电缆竖井细水雾灭火系统数值模拟研究

叶 虹，赵晨曦，骆育真，许 峥

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

0 引言

电缆竖井是建筑物用于垂直敷设供电电缆或通信电缆的通道,强电和弱电一般分开敷设,电缆密集且数量大,一旦发生电缆起火,将很快波及相邻电缆,造成电缆成束延燃,并形成纵向燃烧,同时在烟囱效应的作用下,火势将快速蔓延。在电缆燃烧过程中还会形成带火流胶滴向下层电缆, 导致着火点跳跃式蔓延。

电缆主要由导体、绝缘层和护套等构成,其中对电缆燃烧特性有直接影响的是护套和绝缘层材料,其在燃烧过程中会释放大量有害气体和浓烟,给灭火扑救和人员疏散造成极大困难。细水雾灭火作为卤代烷灭火剂(哈龙)的主要替代技术之一,因其具有灭火效率高、安全可靠、环保等优点,在火灾防治中广泛应用。然而,当前的细水雾灭火系统的设计无法依赖一般性原则或统一的标准,因此建立科学合理的细水雾灭火系统设计与评价方法成为拓展细水雾系统应用领域的关键所在。基于此,利用火灾动力学软件(fire dynamics simulator,FDS)进行电缆竖井高压细水雾灭火系统数值模拟,探究系统在电缆竖井中的各设计参数之间的关系,确定边界条件,推荐限定条件下的系统设计参数范围,同时也为实验研究提供参考。

1 电缆竖井工程概况

图1是典型的电缆竖井平面示意。整个电缆井主要结构特点是电缆井与楼梯间分别位于前室两侧,高压电缆井和低压电缆井之间采用砖墙分隔,互不连通,每层均设有高压电缆井和低压电缆井的检修门,检修门为常闭状态。

图1 电缆竖井平面示意

一般而言,150 m高压电缆井有23层,250 m高压电缆井有39层,其底层和顶层分别通过进线下平硐和出线上平硐与外部连接,层高约6.4 m。为模拟电缆竖井漏风情况,设置条件为检修门关闭,每层存在一条1 m×0.01 m的缝隙。竖井平面尺寸为5.8 m×2.8 m,共16.24 m2,每层地板上开设4个电缆通道,尺寸均为1.5 m×0.8 m。每个电缆通道内竖直铺设3根高压电缆。

低压电缆井楼层及层高与高压电缆井完全相同,每层的平面尺寸为2.8 m×1.4 m,整个低压电缆井上下贯通,各层之间用钢格栅分隔,钢格栅尺寸为2.8 m×0.8 m。低压电缆井电缆桥架数量设置为五排,相邻电缆桥架间距为0.2 m。

2 仿真模型建立与模拟工况确定

2.1 模型空间结构建立

在FDS模型设计软件PyroSim中按1∶1的比例实施电缆竖井的建模,模型平面如图2所示。材料方面相关设定为高低压电缆井采用砖墙隔离,其他墙壁、地板及楼梯为混凝土材料,高压电缆井井内的护栏以及低压电缆井内的钢格栅为钢材。此外,引入了一个高温热源作为引火源,并在引燃电缆后撤销。起火场景设定为电缆竖井中一排高压电缆或低压电缆过热造成井内一处起火。

图2 电缆竖井模型平面

由于高压电缆井和低压电缆井之间是互相分隔的,且混凝土和砖墙均为不燃材料,因此认定两者为独立的灭火单元,在此基础上分别对高压电缆井和低压电缆井进行高压细水雾灭火系统灭火模拟。

2.2 电缆参数设定

实验选用的电缆为铝芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套阻燃电缆(YJLV22）,电缆导体为铝丝,护套为聚氯乙烯(PVC)；低压电缆额定电压为0.6/1.0 kV,截面外径为16 mm,单位长度质量为0.700 kg/m；高压电缆额定电压为10 kV,电缆外径40 mm,单位长度质量为5.572 kg/m。

该电缆具有多层护套,三股导体外包有内层护套,然后外层护套再将其与填充物一起包裹形成完整的电缆。电缆材料设置为质量分数0.615的PVC和0.385的铝组成,燃烧发热为16 MJ/kg。

2.3 网格尺寸设定

在FDS模拟计算中,设置的网格越密集,模拟结果的分辨率越高,计算精度也越好,但网格设置过于密集则会增加计算压力,过低则无法准确表现火灾场景或产生较大误差。FDS的指导手册提供了如下用于确定网格尺寸的公式。

式中：D*为火源特征直径,m；Q为火源热释放速率,kW；ρ∞为环境空气密度,kg/m；cp为环境空气比热容,kJ/(kg·K)；T∞为环境空气温度,K；g为重力加速度,m/s。

相关研究表明,在网格单元尺寸选择为火源特征尺寸的0.1倍时,其模拟结果较为准确,结合电缆竖井的结构参数,选用长方形网格用于模拟计算。网格主要由电缆竖井、底层的下平硐电缆道以及顶层的出线上平硐三部分组成；模型采用多套网格,电缆竖井中部为0.1 m×0.1 m×0.5 m的长方体网格,底层的起火区域、下平硐电缆道、顶层区域以及出线上平硐均采用0.1 m×0.2 m×0.2 m的长方体网格。

2.4 灭火系统设计

高压电缆井选用流量系数K分别为1.0、1.5的喷头,低压电缆井选用流量系数K分别为1.7、2.5的喷头；并设置水雾粒径中位数为200 μm,最大值为300 μm,最小值为0.1 μm。

细水雾喷头平面布置如图3所示。对于高压电缆井,每层隔板之间竖向配置2层喷头,每层4个喷头,纵向间距3.2 m,每层隔板之间共8个喷头；对于低压电缆井,每层隔板之间竖向配置2层喷头,每层1只喷头,纵向间距3.2 m,每层隔板之间2个喷头。

图3 细水雾喷头平面布置

根据竖井火灾燃烧的特点,设定灭火系统启动时,起火层和其上一层的喷头同时动作,由于电缆为竖直铺设,喷头喷雾方向采用侧喷方式,使细水雾最大程度发挥灭火效果。

2.5 工况设计

高低压电缆井细水雾灭火模拟工况详见表1。为研究高低压电缆井在不同喷雾强度下细水雾的灭火效果,高压电缆井喷雾强度分别设置为1.45 L/(min·m2)、2.18 L/(min·m2),对应喷头流量系数约为1.0、1.5；低压电缆井喷雾强度分别设置为0.98 L/(min·m2)、1.44 L/(min·m2),对应喷头流量系数约为1.7、2.5。

表1 高低压电缆井细水雾灭火模拟工况 单位：L/(min·m2)

3 模拟结果分析

热释放速率(heat release rate,HRR)是火灾研究中非常重要的参数,表征火灾向外释放热量的能力,当其热释放速率为0时,则燃烧终止。通过对比分析各工况下热释放速率随时间变化的曲线,可筛选出有效扑灭火灾的细水雾设计方案。

3.1 高压电缆井模拟结果分析

1) 图4为顶部底部开门,火源位于底层下,K分别取1.0、1.5以及无细水雾情况下的热释放速率对比。可以看出,在前30 s (火灾发展阶段),三种情况下的热释放速率变化曲线基本一致；30 s后,细水雾系统启用,热释放速率变化曲线开始产生差异,其中K取1.5对应的曲线下降速率最快,并在约60 s时下降至0；K为1.0的热释放速率曲线在40～60 s上下存在较大波动,并于约80 s时下降至0。

图4 顶部底部开门，火源位于底层时热释放速率对比

不同高度下温度下降的情况与热释放速率下降情况类似(见图5)。同时还可以看出,对比不同喷头流量系数下的灭火效果,喷头流量系数取1.5,其灭火所需时间具有优势,但本着保证灭火效果的同时尽量节约建造成本的原则,可优先选用1.0作为高压电缆井的喷头流量系数。

图5 不同高度下温度变化

2) 图6为顶部底部关门,火源位于底层下,热释放速率随时间变化的情况。可看出,K=1和K=1.5时,无论是热释放速率大小还是灭火时间,两者间的差距均不大。分析其主要原因为细水雾的灭火效率已达最大,即使系数继续增大,也无法减小灭火时间。因此,该工况下,K取1.0即可达到较好的灭火效果。

图6 顶部底部关门，火源位于底层时热释放速率变化

3) 由于真实火灾发生时火源位置具有较大的不确定性,导致电缆竖井火灾的发展有着很大的差异,因此,选择在250 m高压电缆井、火源高度为80/150/220 m分别开门和设置火源点+顶部开门的工况下,对细水雾灭火情况进行研究分析,结果如图7、8、9所示。

图7 火源高度为80 m时，火源附近温度变化

图8 火源高度位于150 m时热释放速率变化

图9 火源高度为220 m时热释放速率变化

从图7、8、9可以看出,不同火源高度下,热释放速率均在30 s时快速下降,K取1.0和K取1.5均能在细水雾开启后有效抑制火灾。

3.2 低压电缆井模拟结果分析

图10为低压电缆井顶部底部开门,火源位于底层的工况下,K=1.7和K=2.5时,热释放速率变化情况。在前30 s (火灾发展阶段),三种工况的热释放速率变化曲线完全一致；30 s细水雾系统启用后,曲线的变化趋势开始产生差异,其中K为2.5的工况下,热释放速率下降最快；K为1.7的工况同样具有较好的灭火效果,且在前50 s与K为2.5的工况灭火效果没有明显区别,且50 s后的差异也不大。

图10 低压井不同流量系数下热释放速率变化

无细水雾情况下,电缆火灾也会熄灭,其原因为电缆外包裹的聚合物为阻燃PVC,当火源在30 s时撤出后,火焰虽然还在向上蔓延,但因材料自身的特性,火势不断变小直至熄灭。低压电缆井由于上下贯通且没有平台阻隔,烟囱效应明显,火势发展迅速,在细水雾启动时,燃烧即将达到峰值并进入衰退阶段,故低压电缆井在灭火系统设计时要尽量缩短系统的响应时间。

4 结论

基于上述仿真结果的研究分析,可以得出以下结论。

1) 针对高压电缆井火灾的各种工况,在K=1.0和K=1.5时,均能取得较为理想的灭火效果,热释放速率可快速下降至0。因此,本着保证灭火效果并尽量节约建造成本的原则,建议K优先选择1.0,相应的喷雾强度设置为1.45 L/（min·m2）。

2) 在低压电缆井开门工况下,K=1.7和K=2.5均可以达到相似的灭火效果,只是在火灾后期有部分差异,因此,建议K优先选择1.7,相应的喷雾强度设置为0.98 L/(min·m2）。与此同时,还需要关注灭火系统的响应时间,基于低压电缆井的特性,在灭火系统设计时应尽可能缩短系统响应时间。