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电缆隧道虽然为城市发展提供了极大的便利,但由此所带来的危害也越来越严重,尤其是火灾。由于电缆本身材料中含有大量可燃物,因此极其容易引发火灾。并且一旦发生火灾,所带来的影响和损失也是极其巨大的。有鉴于此,针对电缆隧道火灾的研究,以实际电缆隧道为依据建立物理模型,运用火灾模拟软件对其进行模拟,能全面地总结归纳电缆隧道的火灾发展规律,并针对电缆隧道火灾的特点选取合适的灭火系统,从而为减少火灾发生、降低火灾损失、电缆隧道消防系统的设计提供一定的指导意义。
本文的研究可分为两大部分,重点研究部分是对电缆隧道火灾的模拟,运用建模软件PyroSim和火灾模拟软件FDS进行建模仿真,并根据模拟结果得出电缆隧道的火灾发展规律以及灭火系统的实际作用。
第一部分是对电缆隧道火灾的机理、原因和特点进行分析,并根据分析结果结合三大类灭火系统,对比各自优缺点后,选取最合适电缆隧道的灭火系统。
依据电缆隧道火灾机理,总结分析出电缆隧道内的可燃物、助燃物和着火源。通过研究结果可以得知,电缆隧道火灾的原因复杂,而最主要的原因则是电缆本身。由于电缆本身含有大量易燃材料,因此不管是由于外界火源还是电缆本身短路或过热等原因,都比较容易引起电缆着火燃烧。而由于电缆隧道一般处在无人场所,早期的燃烧比较难以发现,极易造成大规模的火灾。要预防电缆隧道火灾的发生,首先必须选择质量可靠的电缆和电缆接头,尽量选用阻燃、难燃的电缆;其次必须按照电缆隧道施工标准进行施工,保证施工质量;最后必须经常对电缆隧道内部进行维修,及时发现破损或毁坏的电缆,并保持的电缆隧道内部的通风顺畅。
由于电缆隧道结构和所处环境的原因,电缆隧道火灾具有不易被察觉、火势蔓延快、不易控制等特点。且国内10kV电压等级以下广泛应用PVC塑料电缆,在燃烧时会释放出大量含氯化氢、一氧化碳等有毒气体,烟雾浓重。大量聚集的有毒烟气不仅降低了隧道内的可见度,而且酸性气体溢出后形成的腐蚀性的沉淀物对邻近的设备会造成二次损害。并且电缆隧道结构复杂、空间狭小、发生火灾时能见度低,因此抢救十分困难,所以造成的经济损失也非常严重。
为了有效地减少电缆隧道火灾所带来的损失,选取合适的灭火系统尤为重要。目前市场上应用较广泛的灭火系统主要分为气体灭火系统、固体灭火系统和水系灭火系统三大类。早期的气体灭火系统以哈龙为代表,由于对环境危害大,已经逐渐被淘汰。而洁净气体灭火系统则由于灭火效率低,且只能做全淹没保护,因此不适用于电缆隧道消防设施的要求。固体灭火系统主要有气溶胶和超细干粉灭火系统两种,气溶胶灭火系统由于会对设备造成二次伤害、且会降低电缆隧道内的可见度;超细干粉灭火系统则由于后期更换费用过高、且容易引起爆炸等事故,因此两者都不适合。水系灭火系统主要分为水喷淋和高压细水雾喷淋两种,水喷淋由于灭火后留下的水渍较多,也可能对电气设备造成损害。而高压细水雾喷淋灭火系统则具有无毒、水源易获取、用水量小,具有强烈的吸热、辐射热阻隔及除烟性能强等优点,因此本文采用高压细水雾喷淋灭火系统作为此次研究的对象。
第二部分是对电缆隧道火灾进行模拟,主要分别采用PyroSim和FDS等计算机程序,对其模拟结果进行分析和对比研究。据模拟结果,得到电缆隧道内发生火灾时的规律,并通过与增加高压细水雾喷淋灭火系统后的模拟结果进行对比,确定该灭火设施的实际作用,为电缆隧道消防设施的设计提供参考依据。
电缆隧道发生火灾时,烟气首先以很快的速度冲向隧道顶部,然后沿着隧道顶部向四周扩散,扩散过程中慢慢下沉。火灾过程中隧道内顶部的烟气浓度比较大,底部浓度较小,且火源点上方的烟气浓度最大,烟气距离地面的高度最低为0.4m。在增加高压细水雾喷淋灭火系统后,烟气运动规律还是和没有灭火设施时的规律是一样,但是由于细水雾对烟气及电缆隧道内部的冷却降温作用,使得烟气的传播速度相比较而言缓慢了很多,并且烟气距离地面的高度也维持在1m左右,比没有灭火系统时维持的高度要高。并且由于细水雾与烟气颗粒的凝聚等物理作用,可以减少空气中的烟气颗粒,从而增加电缆隧道内部的可见度。
火灾过程中电缆隧道内的环境温度变化规律和烟气的运动规律比较类似。电缆隧道顶部的温度要高于底部,其中火源点上方的温度最高。整个火灾过程中,电缆隧道内部温度最高超过600℃,极易导致电缆顶部坍塌。在增加高压细水雾喷淋灭火系统后,由于细水雾的冷却降温作用,电缆隧道内部整体的温度都比之前要低,最高温度未超过400℃,普遍温度都维持在300℃以下,不会对电缆隧道结构造成破坏。
由于燃烧需要大量的氧气,所以燃烧过程中电缆隧道内部的氧气体积分数也是不断降低,并且电缆隧道底部的氧气浓度在火灾过程中始终是最高的。在增加高压细水雾喷淋灭火系统后,电缆隧道内部的氧气体积分数也符合底部比项部高的规律。虽然在一段时间内的氧气体积分数反而比没有灭火系统时低,但是细水雾可以延缓氧气体积分数下降速度。
火焰传播初期是纵向传播速度大于横向,此时下层火焰横向传播速度大于上层火焰横向传播速度;火灾发展一段时间后火源侧上方传播速度大于下方,非火源侧火焰是自上往下传播的。在增加高压细水雾喷淋灭火系统后,火焰的传播规律也类似于没有灭火系统时的火焰传播规律,但是此时火焰的传播速度要慢很多,并且没有传播到非火源侧。
电缆隧道火灾是一个非常复杂的过程,本文在进行研究时对于某些因素进行了简化,且由于FDS软件的局限性,因此所获得的结果和实际情况还是存在一定的误差。并且由于本人的能力和知识有限,论文只是对于电缆隧道火灾发展规律和灭火系统实际作用进行了初步的研究,尚需进一步完善。