浅谈城市综合管廊消防及配电设计的研究

时间：2023-08-21作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：261

关键词:综合管廊；消防设计；高压细水雾灭火系统
引言
       19世纪欧洲开始建设综合管廊，目前主要发达国家已经建成了许多完善的综合管廊网络。而我国综合管廊建设发展则较慢，至2013年才开始大规模建设，科研人员对综合管廊的灭火消防系统的研究与探讨也较少，直至*近几年综合管廊修建热潮的兴起，诸多研究人员开始对综合管廊的消防进行了专门研究，并了一系列成果。
       国内早期的研究内容主要在是否设置自动灭火系统方面，从初期小型综合管廊不设自动灭火装置、大规模管廊建议设置自动灭火装置到后期业内人士普遍认同设置自动灭火装置，直到2015年GB50838—2015《综合管廊工程技术规范》的发布，电缆舱室设置自动灭火系统才成为设计人员的共识，但具体采用哪种自动灭火系统还有很大的分歧。截至目前，诸多学者在设计以及运维过程中，对气溶胶系统、水喷雾系统、气体灭火系统、高压细水雾系统和细干粉系统的灭火原理、设计、运维以及投资进行了对比，得出了许多成果。笔者结合某创意产业园综合管廊（以下简称文通路综合管廊）消防设计，对其进行探讨。


       某综合管廊工程位于产业园中部沿线，主管廊总长5292.824m，为3舱形式，含燃气舱、综合舱、电力舱。根据入廊管线需求和施工工法，确定综合管廊为多跨箱型框架结构。各舱室布置形式如下：标准段为2.7m宽电力舱+6.5m宽综合舱+1.8m宽燃气舱，各舱室均高 3.6 m，人行通道不小于 1 m。具体平面布置以及标准横断面见图 1。



图1 文通路综合管廊工程标准横断面图
火灾分析
       该工程燃气舱内纳入了燃气管线；综合舱内纳入了给水、生态用水、通信和热力管线，预留了直饮水、再生水管线空间；电力舱内纳入了10kV、110kV电力管线，预留了220kV电力管线空间。笔者在对上述入廊管线分析后认为，电力舱的电力管线是导致管廊火灾发生的主要原因。其中，引起火灾的因素有：
1）电力管线起火。①电力管线对地短路。②电力管线相位间短路。③线路过载。
2）现场施工的误操作。
3）高压电力管线因火灾而断电后，仍有余压，存在着触电危险。
4）火灾发生后，由于舱内管线集中，着火点会形成火流而*燃烧，并沿电力管线快速蔓延至其他区域。
5）由于电力管线燃烧后会产生大量有害气体，加大了管廊火灾的扑救难度。
       此外，火灾损失以电力管线、电信管线、附属照明物等为主，人员损失的可能性较小。
综合管廊消防措施
       根据GB50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》结合DL/T5221—2016《城市电力电缆线路设计技术规定》以及GB50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》的要求，文通路综合管廊主要消防措施有以下几项：
1）管廊防火分隔间距按照200m考虑，防火分区之间通过常闭防火门连通。
2）电力舱的防火门为常闭型防火门，在每个防火门设置1套防火门监控模块。防火门的开启、关闭及故障状态信号通过防火门监控模块反馈至防火门监控器。电力舱采用火灾自动报警系统。
3）管廊采用机械进风，机械排风系统，各舱风机独立设置。
4）综合管廊的承重结构体和防火墙的燃烧性能均为不燃烧体，耐火限按照不3.0h设计。
5）该工程中电力舱、综合舱、燃气舱根据火灾危险性分类划分为不同的危险类别，即：电力舱为丙类，定性为中危险级；综合舱为丙类，定性为轻危险级；燃气舱为甲类，定性为严重危险级。
       根据所定的危险等级以及火灾情况，其中综合舱、燃气舱除设置灭火器、消防通风排烟机自动报警系统外不再设置其他的消防设施；电力舱除设置灭火器、消防通风排烟机自动报警系统外还需要设置自动消防设施。
6）设计范围内的综合舱、燃气舱、电力舱和连接通道均需要设置手提灭火器。其中：燃气舱按C类气体火灾考虑，*大保护距离不大于15m，设置磷酸铵盐干粉灭火器MF/ABC5；综合舱、电力舱按A类固体火灾考虑，*大保护距离不大于20m，设置磷酸铵盐干粉灭火器MF/ABC3。
电力舱消防方案选择
       根据综合管廊火灾分析，综合管廊电力舱的电力管线是导致管廊火灾的主要原因，因此消防方案主要针对电力舱的灭火系统进行设计。根据电力舱火灾特点以及相关主管部门意见，结合国家和地方相关规范和规定，能够符合电力舱消防要求的灭火系统有：水喷雾灭火系统、细干粉灭火、高压细水雾灭火系统、泡沫灭火系统等。以上几种灭火系统对比见表1。



       经对比后决定该工程不采用泡沫灭火系统和水喷雾灭火系统，而高压细水雾灭火系统和细干粉灭火系统需对以下几方面进行比选后，再确定*终的电力舱消防方案。
1）可靠性分析。
       高压细水雾灭火系统的开启有自动控制、手动控制和应急操作控制3种方式，因此开启的可靠性较高。细干粉灭火系统根据相关规定当空间高度过4m时要分层安装；全淹没保护时独立防护区容积不宜大于2000m³、面积不宜大于500㎡，而根据文通路综合管廊的标准平面图，200m的防火分区，则需74具，当温感探测器探知到火警时，同时开启防火分区内自动灭火器灭火。
       由于细干粉储存在气压罐内，有效喷洒时间不过5s，自动灭火器串联使用，只要1具灭火器失效，就导致防火区间的喷洒浓度达不到设计要求，难以保证扑灭效果。而高压细水喷雾灭火系统的持续喷雾时间至少为30min，即便系统某一个或几个喷头不喷水，也可以保证灭火区域的窒息灭火。
       因此从产品可靠性分析而言，高压细水雾灭火系统可靠性较高。
2）后期维护管理。
       根据相关消防要求，高压细水雾灭火系统的日常维护管理采取的是试运行的方式进行，每月试验性启动1次水泵，每年检测消防控制中心火灾自动报置以及联动装置的运行情况，这种管理，简单方便、直接有效、工作量少。
       细干粉灭火器只能间接检查，不能直接试用；根据相关规范，地下综合管廊其灭火器应每半个月检查1次，但细干粉自动灭火器悬挂在综合管廊部，检查费时费力，同时灭火器还需每隔一定时间维修和更换，后期维护管理繁琐且费用较高。
3）环保要求。
       高压细水雾灭火系统灭火介质为水，而细干粉灭火剂平均粒径小，不分解、不吸湿、不结块，干粉喷洒于空气中能见度低，影响管廊内人员逃生。
       因此，经与消防部门沟通，综合考虑灭火效果、初始投资和后期维护管理等因素，并兼顾文通路综合管廊空间较大的特性，*终选用高压细水雾灭火系统。
高压细水雾灭火系统灭火机理、系统组成、控制方式及工作原理图
（1）灭火机理
       高压细水雾可以快速使被喷洒的对象冷却，隔绝外界的热辐射，其工作压力为10MPa，用水量却为传统的1％，但起到作用是其他系统的2～3倍，因此其机理可以概况为表面冷却、窒息灭火、阻隔热辐射、冲击乳化以及稀释作用。
（2）系统组成
1）高压细水雾灭火系统由泵组单元、增压装置、稳压泵、不锈钢水箱、区域控制阀、细水雾喷头、供水系统和不锈钢管道、阀门等组成。泵组单元由主泵、安全溢流阀、阀件、机架等组成。
2）高压细水雾灭火装置控制柜具有自动、手动2种控制方式，同自动报警系统联动控制，收到报警信号后控制泵组启动，并向控制中心反馈泵组运行信息。
3）区域控制阀安装于每个防护区的进水管处，具有手动和自动2种控制方式，受消防中心控制，向消防中心反馈信息。
（3）控制方式正常情况下，系统处于待命状态，泵组单元不启动，区域控制阀后的高压管网内没有水。高压细水雾灭火系统同火灾报警系统联动，有自动和手动2种控制方式
（4）开式系统工作原理（见图2）。



高压细水雾灭火系统的计算
（1）设计概况
       该工程共设2套高压细水雾灭火系统，主要防护区域为电力舱、用户支管廊。*1套系统作用范围为K0+190—K2+380，*2套系统作用范围为K2+380—K5+480；总保护长度约为6323m，电力舱宽度为2.7m，用户支管廊宽度为2.6m。
（2）防火分区
       综合管廊内设防火分区，每个防火分区长度不过200m；电力舱与综合舱分别为独立防火分区，每个防火分区间以防火墙配防火门隔断。各防火分区内设1个紧急出入口。
（3）高压细水雾用水量计算
       喷头的设计参数根据相关规范规定，采用全淹没应用方式开式系统的喷头，其水量计算参数见表2。



根据表2，确定*终计算参数：
      喷头的工作压力≥10.0MPa；

      喷头的安装高度h≤3.0m；
      系统的*小喷雾强度1.0L/（min·㎡）；
      喷头的*大布置间距3.0m。
系统设计及选型
      系统流量计算单个喷头计算流量q=K*根号10P。
式中：q为单个喷头的流量，L/min；P为喷头压力，MPa，取*不利点工作压力为10MPa；K为喷头流量系数，取0.7。
系统计算流量



式中：Qj为系统的计算流量，L/min；n为系统启动后同时喷雾的喷头数量；qi 为某个细水雾喷头的计算流量，L/min。
开式系统的计算
        根据管廊平面设计，每个防火分区长度不过200m，所以*大分区保护长度为200m，保护长度分别为104m和96m，喷头数量分别为36个和34个，其中在高压单向阀相交处管道共用10个喷头，所以*大分区喷头数量为75个。管廊分区管网系统见图3。



*大开式系统*大流量区域设置75只K=0.7的细水雾喷头，按该区域的末端喷头工作压力为10MPa计，其他喷头压力则10MPa。根据相关计算分析，该区域内的喷头都按照10MPa计算，总计误差不足5%，可忽略不计。



由以上计算可知，系统设计流量Qs=525L/min。
4）泵组单元选型
      选用细水雾灭火装置1套，型号为XSW-BZ130/16；装置配泵组单元4套，3用1备。
泵组单元参数：Q=130L/min，P=16MPa，N=37kW。
稳压泵2套（1用1备）：Q=10L/min，P=1.6MPa，N=0.75kW。泵组单元的进水压力不0.2MPa，不0.6MPa。为保证泵组单元正常工作，在其进水口处设置增压装置2套（1用1备），Q≥520L/min，H≥20m。
5）储水量计算
       We=Qs×t。式中：We为储水量，L；Qs为系统设计流量，L/min；t为持续喷雾时间，应取15min。

系统用水量We=Qs×t=525×15=7875L。
根据系统用水量选用8m³水箱。
（3）自动消防设计
       纳入电力管线的电力舱采用全淹没式高压细水雾灭火方式和火灾自动报警系统。
       经计算，电力舱消防设置为每3km左右设置泵房1套，共设置2套高压细水雾泵组。高压细水雾泵房示意图见图4。高压细水雾喷头安装于电力舱舱正*处，高压细水雾断面图见图5、6。



图4 高压细水雾泵房示意图





AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台
平台概述
        AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。
平台组成
       安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、、有序的要求。

平台拓扑图





平台子系统
4.1电力监控
       电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。



4.2环境监测
       环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的第三方系统完成管廊环境综合监控。





4.3马达监控
       马达监控实现对管廊电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，实现对电机过载、短路、缺相、漏电等异常情况的保护、监测和报警。在需要的情况下可以设置联动控制。



4.4电气安全
       AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。



4.5智能照明控制
       防火分区单独控制，分区内设置智能控制面板就地驱动器；开关驱动器连接消防报警系统，接收消防报警信息，强制打开驱动器回路。
       廊内上方安装智能照明传感器，使人员进入管廊内自动开启灯具，在管廊内停留灯具保持常亮，离开后灯具关闭。
       除了现场的控制方式外，还可用电脑端实现集中控制，实时远程监控当前区域的照明情况，必要时可远程控制该区域的照明。
      考虑现场模块分布较广，距离过长，除了现场的控制方式外，还可用电脑端实现集中控制，实时远程监控当前区域的照明情况，必要时可远程控制该区域的照明。
      系统支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，支持延时控制，避免同时亮灯负荷对配电系统造成冲击。模块不依赖系统，可独立工作，每个模块均自带时间模块，可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能。




相关平台部署硬件选型清单
电力监控及配电室环境监控系统















结语
       在综合管廊工程消防设计中，电力舱自动灭火系统是设计难点之一。郑州文化创意产业园文通路综合管廊通过比较选择，*终确定采用高压细水雾系统作为电力舱的消防灭火设施。该系统具有良好的电绝缘性能和冷却、窒息、隔离辐射热的效果，其综合灭火性能强且用水量小，害，能较好地满足综合管廊设计规范的要求，因此可以广泛应用于综合管廊电力舱消防系统中。
       截至目前，文通路综合管廊工程已经完成设计，处于施工阶段，希望笔者的经验能给同类工程案例提供一定参考。
参考文献
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[5]安科瑞综合管廊能效管理系统解决方案.2020.06版.
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