鋼廠電纜隧道水噴霧滅火系統設計及優化

李彥林

（江蘇永鋼集團有限公司，江蘇張家港 215600）

0 引言

地下電纜隧道布置有密集高壓、低壓電纜。電纜在常年運行下處于發熱狀態，且老化電纜運行過程中火災控制措施的有效性未知，火災發生后難以撲救，并難以在短時間內修復，將導致鋼廠大面積停產，進而造成巨大的經濟損失及社會影響，故需對自動噴水滅火系統對電纜隧道的保護展開研究。

《鋼鐵冶金企業設計防火標準》（GB 50414—2018）中規定在鋼鐵冶金企業中宜選用水噴霧自動滅火系統進行場所保護，但未對具體電纜隧道進行水噴霧系統參數的確定?！端畤婌F滅火系統設計規范》（GB 50129—2014）中有相關統一的規范，即最低要求對水噴霧滅火系統參數進行設定，但有些電纜隧道建造時期早、使用年限長，建設初期設計要求與如今規范要求有所差異，因此，亟需開展滅火系統綜合治理研究，對此類型電纜隧道的滅火系統進行分析并優化，以避免火災發生后造成更大事故損失，并能夠及時控制火勢以滿足電纜隧道的消防安全需求。

依托某鋼企電纜隧道工程，通過調研分析選取電纜隧道中噴水滅火系統的基礎參數設置，并對其滅火系統設計參數的有效性和科學性進行評估，從而優化系統設計以滿足電纜隧道的消防安全需求。

1 電纜隧道水噴霧系統設計

1.1 依托工程

該工程電纜隧道高約2.5 m，寬約2 m，全長約530 m，共分為10 個防火分區，用于連接廠區各處地下電纜層。內部電纜橋架為5 層，單側布置，主要電纜類型為35 kV、10 kV 與3 kV 高壓電纜、380 V 低壓動力電纜、低壓控制電纜、通訊光纜等，以第2 區為例，實體及斷面示意如圖1 所示。

圖1 5 層電纜橋架實體及斷面示意

隧道內電纜集中、數量眾多，不僅有大量的動力電纜和通信電纜，還有高壓輸配電電纜，其環境溫度較高，內部可燃物復雜，具有較大的火災危險性。并且整個電纜隧道造價高，擔負著向各部門提供動力電源和通信信號的重要職責，一旦發生火災，后果不可估量，因此擬采用水噴霧滅火系統對電纜隧道進行保護。

1.2 電纜隧道自動滅火系統關鍵參數確定

結合電纜隧道中橋架布置和電纜類型，依據《水噴霧滅火系統設計規范》（GB 50129—2014）及各項文獻研究，給出自動滅火系統布置初步方案。

供給強度、持續供給時間、響應時間文獻信息見表1，噴頭工作壓力文獻信息見表2，布置方式文獻信息見表3，流量參數文獻信息見表4。

表1 供給強度、持續供給時間、響應時間文獻信息

表2 噴頭工作壓力文獻信息

表3 噴頭布置方式文獻信息

表4 噴頭流量參數文獻信息

綜上，在規范范圍以及各研究者設計范圍內設定一個最低要求的水噴霧滅火系統參數條件，探究其滅火性能并在此基礎上進行優化，因此在供給強度、持續供給時間、響應時間和工作壓力設定一個底線值，分別為13 L/（min·m2）、0.4 h、15 s、0.35 MPa；由于電纜隧道工程左側為電纜橋架而右側為巡檢通道，設計下噴+側噴最為合適，通過噴頭設備調研以及實現隧道電纜全覆蓋選取霧化角下噴120°/側噴90°，下噴噴頭間距為1 m 且位于電纜橋架頂部1/2處，側噴噴頭間距為1.7 m 且位于巡檢通道側墻離地1.625 m 處；噴霧流量通過噴頭廠商參數選取22.5 L/min。初步方案參數如表5 所示。

表5 初步方案參數

2 水噴霧滅火性能分析

2.1 數值建模

利用FDS建立該電纜隧道5 層橋架分區隧道尺寸模型。邊界條件：混凝土隧道壁面設為“CONCRETE”；隧道兩端洞口設為與外界連通的開口邊界“OPEN”；隧道內初始溫度設為20 ℃，大氣壓設為101.325 kPa。本項目電纜的主要材料是PVC，故其火災熱釋放速率設為0.65 MW［9］，火災增長系數取為0.046 89 kW/s2?；鹪疵娣e為0.05 m2，位于電纜外表面。

網格尺寸是影響FDS 計算結果的關鍵因素。網格尺寸在1/16D*～1/4D*［10］，模擬結果與實驗結果非常吻合。本模擬采用近火源區域網格尺寸為0.25 m×0.25m×0.25m，火源遠端網格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m。

2.2 滅火性能評價指標

為充分保證該電纜隧道滅火性能，提出水噴霧滅火性能的2 個判斷指標：水噴霧全覆蓋以及穩定溫度T0。

（1）水噴霧全覆蓋?！端畤婌F滅火系統設計規范》（GB 50129—2014）第3.2.9 條：當保護對象為電纜時，水霧噴頭的布置應使水霧完全包圍電纜。

在水噴霧自動滅火系統工作時，橫向上水噴霧覆蓋至整個電纜橫斷面，尤其注重最低層電纜靠墻最內側，縱向上水噴霧覆蓋電纜隧道整個高度，如圖2 所示，以此來實現對電纜隧道的全覆蓋。

圖2 電纜隧道全覆蓋截面示意

綜上，從模擬結果云圖中查看水噴霧滅火系統中滅火介質將電纜完全包裹實現電纜隧道全覆蓋為判據，驗證其水噴霧滅火性能。

（2）穩定溫度T0。本隧道電纜主要為工作電壓＜100 kV 的ZR-YJV 型電纜，是具有阻燃特性的交聯聚乙烯護套銅芯電纜。①該電纜隧道一級報警溫度為80 ℃，二級報警溫度為150 ℃，三級報警溫度為350 ℃。②纜線芯外部材質熔點（170～190 ℃）設定為150 ℃，阻燃電纜外層護套燃點為200 ℃。

綜上，結合報警溫度以及電纜外層護套燃點，以電纜隧道中電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下為判據來驗證其水噴霧滅火性能，即T0≤150 ℃。

2.3 水噴霧滅火性能分析

設定水噴霧的啟動方式受時間控制且為5 s 啟動。從橫、縱2 個方向研究其水噴霧全覆蓋性以及溫度穩定性，模擬所得電纜隧道內水噴霧工作及溫度云圖如圖3 所示，5 層電纜橋架棚頂溫度曲線見圖4。由圖3—圖4 可得：①在25 s 時，火源溫度最高達519.39 ℃，且從火源縱向截面可以看出火勢蔓延較快，火源左側5.1m、右側5.6 m溫度已上升至140 ℃左右；②開啟水噴霧滅火系統至100 s時，火源橫、縱向截面溫度明顯降低，維持在250 ℃左右，即噴頭工作已實現橫、縱向截面的全覆蓋；③開啟水噴霧滅火系統至300 s 時，火源上方頂棚溫度已趨于穩定，375 s 時溫度達到最低，達180.13 ℃，未達到溫度降至150 ℃以下的標準。

圖3 5 層電纜橋架橫、縱向水噴霧工作及溫度云圖

圖4 5 層電纜橋架棚頂溫度曲線

綜上，針對2 區5 層電纜橋架火災區段，當在該區段發生火災時，供給強度13 L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距為1 m，側噴噴頭霧化角90°，噴頭間距為1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量22.5 L/min，此工況只能滿足其實現電纜全覆蓋，不能滿足電纜隧道中電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下這一評價指標，因此需在此基礎工況下對噴頭參數進行優化設計，以此滿足全部滅火判據，有效實現滅火。

3 水噴霧滅火系統參數優化設計

通過對初步設計參數方案進行模擬，在此初步方案下能夠對電纜隧道進行降溫，但由于電纜橋架相疊加，存在遮擋，導致水噴霧無法即時有效地覆蓋住火勢，因此在其他條件不變的情況下，增加噴霧流量，設置為30 L/min，模擬所得電纜隧道內水噴霧工作及溫度云圖如圖5 所示，5 層電纜橋架優化后棚頂溫度曲線見圖6。由圖5—圖6 可得：①在25 s 時，火源溫度最高達320.15 ℃，與優化前相比同時段溫度下降明顯；②開啟水噴霧滅火系統至100 s時，相對于優化前，火源橫、縱向截面溫度降低更快且溫度更低，維持在180 ℃左右，且噴頭工作已實現橫、縱向截面的全覆蓋；③開啟水噴霧滅火系統至180 s時，火源上方頂棚溫度已降低至150 ℃以下，達138.93 ℃，且溫度逐步降低，趨于穩定，從云圖上看已接近室溫（隧道內初始溫度設為20℃），優化后達到溫度降至150℃以下的標準。

圖5 5 層電纜橋架優化后橫、縱向水噴霧工作及溫度云圖

圖6 5 層電纜橋架優化后棚頂溫度曲線

綜上所述，經參數優化后的滅火系統供給強度13L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距1m，側噴噴頭霧化角90°，噴頭間距1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量30 L/min，可滿足滅火有效性2 個判據：①電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃以下；②水噴霧實現隧道內全覆蓋，故滅火系統參數設計合理可行。

4 結論

本文通過數值模擬對某鋼企電纜隧道工程水噴霧滅火系統設計進行了驗證和優化。研究表明：

（1）A0 基礎工況下供給強度13 L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距1m，側噴噴頭霧化角90°，噴頭間距1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量22.5 L/min，僅能實現電纜全覆蓋，不能實現電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下這一評價指標。

（2）在參數優化工況A1 下，噴霧流量優化設為30 L/min，能有效降低電纜隧道內溫度，滿足電纜橋架頂棚溫度降至150 ℃及以下這一評價指標，滿足該電纜隧道的消防安全需求。

（3）最終確定水噴霧滅火系統的最佳滅火系統參數為：水供給強度13 L/（min·m2），下噴噴頭霧化角120°，噴頭間距為1m，側噴噴頭霧化角90°，噴頭間距1.7 m，工作壓力0.34 MPa，噴霧流量30 L/min。