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城市地下综合管廊工程项目发展和火灾特点与自动灭火系统设计方案探讨之一

                                                                                           朱劲武

(北京利达海鑫灭火系统设备有限公司,北京,)

 

     摘要:介绍综合管廊的组成与特点、发展、火灾特点和综合管廊中有关消防设计要求。本设计方案探讨之一文章,只对与综合管廊配套的水喷雾、细水雾、气溶胶灭火系统的组成、灭火机理、设计参数与要求、用途建议进行了较详细的阐述。

关键词:综合管廊;水喷雾灭火系统;细水雾灭火系统;气溶胶灭火系统

 

    1概述

城市地下综合管廊,是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广电、给排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的建筑物及附属设施称综合管廊。一般隧道高24m,24m,建于地下大约6米深处。隧道平均造价为0.401.3亿元/公里。国家于2015522日颁布了GB50838-2015《城市综合管廊工程设计规范》国家标准,201561日实施。(看图片)

国内目前已建综合管廊的规模还小,与西方发达国家的规模相比还有不少差距,一旦时机成熟城市地下综合管廊将会以超常规的速度发展。地下综合管廊在国外已经有很成熟的建设经验了,但在国内这方面的研究还刚开始,在实践中有些方面经验还欠缺。

    2015年8月国务院办公厅发表了关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见。2016年李克强总理作政府工作报告时提出,2016年将开工建设城市地下综合管廊2000公里以上。综合管廊建设的重要性及必要性已提升至空前高度,不少重点城市也已出台相关的配套政策,鼓励综合管廊的建设。十三五国家重点计划中,也就城市地下综合管廊建设列入其中。国家财政部、住房城市建设部在中国建筑文化中心开展了“2016年国内地下综合管廊试点城市竞争性评审”。评审结果有15个城市入选2016年国内地下综合管廊试点城市。

2015年国家苐一批综合管廊试点城市与近期建设管廊长度:包头(26公里)、沈阳(12公里)、哈尔滨(24公里)、苏州(63公里)、厦门(39公里)、十堰(40公里)、长沙(62公里)、海口(43公里)、贵州六盘水(42公里)、甘肃白银(26公里)。

2016年国家第二批综合管廊试点城市:郑州、广州、石家庄、四平、青岛、威海、杭州、保山、南宁、银川、平潭、景德镇、成都、合肥、海东。

2城市地下综合管廊应用领域与火灾原因、发展、特点

2.1应用领域

新区建设、旧城改造、道路新(扩、改)建,在城市重要地段和管线密集区规范建设。

 2.2引起火灾主要原因

1)电缆接触不佳引起的火灾。综合管廊中电力系统中的电缆之间接头处连接出现松动现象,导致局部接触不佳,使电阻增大、发热造成火灾。

2)电缆短路引起的火灾。综合管廊中电缆是由不同的芯线组成的,各芯线存在电位差,若芯线绝缘体出现破裂、损坏就会产生放电,破裂处温度升高将产生火灾。

3)电力系统中的线路过载也将引起火灾。

 2.3综合管廊火灾的发展阶段

1)前期阴燃阶段。电缆处于阴燃阶段,可嗅到焦糊味,有少量冒烟现象。

2)早期局部小火燃烧阶段。电缆局部燃烧,开始大量冒烟。

3)中期出现明火阶段。电缆成束出现明火,并伴随大量浓烟,综合管廊内温度急剧上升,能见度明显下降,火灾沿电缆方向快速蔓延。

4)晚期火灾逐渐衰减阶段。综合管廊中火焰温度高达1000℃左右,各电缆处于轰燃阶段。电缆基本烧光后,火灾逐渐衰减熄灭。

 2.4综合管廊火灾特点

1)火势凶猛,非常迅速。电缆绝缘材料大多数是易燃物质制成,燃烧并产生有毒热浓烟。

2)扑救困难。综合管廊狭长,人员在内部行动困难,无自然采光,火灾时有毒热浓烟使可见度大大降低,使人工灭火相当困难。

3)损失严重,修复时间长,将造成的社会影响较大。

4)综合管廊火灾主要为A(可燃固体)、B(可燃液体)、C(可燃气体)、E(电气)等种类。

3降低火灾措施

3.1在容易发生火灾位置和电缆的重要部位多安装火灾探测器和电气火灾监控探测器,将火灾发现在萌芽状态。

3.2使用阻燃、难燃电缆。

3.3合理设计电缆线路。依据实际情况设计电流密度,防止过载,防止电缆温度过高产生火灾。

3.4设置动物防护网。防止小动物对电缆进行撕咬,导致电缆绝缘体破损,短路发生火灾。

4城市地下综合管廊工程技术规范消防方面设计要求与设备配套(主要条款)

1)天然气管道舱及容纳电力电缆的舱室应每隔200m采用耐火极限不低于3.0h不燃性墙体进行防火分隔。防火分隔处的门应采用甲级防火门。

2)综合管廊交叉口及各舱室交叉部位应采用3.0h的不燃性墙体进行防火分隔,分隔处采用甲级防火门。

3)综合管廊内应在沿线、人员出入口、逃生口等处设置灭火器材,灭火器材的设置间距不应大于50m,灭火器配置应按标准配置。

4)干线综合管廊中容纳电力电缆的舱室,支线综合管廊中容纳6根以上电力电缆的舱室应设置自动灭火系统;其它容纳电力电缆的舱室设置自动灭火系统。

5)综合管廊内应设正常照明和应急照明。出入口和各防火分区防火门上方应设置**出口标志灯、灯光疏散。

6)综合管廊监控与报警系统宜分环境与设备监控系统、**防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统和统一管理信息平台等。

7)监控、报警和联动反馈信号应送至监控中心。

8)综合管廊应设置**防范系统。设备集中安装地点、人员出入口、变配电间和监控中心等场所,应设置摄像机,每个防火分区应至少设置一台摄像机。摄像机设置间距不应大于100m

9)综合管廊的通风量应符合以下规定:正常通风换气次数不应小于2/h,发生事故时不应小于6/h;天然气正常时≥6/h,发生事故时≥12/h;通风口处出风风速≤5m/s。依据上述参数选型火灾探测器种类和规格。

10)干线、支线综合管廊含电力电缆的舱室应设置火灾自动报警系统。

11)应在电力电缆表层设置线型感温火灾探测器,并应在舱室顶部设置线型光纤感温火灾探测器或感烟火灾探测器。

12)天然气管道舱应设置可燃气体探测报警系统。

    5城市地下综合管廊将主要用哪些消防器材

5.1主要消防探测报警产品比较

 线型感温火灾探测器、感烟火灾探测器、线型光纤感温火灾探测器、火焰探测器、系列报警控制器等设备。

5.2主要自动灭火设备产品比较

城市地下综合管廊发生火灾时,采用不同的自动灭火设备将产生的灭火效果是不一样的,为了准确选择合适的自动灭火设备,将从产品组成、主要特点、工作原理、灭火机理、主要设计基本参数与要求、当前应用市场状况、专家用户意见等方面进行综合分析探讨后,提出用途推荐建议,仅供参考。

5.2.1水喷雾灭火系统

1)产品组成与特点

 水喷雾灭火系统由水源、供水设备、过滤器、雨淋阀组、管道及开式水雾喷头等组成,并与火灾探测报警及联动控制系统配套。系统设备安装需占用较大的地面面积和空间,安装施工复杂,施工周期长,对综合管廊各管线整体规划布局影响较大。

2)灭火机理

 利用水雾喷头使水转变成不连续的粒径不超过1mm细小水雾滴喷射出来。灭火机理主要是表面冷却、窒息、乳化和稀释作用,属物理灭火性质。可用于扑救AB(闪点>60℃)CE火灾。可以全淹没和局部灭火两种方式灭火。当综合管廊下层桥架上的电缆发生火灾,火源上方有遮挡物时,粒径不超过1mm细小水雾不能迂回障碍物,将严重影响灭火效果。灭火后将造成较严重水渍现象和触电事故产生。

3)主要设计基本参数与要求

a)水喷雾喷头工作压力≥0.35Mpa

b)灭火时响应时间≤45s

c)电缆设计喷雾强度≥13L/min.㎡;

d)持续喷雾时间≥0.4h

e)若综合管廊宽3.5m、高3.5m、长200m时,两喷头之间距离≤4.9m,共计喷头为41个左右,需蕞小水量约218.4m3。若灭火时供水量不足时,应考虑建水池,还应考虑建排水池,灭火后应及时用排水泵向外排水。

4)应用状况与专家建议

依据当前综合管廊应用状况和有关专家论文及文章介绍,主要存在如下主要原因:设备占地面面积和占用空间较大,较严重影响综合管廊各管线整体安装布局;火源上方有遮挡物时将严重影响灭火扑救效果;灭火后会造成较严重水渍现象,需及时排水;容易发生触电现象。灭火成功后,火灾不易复燃。

5)用途与建议

综合上述分析,建议综合管廊不应采用水喷雾灭火系统。若水喷雾灭火系统采用,主要对综合管廊电缆防护区进行保护。

5.2.2细水雾灭火系统

1)产品组成与特点

细水雾灭火系统由供水装置、过滤装置、控制阀、细水雾喷头等组件和供水管道组成,能自动和人工启动。依据规范要求,若综合管廊采用细水雾灭火系统,应采用中压(1.23.5Mpa)或高压(≥3.5Mpa)泵组式开式细水雾灭火系统。系统设备需占用较大的地面面积和空间,安装施工复杂,施工周期长,对综合管廊各管线整体规划布局影响较大。细水雾灭火系统日常维护比水喷雾灭火系统更难,成本更高。

2)灭火机理

利用细水雾喷头使水以很高的速度被喷射出来,被空气撕碎成不连续的粒径为0.20.4mm细小水雾滴。灭火机理主要是表面冷却、窒息、辐射阻隔和浸湿作用,属物理灭火性质。可用于扑救ABCE类火灾。可以全淹没和局部灭火两种方式灭火。开式系统采用局部灭火时,保护对象周围的气流速度不宜大于3m/s。当综合管廊下层桥架上的电缆发生火灾,火源上方有遮挡物时,粒径为0.20.4mm细小水雾也不能迂回障碍物,火灾将难扑灭。灭火后将会造成水渍现象和触电事故产生。

3)主要设计基本参数与要求

a)中、高压细水雾喷头工作压力分别为1.23.5Mpa和≥10Mpa

b)开式灭火时响应时间≤30s

c)电缆隧道中、高压蕞小喷雾强度均为≥2L/min.㎡;

d)电缆隧道持续喷雾时间≥30min

e)若综合管廊宽3.5m、高3.5m、长200m时,中、高压喷头两喷头安装间距分别为≤2.5m和≤3m,共计采用喷头数量分别为80个和57个左右。中、高压开式细水雾灭火系统需蕞小用水量均为≥42m3左右。 若灭火时供水量不足时,应考虑建水池。依据规范要求,泵组系统用水的水质不应低于现行国家标准《生活饮用水卫生标准》GB5749,也就是说水应经常更换,水质不干净,将可能堵塞喷头水雾小孔,影响灭火效果或不能喷水。还应考虑建排水池,灭火后应及时用排水泵向外排水。

4)应用状况与专家建议

目前细水雾灭火系统应用于地下综合管廊的案例不多。依据天津某消防支队和某消防科研单位细水雾灭火系统在电缆隧道中,按12比例实际情况做模拟灭火试验论文分析,当上下两层都放置有电缆的时候,由于电缆对细水雾的阻隔作用,下层的火焰更难扑灭,若下层电缆束增多,使得火焰功率也更大,因此在这种情况下火焰很难扑灭,若需要扑灭火灾,需增加细水雾喷头持续喷射时间。依据其它细水雾灭火系统实验论文和文章介绍,当火源上方有遮挡物宽度超过1m左右或喷头离火源较远时,火灾将难扑灭。若灭火成功后,火灾不易复燃。也就是说以水为介质的灭火剂,一旦灭火成功,火灾不易复燃,灭火浸渍时间可以短;以气体为介质的灭火剂,灭火成功后,火灾易复燃,一定要增长灭火浸渍时间;干粉介质的灭火剂火灾复燃性处于水与气体灭火介质之间。

5)用途与建议

综合上述分析,建议综合管廊不宜采用细水雾灭火系统。若采用细水雾灭火系统,依据有关细水雾灭火系统实验论文、文章和综合分析,建议综合管廊顶部每23m间距安装一个细水雾喷头,综合管廊两侧每层电缆桥架中间靠墙处,每23m间距同时也安装一个细水雾喷头,这样才能基本确保对各层电缆实施保护,但设计和实际安装施工难度增大,也同时增大了许多倍的灭火用水量和排水量。细水雾灭火系统从顶部和左右两侧三个方向同时对地下综合管廊和地下电缆隧道中电缆桥架各层电缆实施灭火设计方案还没有先例,还有待深入探讨研究。

5.3气溶胶灭火系统(也称气溶胶灭火装置

1)产品组成与特点

 使气溶胶发生剂通过燃烧反应产生热气溶胶灭火剂的装置称气溶胶灭火系统,也叫热气溶胶灭火装置。通常由引发器(电雷管)、气溶胶发生剂和发生器、冷却装置(剂)、反馈元件、外壳及与之配套的火灾探测装置和控制装置组成。气溶胶灭火剂发生剂,也称灭火药剂,一般由氧化剂、还原剂及添加剂组成,引发器(电雷管)通电后,引发器中的电阻丝发热引燃底火,底火燃烧使气溶胶灭火剂发生剂燃烧反应产生热气溶胶的固体化学混合药剂,该固体混合气溶胶灭火药剂粒径在1um左右。

气溶胶灭火装置行业产品标准规定:灭火装置充装气溶胶发生剂(药剂)质量大于1Kg时,喷射时间<120S;灭火装置出口温度,落地式出口5mm处温度<180℃,悬挂式出口<200℃;喷射时间,喷口处应无明火或火星或应无残渣外溢,外壳不应出现变形、烧穿现象;单具灭火装置中的气溶胶发生剂(药剂)总质量由原10㎏改为不应大于3㎏;电引发器(电雷管)通电150mA电流,持续5min,不应动作;为了确保产品**性,气溶胶灭火装置中的引发器(电雷管)和气溶胶发生剂是易燃易爆火工危险品,规定该产品和药剂在加工、使用、贮存、运输等过程中应符合国家有关法律和法规要求,并应取得相应资质。

气溶胶灭火装置按安装方式可分为落地式;也称柜式和悬挂式两种,柜式为主要结构。新标准规定柜式气溶胶灭火装置气溶胶发生剂(药剂)蕞大充装质量<3㎏,一般只能保护21.4m3防护区。气溶胶灭火剂固气混合气体从灭火装置出口喷射的距离一般为1.2m左右。悬挂式气溶胶灭火装置国内很少有,因要求气溶胶灭火剂喷射距离较远,出口压力增大,装置易发生爆炸现象。柜式气溶胶灭火装置需占用较多的地面面积,因喷射距离为1.2m左右,则每间隔3〜4m需安装该灭火装置,对综合管廊各管线整体规划布局将会造成很大影响。

2)灭火机理

气溶胶灭火剂是由氧化剂、还原剂及粘合物组合成的固体状态含能化学物质,属烟气型灭火剂。灭火机理主要是破坏燃烧链,属化学灭火,也有点降温冷却作用。可用于扑救ABCE类火灾。气溶胶喷射物和灭火分解产物的主要成分有碳酸钾、氧化钾和水,是金属盐类和金属氧化物,有一定导电性,容易引起电子设备短路。这些金属盐类和金属氧化物极易吸潮生成强碱氧化钾,对铝、锌、铜、硅有强腐蚀作用,将大大缩短设备寿命。

气溶胶灭火剂混合气体从灭火装置出口喷出1.2m距离后,由于烟雾粒径很小在1um左右,向防护区顶部聚集,将漂浮30min左右才沉降,防护区顶部短时间内的灭火浓度一般高于地面,而火灾一般发生在地面,气溶胶灭火装置的灭火效果不是很好。

(3)主要设计基本参数与要求

a)气溶胶灭火装置的设计灭火浓度标准规定不应小于0.14/ m3

b)单台灭火装置中的气溶胶发生剂质量不应大于3 ㎏,单台保护体积为21.4 m3

c)灭火装置**电流一般为150mA左右,雷电或调试安装中易误启动,应特别注意;

d)《气体设计规范》中第3.1.18条规定:“热气溶胶预制灭火系统装置的喷口高于防护区地面2.0m”这一条款规定,使气溶胶灭火装置在地下综合管廊中安装,很难找到合适的地方和位置;

e)洁净度要求较高场所不适应;

f)灭火装置启动之前,必须关闭所有通风设备,只适应于封闭场所全淹没灭火;

g)灭火装置启动后,防护区浸渍时间应大于20min

h)《气体灭火设计规范》要求,灭火装置喷口1m内,装置的背面、侧面、顶面0.2m内不得放置任何设备、器具等,以防引燃或受热损失变形;

i)为了确保**,灭火装置启动时人员必须先撤离。

4)应用状态与专家建议

a201591日公安部消防产品合格评定中心发布通知,自动灭火设备生产厂家必须获得产品3C强制性认证证书,才能生产销售,没有此证消防不许安装验收。气溶胶灭火系统(装置)属自动灭火设备,必须取3C证。由于该产品的气溶胶发生剂和引火器(电雷管)属易燃易爆火工危险品,到20161026日止仍暂停办理3C产品证书。

b2016324日在北京公安部消防产品合格评定中心会议室召开了国家强制性产品认证消防技术专家组(TC16)会议。通过领导和专家形成会议纪要,会议纪要第七条专门对气溶胶灭火装置产品进行近期和将来发展的规定,内容如下:“根据多方征求火工、民爆行业专家意见,气溶胶灭火装置的现行标准(GA499.1)缺少气溶胶发生剂危险等级规定及使用限定要求,建议该标准从速补充相关要求及规定,在标准未修改补充前,为保障**性, CCC认证工作暂不进行。”到2018520日止,气溶胶灭火系统产品行业征求意见稿正在进行中,估计需2年时间才能成为正式标准。可能该产品不准生产销售,因该产品是火工危险品。

c2012年第11期消防技术与产品信息国家消防核心期刊发表了长沙市消防支队建审科伍警官写的《S型气溶胶灭火装置在电子设备场所的应用探讨》文章。引用文章中几段,内容如下:

为了验证气溶胶的大空间灭火性能,我们采购了三个知名厂家的气溶胶灭火装置,按相关规定和标准要求,分别在300m3实验室进行灭火试验,无一灭火成功,蕞后将厂家公布的设计量放大1.5倍试验没有一次能够灭火成功。实验证明,气溶胶灭火系统在较大防护区使用达不到预定灭火目的。

虽然S型气溶胶的沉降物吸湿性明显改善,这使造成电气短路的危险大大减低,但对精密仪器而言,甚至少量灰尘都会造成致命损坏,更何况气溶胶的沉降物是金属氧化物?事实上S型气溶胶灭火装置在电子通信设备场所的使用中也确实出现过问题,如2009年发生湖南湘西自治州一移动通信信号站,因使用某公司S型气溶胶发生误喷,致局部信号中断2h。当时是使用了国内某企业落地式S型气溶胶灭火装置因故误喷,造成中兴通讯设备损坏。

几乎所有的气溶胶厂家都强调气溶胶是建设造价较低的灭火系统,回避了气溶胶有效期只有56年的客观事实,也就是说气溶胶每隔56年就要重复投资。由于七氟丙烷和IG541等不存在药剂有效期问题,因此从长期投资角度讲,气溶胶灭火系统的建设投资远大于其它气体灭火系统

我国前面几代气溶胶产品都因多起重大事故被停用,S型气溶胶在腐蚀性、绝缘性和高温性等方面有改进,但危害还是客观存在,不宜在电子设备等场所推广使用。

近几年国内许多文章、论文对气溶胶灭火装置的灭火效果、灭火装置因调试和雷电易误启动、腐蚀性、单价低均作了阐述,基本与伍警官文章中的介绍相同,这里就不在赘述了。

d)虽然《气体灭火设计规范》容许气溶胶灭火系统可以使用于一些领域,但近几年许多大型城市消防部门和移动、铁路等许多领域,下文明确严禁本地区、本领域使用气溶胶灭火系统。

5)用途与建议

综合上述分析,地下综合管廊、地下电缆隧道不应采用气溶胶灭火系统。本文对气溶胶灭火系统探讨和阐述较多,因当前有部分地下综合管廊和电缆隧道及计算机房等许多领域仍设计了气溶胶灭火系统。如湖南省长沙市地下综合管廊就是一例,本利达集团技术人员提供有关气溶胶灭火系统产品文章、资料给设计院看后,立即变更设计方案为贮压悬挂式ABC超细干粉灭火装置产品。气溶胶灭火装置本人认为真正只能用于对设备、环境、洁净度要求不高的,小于100m3以下的AE类火灾场所,如:电缆夹层、发电机房、配电间等。

6为了使各位对地下综合管廊项目消防报警、自动灭火系统的产品和设计方案进一步了解,将提供以下文章参考:

(1)  城市地下综合管廊配套消防灭火设备

(2)  探火管式灭火装置设计选型与安装

(3)  悬挂式灭火装置正确选型设计与安装使用

(4)  S型气溶胶灭火装置在电子设备场所的应用探讨_伍灿

(5)  气溶胶灭火系统的特点及应用_石峥嵘

(6)  固体微粒气溶胶灭火剂产物腐蚀性研究_李晓东

(7)  风力发电机组火灾特性与消防系统试验研究_张晋

(8)  新型超细干粉高效灭火剂及灭火系统_胡新赞

(9)  风力发电机组火灾几种灭火设备的初探

(10)细水雾灭火系统在电缆隧道中的应用研究_吴春荣