T型电缆廊道探测报警有效性分析

王志远，雷 蕾，成 乾

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年来，国内外对综合管廊电缆廊道的安全越来越重视，其一旦发生火灾，不仅会严重阻碍安全生产，还会影响人们的日常生活和地方经济的发展，造成巨大经济损失[1]。为此，应在电缆廊道内合理布置火灾探测报警系统，多种系统组合使用，以便在最短时间内监测火情，减少火灾的发生。

目前，《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)和《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116—2013)都仅简单提及电缆廊道火灾报警探测器选型问题，没有针对电缆廊道具体火灾情况下探测器的选择做出具体要求。在已有的研究中，对电缆廊道进行火灾模拟与试验时，都仅采用狭长结构的隧道或管廊，并未对T型结构进行深入研究[2]。因实际工程的需要，对电缆廊道进行分支，T型廊道结构由此产生，其交叉点处既是烟气分散的场所，也是温度产生突变的重要部位。因此，针对T型电缆廊道的特定结构，采用高效组合的火灾探测报警系统，运用FDS软件模拟火灾场景，得出火灾温度场、烟气浓度分布与探测系统报警时间的相关关系，可为电缆廊道相关防火标准和规范的制修订提供理论基础。

1 电缆廊道火灾探测报警系统的选型

空间探测是针对某一场所空间范围内温度及烟气的变化，利用火灾探测系统侦测温度及烟气浓度，当达到温度及烟气报警阈值时发出报警信号，主要包括点型火灾探测系统、吸气式感烟火灾探测系统、对射式线型光束感烟探测系统等。对象探测则利用火灾探测系统对场所内布置的物体进行表面温度的实时监测，当物体出现温度异常时发出报警信号，主要包括缆式线型感温探测系统、分布式光纤感温探测系统等。

目前在电缆廊道中广泛采用的火灾报警系统主要有以下几类：缆式线型感温火灾探测系统[3]、对射式线型光束感烟探测系统、分布式光纤感温探测系统、空气采样式火灾探测系统，这四种系统的对比如表1所示。在电缆廊道中，应根据设置场所的工程环境不同，对火灾探测系统进行选择[4]。

表1 四种火灾报警系统对比

在对象探测中，针对电缆受热这一火灾隐患，应用较多的是缆式线型感温火灾探测系统和分布式光纤感温火灾探测系统。缆式线型感温探测系统可针对电缆自身发热实时监控，可靠度高、精确，安装维修方便，价格合理，但其温敏材料的性能会随着使用时间增加而降低，从而产生误报警[5]。分布式光纤感温探测系统因其光纤特性，不易受电磁干扰，但其灵敏度低，对廊道内初期火灾反应慢[6]。且在实际工程中，因分布式光纤感温火灾探测系统采用一对一保护动力电缆的方式，不利于电缆的日常检修，故对象探测应用更多的是缆式线型感温火灾探测系统。

为预防对象探测因电磁干扰而导致漏报，对阴燃所产生的烟气进行早期预警，减少火灾探测报警系统成本，笔者在电缆廊道内加装空间探测，采用点型感烟火灾探测系统与点型感温火灾探测系统，与对象探测相辅相成，以更好地保护电缆廊道安全。

2 模型建立

2.1 空间几何模型

图1 电缆廊道模型

图2 内部托架设置

2.2 参数设置

2.2.1 环境参数设置

设置环境温度为20 ℃，压力为0.1 MPa，隧道内壁由钢筋混凝土、保温层及外护管紧密结合而成，廊道右端为送风口，在机械通风情况下，改变隧道环境气流速度，风速分别为0.5，1，1.5 m·s-1。

2.2.2 火源设置

设置油盘火表面尺寸为0.5 m×0.5 m，火源热释放速率12 000 kW·m-2，火源功率3 000 kW[8]，经计算，网格尺寸为0.1 m。油盘位置分别为横竖交叉点、右横中点、下竖中点。

2.2.3 探测器布置

将空间探测设置在距离电缆廊道顶部0.01 m处，每隔5 m设置一个测点，共设置9个测点，点型感温探测系统与点型感烟探测系统测点分别记为KW1～KW9、KY1～KY9。点型感温探测器温度报警阈值为70 ℃，点型感烟探测器烟气浓度报警阈值为3.28 kg·kg-1。为简化模型、精简计算，在每层电缆桥架上间隔2 m设置一个缆式线型感温探测系统测点，8层桥架共计168个测点，记为D1～D168，温度报警阈值为70 ℃。工况设置如表2所示。

表2 工况设置表

3 模拟结果分析

3.1 T型管廊结构对报警时间的影响

对工况1模拟结果分析，总结T型管廊结构对报警时间的影响。图3是对空间探测KW1～KW9、KY1～KY9报警时间的分析与拟合曲线，拟合结果如表3所示。从图中可以看出，测点KW2、KY2报警时间出现拐点，初步分析可能是因该测点位置为T型管廊交叉点上游，烟气在交叉点分流后浓度减少，环境温升速率减慢，致使交叉点下游测点KW3、KY3报警时间延长，且拟合函数说明探测器距离火源位置越远，报警时间越长。

图3 空间探测报警时间及其拟合

表3 报警时间拟合函数

表中拟合均方差分别为0.949 7，0.950 5，该值越接近1，说明方程拟合度越高。由此可知，该阶段测点位置与报警时间的关系拟合结果较为理想。

随后取t=120 s、z=3.5 m处温度及烟气浓度切片，结果如图4、图5所示。由图4、图5可知，点燃油盘后一段时间，温度场及烟气浓度向左移动，到达交叉点后分散，交叉点处温度及烟气浓度为临界值，之后产生突变，且对比图中高温及烟气高浓度分布范围，两者几乎同步，可知远离火源端处温度主要受烟气热对流影响，火源热辐射作用较弱。

图4 火灾温度场分布

图5 烟气浓度分布

为验证T型管廊结构特点，分析交叉点烟气分散前后探测报警系统报警时间，选取三种探测系统在交叉点不同方向(右、左、下)的最早报警时间，结果见表4。

表4 交叉点处探测器报警时间

从表4看出，交叉点下方向处探测器报警时间耗时最多。结合此时的温度及烟气浓度切片图可知：在交叉点分散后，烟气直线分流比转角分流流量更大、流动更快，大部分烟气往左方向流动，导致左侧管廊内温升速率更快，三种探测器报警时间更短。

3.2 火源位置对报警时间的影响

对工况1～工况3中不同火源位置处空间探测报警时间进行分析，选取火源附近的测点(KW1～KW8与KY1～KY8)进行统计，结果见表5。由表5可知：火源位于右横中点与下竖中点两处时，探测器的报警时间(34.7 s与33.6 s、21.4 s与20.2 s、16.5 s与17.2 s、10.7 s与10.3 s)几乎相等；位于交叉点处附近的探测器报警时间相对较长，直线段测点报警时间(27.5 s、37.1 s、13.8 s、18.4 s)先于转角段报警时间(36.1 s、48.4 s、19.2 s、24.7 s)。由此可见，火源位于交叉点处报警时间最长，位于右横中点和下竖中点的报警时间相差不大。

表5 工况1～3空间探测系统探测器报警时间

对工况1～工况3中对象探测第1层电缆桥架上测点报警时间作图分析，如图6所示。由图6可知，工况1、工况2二者的曲线变化规律几乎一致，越靠近火源，报警时间越短，此时温度升高主要受火源热辐射影响，当距离火源较远且桥架上电缆处于稳定燃烧状态时，其温升速率稳定且处于较高水平，探测器报警时间相对平稳。而工况3因火源位置处的测点布置相对靠后，导致曲线拐点在后半段，其前半段测点变化规律与工况1、工况2相似。由此可知，在对象探测中，探测器报警时间几乎不受火源位置影响。

3.3 气流速度对报警时间的影响

选取工况2、工况4、工况5研究风速对报警时间的影响，对不同风速下三种系统报警最快测点的时间进行分析，如图7所示。

图6 对象探测报警时间与火源位置的关系曲线

图7 三种探测系统报警时间与气流速度的关系曲线

经拟合，三种系统报警时间与气流速度均呈二次函数关系，存在临界气流速度使得探测器报警时间最短，其值约为0.95～1.05 m·s-1。当风速小于临界气流速度时，风速增加，报警时间减少，当风速大于临界气流速度时，风速增加，报警时间延长。这是由于当气流速度小于临界气流速度时，加入的氧气含量会使得燃烧加剧，扩大火灾发展趋势，气流速度大于临界气流速度时，大量流入的低温空气以及廊道壁面的低温使得火场温度下降且加大火焰及烟气的湍流程度，其会延长初期火灾探测器的报警时间。同时，从图7可知三种系统报警时间总体规律为：点型感烟探测系统<缆式线型感温探测系统<点型感温探测系统。相比缆式线型感温系统，在阴燃时点型感烟探测系统能够更早监测火情，点型感温探测系统报警时间仅稍晚于缆式线型感温系统，但能在电磁干扰失效情况下起到替代作用，为电缆廊道安全提供二次保障。

4 结论

4.1 T型管廊交叉点处温度及烟气浓度为临界值，在交叉点分散后产生突变，烟气直线分流比转角分流流量更大、流动更快；交叉点处下方向探测器报警时间比左方向耗时更多，探测器距离火源位置越远，报警时间越长；应针对交叉点处这一薄弱位置加强防范，合理缩小空间探测的布置间距，加大探测器布置数量。

4.2 在空间探测中，火源位置对报警时间有一定的影响，火源位于交叉点处报警时间最长，位于右横中点和下竖中点的报警时间相差不大；在对象探测中，探测器报警时间几乎不受火源位置影响，且变化规律一致。

4.3 三种系统报警时间与气流速度均呈二次函数关系，探测器报警时间最短的临界气流速度约为0.95～1.05 m·s-1。

4.4 在空间探测与对象探测系统中，报警时间总体规律为：点型感烟探测系统<缆式线型感温探测系统<点型感温探测系统。由此可知，不同探测系统的报警时间长短不同，点型感烟探测系统报警时间最短，其作为空间探测的一种，是对象探测的良好补充，弥补了对象探测的不足，降低报警延迟率，可为电缆廊道提供更安全可靠的保障。