浅谈局部应用细水雾灭火系统用于保护电缆接头的实验研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：周平（1973），江苏泰州人，南京消防器材股份有限公司总工程师，高级工程师，国家一级注册消防工程师，主要从事消防产品开发与应用研究工作。-155-浅谈局部应用细水雾灭火系统用于保护电缆接头的实验研究 周 平 余家杨 林 聪 谢 斌 南京消防器材股份有限公司，江苏 南京 211112 摘要：摘要：随着城市综合管廊工程建设的发展，消防安全是急待解决的问题。该规范指出，综合管廊地下舱室火灾危险主要来自敷设的大量电力电缆。文章针对城市综合管廊电缆接头，介绍了通过建立火灾模型、灭火试验，论证采用局部应用细水雾灭火系统保护电缆接头的可行性，并提出在电缆接头区合理地设置局部应用方式的自动灭火系统，将电缆接头的初期火灾消灭在萌芽状态，即可达到有效保护全线电缆舱室的目的。关键词：关键词：综合管廊；细水雾；电缆接头；喷雾强度 中图分类号：中图分类号：TM615 从电缆火灾的危害影响程度与外援扑救难度分析，干线综合管廊中敷设的电力电缆一般主要是输电线路，电压等级高、送电服务范围广，一旦发生火灾，产生后果非常严重。电力电缆发生火灾主要是由于电力线路过载引起电缆温升超限，尤其在电缆接头处影响最为明显，最易发生火灾事故。2015 年我国住房和城乡建设部发布了 GB50838城市综合管廊工程技术规范国家标准，标准规定干线综合管廊容纳电力电缆的舱室，支线综合管廊容纳 6 根及以上电力电缆的舱室，特别在电缆接头区应设置自动灭火系统。我国现行的灭火系统技术规范，如 GB50898 细水雾灭火系统技术规范 和 GB50370 气体灭火系统设计规范 等国家标准，仅适用于全淹没管网式灭火系统。国际消防界研究试验表明，在电缆设施、机器设备间等工业场所，一处发生火灾，采用全淹没应用灭火系统，向整个防护空间喷放灭火剂，直接与火焰接触、真正用于灭火的灭火剂量，还不到喷放总量的 50%，灭火效率低、二次损失大。因此，欧美发达国家在工业场所重点防护区域，通常的做法是针对危险对象设置局部应用方式的预制灭火系统。它能早期扑灭火源，有效防止火灾的蔓延。为贯彻落实国家规范，确保综合管廊安全运行，参考国内外消防先进技术标准，针对电力电缆重点保护区域，选择技术先进、经济合理的灭火系统，通过实体火灾模拟试验，确定消防系统设计参数和计算方法，是十分有必要性和意义的。1 模型建立与试验研究 在管廊电力电缆舱中，火灾隐患的源头，实际上来自于各种电缆的接头区或接头集中区，电缆接头区中，电缆接头处，会因为接触不良，锈蚀等原因，产生局部强大电流，从而产生局部温度瞬间升高，迅速引起接头处电缆燃烧，并沿着纵向快速蔓延，引发大面积火灾。因此，在电缆接头区合理地设置局部应用方式的自动灭火系统，将电缆接头的初期火灾消灭在萌芽状态，即可有效地达到保护全线电缆舱室的目的。1.1 试验空间 试验用综合管廊电缆舱，为纵向一侧敞开的非封闭空间，长度 15m、宽度 2.8m、高度 3.8m。实验舱内设单侧 6 层电缆支架，每层间隔 550mm，支架宽度 800mm，支架底层距地面 400mm。1.2 火灾模型 在电缆支架底层布置 4 根 220KV，外径 117mm 的非阻燃外护套电力电缆，并在其上面 2 层设置与电力电缆相似的阻挡物，试验用电缆每根长度为 800mm，电缆表面设置一只热电偶。在电缆支架底层试验用电缆正下方的地面上，设置引燃用油盘，尺寸为 500 x500 x100mm,燃料为正庚烷，热释放速率为不应小于 250kW。1.3 试验程序 试验分别采用高压和中压细水雾系统进行比较试验 中国科技期刊数据库 工业 A-156-1.3.1 保护宽度验证试验（1）将细水雾喷头（高压系统采用 K1.5/10 型，中压采用 k1.7/2 型）设置在电缆支架外侧试验用电缆两侧的舱顶，距电缆支架安装墙面的距离为 1.3（高压）m、0.8m（中压），喷头布置间距为 3m（高压）、2.5m（中压），喷口朝向地面。（2）点燃油盘且预燃 1min 后，手动启动系统，观察细水雾喷放情况，并记录细水雾喷头前的工作压力和保护宽度等试验数据。1.3.2 灭火试验 为了验证预燃时间对灭火时间的影响，每种系统的灭火试验分别进行两次，预燃时间分别 2min 和 3min。（1）将细水雾喷头设置在电缆支架外侧试验用电缆两侧的舱顶，喷头布置间距为 3m（高压）、2.5m（中压），喷口朝向电缆支架的底层。（2）点燃油盘，待设定预燃时间后，手动启动系统，观察细水雾喷放情况，并记录细水雾喷头前的工作压力、灭火时间和热电偶温度曲线等试验数据。1.4 试验结果 1.4.1 保护宽度 细水雾喷头前的工作压力分别为 10MPa（高压）、2.2MPa（中压），保护宽度分别为 2.6m（高压）、1.6m（中压）。1.4.2 灭火时间 高压系统：预燃时间为 2min 的试验条件下，系统灭火时间为 59s，预燃时间为 3min 的试验条件下，灭火时间为 155s。中压系统：预燃 2min 的试验条件下，系统灭火时间为 90s，预燃时间为 3min 的试验条件下，灭火时间为 486s。1.4.3 设计喷雾强度计算 w=q/s 式中：w-设计喷雾强度(L/min m2);q-喷头的设计流量（L/min），按公式 q=k10p计算，k、p 分别为喷头的流量系数和喷头的设计工作压力；s-喷头的保护面积（m2），按公式 S=JB 计算，J、B 分别为喷头的布置间距和喷头的保护宽度 局部应用高压细水雾灭火系统的设计喷雾强度 w=q/s=k10p/s=1.5 10 10/32.6=1.92（L/minm2)局部应用中压细水雾灭火系统的设计喷雾强度：w=q/s=k10p/s=1.7 10 2.2/2.5 1.6=1.99(L/minm2)1.4.4 试验过程情况及温度数据采集 电缆燃烧中 水雾喷射灭火中 明火扑灭 图 1 电缆灭火试验（高压系统，预燃 2min）油盘预燃烧中 细水雾喷射灭火中 明火扑灭 图 2 保护宽度验证试验（高压系统）电缆燃烧中 细水雾喷射灭火中 明火扑灭 图 3 电缆灭火试验（中压系统，预燃 2min）油盘预燃烧中 细水雾喷射灭火中 明火扑灭 图 4 保护宽度验证试验（中压系统）图 5 灭火试验温度数据（中压，预燃 2min）中国科技期刊数据库 工业 A-157-图 6 灭火试验温度数据（高压，预燃 2min）2 试验结果与分析 试验结果汇总如表 1。从试验结果不难看出，高压细水雾喷头由于具有较大的冲击动能和更小的雾滴直径，因此相对于中压喷头，具有更好的火焰穿透能力和更好的冷却效果。通过试验，还可以看出，不同的预燃时间，对试验的结果是有影响的。对于电缆火，其可燃物为金属电缆芯和外保护层之间的绝热层，属于 A 类火，预燃时间长，会形成深位火灾，且在未完全燃烧的外表皮的掩护下，会形成隐蔽火。对于中压细水雾，由于水雾不能直接喷射到着火处，系统启动后，大火会在较短的时间很快被抑制、扑灭，温度传感器采集的温度曲线与第一次试验差别也不大，但试验过程中，经过目测，电缆表皮和电缆芯之间有小火，一直会持续很久。而高压细水雾因具有更好的弥散性能，水雾可绕过遮挡物，达到着火表面，起到冷却效果，因此灭火时间更短。3.讨论 3.1 不同灭火系统的比较 在本研究中，我们采用了高压和中压细水雾系统进行比较试验，以探讨它们在保护电缆接头方面的性能差异。我们发现高压细水雾系统在保护宽度方面表现出较大的优势，其保护宽度达到了 2.6 米，而中压系统仅为 1.6 米。这意味着在相同的灭火条件下，高压系统可以更有效地覆盖更广泛的区域，从而提供更大的火源覆盖范围。这一发现对于保护电缆接头区域的火源扑灭至关重要，因为电缆接头处的火灾通常起源于局部问题，需要及早扑灭以防止蔓延。在灭火时间方面，高压细水雾系统在不同预燃时间条件下都表现出较短的灭火时间。在 2 分钟的预燃时间下，高压系统的灭火时间仅为 59 秒，而在 3 分钟的预燃时间下，灭火时间为 155 秒。相比之下，中压系统在相同的预燃时间条件下的灭火时间较长，分别为 90 秒和 486 秒。这表明高压细水雾系统能够更快速地扑灭火源，降低了火势的发展速度，减少了火灾造成的损失。这对于在电缆接头区域及早扑灭初期火源，确保火势不蔓延至整个电缆舱室非常关键。3.2 灭火效率与资源利用的平衡 在考察灭火系统的性能时，必须仔细权衡灭火效率与所需资源（如水和能源）之间的关系。高压细水雾系统在保护宽度和灭火时间方面表现出色，但同时也需要更多的水资源。高压系统以 10MPa 的工作压力喷出，虽然在灭火方面效果显著，但其每分钟的设计流量相对较大，这意味着更多的水需求。考虑到水的供应和储备问题，高压系统在长时间使用下可能会面临供水压力下降和水源枯竭的挑战。相反，中压细水雾系统以较低的工作压力（2.2MPa）运行，设计流量相对较小。虽然其保护宽度较小，灭火时间较长，但在资源利用方面更加经济高效。中压系统能够更长时间地使用有限的水资源，这对于一些供水有限的区域或灭火系统长时间运行的情况至关重要。然而，这个权衡不仅仅涉及到水资源，还包括能源消耗。高压系统的喷头需要更多的压力来喷出细水雾，因此需要更多的电能来维持高压。与之相比，中压系统的电能需求较低，更符合节能环保的要求。3.3 实际应用潜力 通过本研究，我们不仅评估了高压和中压细水雾系统在电缆接头保护中的性能，还探讨了这些系统在其他工业场所和消防领域的潜在应用。首先，局部应表 1 灭火试验结果汇总表 系统 喷头压力（MPa）喷头 k系数 喷头安装间距（m）保护宽度（m）喷雾强度（L/min.m2）灭火时间（s）预燃 2min 预燃 3min 高压 10 1.5 3 2.6 1.92 59 155 中压 2.2 1.7 2.5 1.6 1.99 90 486 中国科技期刊数据库 工业 A-158-用细水雾灭火系统在类似电缆接头区域的火源控制方面具有广泛的应用前景。这种系统可以应用于工业设施、仓库、电力站、油气钻井平台等场所，其中可能存在着高温电缆或其他火源。局部应用系统能够在火源发生初期即扑灭火势，从而最大程度地减少火灾对设备和人员的危害。这种主动性的防火措施不仅提高了安全性，还能减少火灾造成的生产和经济损失。其次，考虑到细水雾系统的可调性和环保特性，这些系统也可以广泛应用于城市建筑和大型公共场所，如商场、机场、医院等。细水雾系统不仅可以用于灭火，还可以用于降低环境温度、减少烟雾扩散，提供紧急避难通道的可视性，改善火灾逃生条件。另外，细水雾系统相对于传统的全淹没系统，减少了灭火剂的使用，更加环保。这对于城市消防和建筑设计来说，是一项有潜力的技术创新，有助于提高火灾应对能力和人员安全。在未来的研究和实践中，我们还可以进一步研究细水雾系统的智能化应用。例如，结合火灾检测和监控技术，使系统能够自动感知火源并精确投放细水雾，从而更加高效地应对火灾。此外，研究人员还可以探索不同细水雾系统的材料选择，以提高系统的耐用性和可靠性。总之，局部应用细水雾灭火系统在多个领域都具有潜在的实际应用价值，为未来的消防技术和火灾安全提供了重要的方向和机会。这些潜力应用将在提高生活质量、保护财产和拯救生命方面发挥关键作用。4 结束语 通过不同压力等级的细水雾灭火系统，对电缆接头进行实体火灾模拟试验，证明了细水雾对于扑灭后电缆初期火灾具有良好的效果，而相对于中压系统，高压细水雾系统的灭火效果更佳。而预燃时间对灭火效果也有着重要的影响，预燃时间越长，完全灭火所需的时间也越长。在实际工程中，当火灾发生后，系统响应时间越长，就意味着火势发展越大，越容易形成遮挡的隐蔽火灾，系统灭火的难度将增加。因此，系统设计时，应尽量缩短系统启动响应时间。参考文献 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