灭火系统对电缆隧道进行保护。

1.2 电缆隧道自动灭火系统关键参数确定

结合电缆隧道中桥架布置和电缆类型，依据《水喷雾灭火系统设计规范》（GB 50129—2014）及各项文献研究，给出自动灭火系统布置初步方案。

供给强度、持续供给时间、响应时间文献信息见表1，喷头工作压力文献信息见表2，布置方式文献信息见表3，流量参数文献信息见表4。

表1 供给强度、持续供给时间、响应时间文献信息

表2 喷头工作压力文献信息

表3 喷头布置方式文献信息

表4 喷头流量参数文献信息

综上，在规范范围以及各研究者设计范围内设定一个最低要求的水喷雾灭火系统参数条件，探究其灭火性能并在此基础上进行优化，因此在供给强度、持续供给时间、响应时间和工作压力设定一个底线值，分别为13 L/（min·m2）、0.4 h、15 s、0.35 MPa；由于电缆隧道工程左侧为电缆桥架而右侧为巡检通道，设计下喷+侧喷最为合适，通过喷头设备调研以及实现隧道电缆全覆盖选取雾化角下喷120°/侧喷90°，下喷喷头间距为1 m 且位于电缆桥架顶部1/2处，侧喷喷头间距为1.7 m 且位于巡检通道侧墙离地1.625 m 处；喷雾流量通过喷头厂商参数选取22.5 L/min。初步方案参数如表5 所示。

表5 初步方案参数

2 水喷雾灭火性能分析

2.1 数值建模

利用FDS建立该电缆隧道5 层桥架分区隧道尺寸模型。边界条件：混凝土隧道壁面设为“CONCRETE”；隧道两端洞口设为与外界连通的开口边界“OPEN”；隧道内初始温度设为20 ℃，大气压设为101.325 kPa。本项目电缆的主要材料是PVC，故其火灾热释放速率设为0.65 MW［9］，火灾增长系数取为0.046 89 kW/s2。火源面积为0.05 m2，位于电缆外表面。

网格尺寸是影响FDS 计算结果的关键因素。网格尺寸在1/16D*～1/4D*［10］，模拟结果与实验结果非常吻合。本模拟采用近火源区域网格尺寸为0.25 m×0.25m×0.25m，火源远端网格尺寸为0.5m×0.5m×0.5m。

2.2 灭火性能评价指标

为充分保证该电缆隧道灭火性能，提出水喷雾灭火性能的2 个判断指标：水喷雾全覆盖以及稳定温度T0。

（1）水喷雾全覆盖。《水喷雾灭火系统设计规范》（GB 50129—2014）第3.2.9 条：当保护对象为电缆时，水雾喷头的布置应使水雾完全包围电缆。

在水喷雾自动灭火系统工作时，横向上水喷雾覆盖至整个电缆横断面，尤其注重最低层电缆靠墙最内侧，纵向上水喷雾覆盖电缆隧道整个高度，如图2 所示，以此来实现对电缆隧道的全覆盖。

图2 电缆隧道全覆盖截面示意

综上，从模拟结果云图中查看水喷雾灭火系统中灭火介质将电缆完全包裹实现电缆隧道全覆盖为判据，验证其水喷雾灭火性能。

（2）稳定温度T0。本隧道电缆主要为工作电压＜100 kV 的ZR-YJV 型电缆，是具有阻燃特性的交联聚乙烯护套铜芯电缆。①该电缆隧道一级报警温度为80 ℃，二级报警温度为150 ℃，三级报警温度为350 ℃。②缆线芯外部材质熔点（170～190 ℃）设定为150 ℃，阻燃电缆外层护套燃点为200 ℃。

综上，结合报警温度以及电缆外层护套燃点，以电缆隧道中电缆桥架顶棚温度降至150 ℃及以下为判据来验证其水喷雾灭火性能，即T0≤150 ℃。

2.3 水喷雾灭火性能分析

设定水喷雾的启动方式受时间控制且为5 s 启动。从横、纵2 个方向研究其水喷雾全覆盖性以及温度稳定性，模拟所得电缆隧道内水喷雾工作及温度云图如图3 所示，5 层电缆桥架棚顶温度曲线见图4。由图3—图4 可得：①在25 s 时，火源温度最高达519.39 ℃，且从火源纵向截面可以看出火势蔓延较快，火源左侧5.1m、右侧5.6 m温度已上升至140 ℃左右；②开启水喷雾灭火系统至100 s时，火源横、纵向截面温度明显降低，维持在250 ℃左右，即喷头工作已实现横、纵向截面的全覆盖；③开启水喷雾灭火系统至300 s 时，火源上方顶棚温度已趋于稳定，375 s 时温度达到最低，达180.13 ℃，未达到温度降至150 ℃以下的标准。

图3 5 层电缆桥架横、纵向水喷雾工作及温度云图

图4 5 层电缆桥架棚顶温度曲线

综上，针对2 区5 层电缆桥架火灾区段，当在该区段发生火灾时，供给强度13 L/（min·m2），下喷喷头雾化角120°，喷头间距为1 m，侧喷喷头雾化角90°，喷头间距为1.7 m，工作压力0.34 MPa，喷雾流量22.5 L/min，此工况只能满足其实现电缆全覆盖，不能满足电缆隧道中电缆桥架顶棚温度降至150 ℃及以下这一评价指标，因此需在此基础工况下对喷头参数进行优化设计，以此满足全部灭火判据，有效实现灭火。

3 水喷雾灭火系统参数优化设计

通过对初步设计参数方案进行模拟，在此初步方案下能够对电缆隧道进行降温，但由于电缆桥架相叠加，存在遮挡，导致水喷雾无法即时有效地覆盖住火势，因此在其他条件不变的情况下，增加喷雾流量，设置为30 L/min，模拟所得电缆隧道内水喷雾工作及温度云图如图5 所示，5 层电缆桥架优化后棚顶温度曲线见图6。由图5—图6 可得：①在25 s 时，火源温度最高达320.15 ℃，与优化前相比同时段温度下降明显；②开启水喷雾灭火系统至100 s时，相对于优化前，火源横、纵向截面温度降低更快且温度更低，维持在180 ℃左右，且喷头工作已实现横、纵向截面的全覆盖；③开启水喷雾灭火系统至180 s时，火源上方顶棚温度已降低至150 ℃以下，达138.93 ℃，且温度逐步降低，趋于稳定，从云图上看已接近室温（隧道内初始温度设为20℃），优化后达到温度降至150℃以下的标准。

图5 5 层电缆桥架优化后横、纵向水喷雾工作及温度云图

图6 5 层电缆桥架优化后棚顶温度曲线

综上所述，经参数优化后的灭火系统供给强度13L/（min·m2），下喷喷头雾化角120°，喷头间距1m，侧喷喷头雾化角90°，喷头间距1.7 m，工作压力0.34 MPa，喷雾流量30 L/min，可满足灭火有效性2 个判据：①电缆桥架顶棚温度降至150 ℃以下；②水喷雾实现隧道内全覆盖，故灭火系统参数设计合理可行。

4 结论

本文通过数值模拟对某钢企电缆隧道工程水喷雾灭火系统设计进行了验证和优化。研究表明：

（1）A0 基础工况下供给强度13 L/（min·m2），下喷喷头雾化角120°，喷头间距1m，侧喷喷头雾化角90°，喷头间距1.7 m，工作压力0.34 MPa，喷雾流量22.5 L/min，仅能实现电缆全覆盖，不能实现电缆桥架顶棚温度降至150 ℃及以下这一评价指标。

（2）在参数优化工况A1 下，喷雾流量优化设为30 L/min，能有效降低电缆隧道内温度，满足电缆桥架顶棚温度降至150 ℃及以下这一评价指标，满足该电缆隧道的消防安全需求。

（3）最终确定水喷雾灭火系统的最佳灭火系统参数为：水供给强度13 L/（min·m2），下喷喷头雾化角120°，喷头间距为1m，侧喷喷头雾化角90°，喷头间距1.7 m，工作压力0.34 MPa，喷雾流量30 L/min。