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淺談城市綜合管廊消防及配電設計的研究
任運業
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:目前，我國許多城市都在進行綜合管廊的建設，但在其設計過程中各地的綜合管廊消防設計做法不一。因此，結合某創意產業園文通路綜合管廊消防設計，分析探討了綜合管廊電力艙自動滅火設施的選用、計算和設計，旨在能夠對我國當前城市綜合管廊消防設計起到一定促進作用，同時也為業界提供一定的參考。
關鍵詞:綜合管廊；消防設計；高壓細水霧滅火系統
引言
19世紀歐洲開始建設綜合管廊，目前主要發達國家已經建成了許多完善的綜合管廊網絡。而我國綜合管廊建設發展則較慢，至2013年才開始大規模建設，科研人員對綜合管廊的滅火消防系統的研究與探討也較少，直至*近幾年綜合管廊修建熱潮的興起，諸多研究人員開始對綜合管廊的消防進行了專門研究，并取得了一系列成果。
國內早期的研究內容主要在是否設置自動滅火系統方面，從初期小型綜合管廊不設自動滅火裝置、大規模管廊建議設置自動滅火裝置到后期業內人士普遍認同設置自動滅火裝置，直到2015年GB50838—2015《綜合管廊工程技術規范》的發布，電纜艙室設置自動滅火系統才成為設計人員的共識，但具體采用哪種自動滅火系統還有很大的分歧。截至目前，諸多學者在設計以及運維過程中，對氣溶膠系統、水噴霧系統、氣體滅火系統、高壓細水霧系統和超細干粉系統的滅火原理、設計、運維以及投資進行了對比，得出了許多成果。筆者結合某創意產業園綜合管廊（以下簡稱文通路綜合管廊）消防設計，對其進行探討。
某綜合管廊工程位于產業園中部沿線，主管廊總長5292.824m，為3艙形式，含燃氣艙、綜合艙、電力艙。根據入廊管線需求和施工工法，確定綜合管廊為多跨箱型框架結構。各艙室布置形式如下：標準段為2.7m寬電力艙+6.5m寬綜合艙+1.8m寬燃氣艙，各艙室均高 3.6 m，人行通道不小于 1 m。具體平面布置以及標準橫斷面見圖 1。
圖1 文通路綜合管廊工程標準橫斷面圖
火災分析
該工程燃氣艙內納入了燃氣管線；綜合艙內納入了給水、生態用水、通信和熱力管線，預留了直飲水、再生水管線空間；電力艙內納入了10kV、110kV電力管線，預留了220kV電力管線空間。筆者在對上述入廊管線分析后認為，電力艙的電力管線是導致管廊火災發生的主要原因。其中，引起火災的因素有：
1）電力管線起火。①電力管線對地短路。②電力管線相位間短路。③線路過載。
2）現場施工的誤操作。
3）高壓電力管線因火災而斷電后，仍有余壓，存在著觸電危險。
4）火災發生后，由于艙內管線集中，著火點會形成火流而迅速燃燒，并沿電力管線快速蔓延至其他區域。
5）由于電力管線燃燒后會產生大量有害氣體，加大了管廊火災的撲救難度。
此外，火災損失以電力管線、電信管線、附屬照明物等為主，人員損失的可能性較小。
綜合管廊消防措施
根據GB50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》結合DL/T5221—2016《城市電力電纜線路設計技術規定》以及GB50116—2013《火災自動報警系統設計規范》的要求，文通路綜合管廊主要消防措施有以下幾項：
1）管廊防火分隔間距按照200m考慮，防火分區之間通過常閉防火門連通。
2）電力艙的防火門為常閉型防火門，在每個防火門設置1套防火門監控模塊。防火門的開啟、關閉及故障狀態信號通過防火門監控模塊反饋至防火門監控器。電力艙采用火災自動報警系統。
3）管廊采用機械進風，機械排風系統，各艙風機獨立設置。
4）綜合管廊的承重結構體和防火墻的燃燒性能均為不燃燒體，耐火極限按照不低于3.0h設計。
5）該工程中電力艙、綜合艙、燃氣艙根據火災危險性分類劃分為不同的危險類別，即：電力艙為丙類，定性為中危險級；綜合艙為丙類，定性為輕危險級；燃氣艙為甲類，定性為嚴重危險級。
根據所定的危險等級以及火災情況，其中綜合艙、燃氣艙除設置滅火器、消防通風排煙機自動報警系統外不再設置其他的消防設施；電力艙除設置滅火器、消防通風排煙機自動報警系統外還需要設置自動消防設施。
6）設計范圍內的綜合艙、燃氣艙、電力艙和連接通道均需要設置手提滅火器。其中：燃氣艙按C類氣體火災考慮，*大保護距離不大于15m，設置磷酸銨鹽干粉滅火器MF/ABC5；綜合艙、電力艙按A類固體火災考慮，*大保護距離不大于20m，設置磷酸銨鹽干粉滅火器MF/ABC3。
電力艙消防方案選擇
根據綜合管廊火災分析，綜合管廊電力艙的電力管線是導致管廊火災的主要原因，因此消防方案主要針對電力艙的滅火系統進行設計。根據電力艙火災特點以及相關主管部門意見，結合國家和地方相關規范和規定，能夠符合電力艙消防要求的滅火系統有：水噴霧滅火系統、超細干粉滅火、高壓細水霧滅火系統、泡沫滅火系統等。以上幾種滅火系統對比見表1。
經對比后決定該工程不采用泡沫滅火系統和水噴霧滅火系統，而高壓細水霧滅火系統和超細干粉滅火系統需對以下幾方面進行比選后，再確定*終的電力艙消防方案。
1）可靠性分析。
高壓細水霧滅火系統的開啟有自動控制、手動控制和應急操作控制3種方式，因此開啟的可靠性較高。超細干粉滅火系統根據相關規定當空間高度超過4m時要分層安裝；全淹沒保護時獨立防護區容積不宜大于2000m3、面積不宜大于500㎡，而根據文通路綜合管廊的標準平面圖，200m的防火分區，則需74具，當溫感探測器探知到火警時，同時開啟防火分區內自動滅火器滅火。
由于超細干粉儲存在氣壓罐內，有效噴灑時間不超過5s，自動滅火器串聯使用，只要1具滅火器失效，就導致防火區間的噴灑濃度達不到設計要求，難以保證撲滅效果。而高壓細水噴霧滅火系統的持續噴霧時間至少為30min，即便系統某一個或幾個噴頭不噴水，也可以保證滅火區域的窒息滅火。
因此從產品可靠性分析而言，高壓細水霧滅火系統可靠性較高。
2）后期維護管理。
根據相關消防要求，高壓細水霧滅火系統的日常維護管理采取的是試運行的方式進行，每月試驗性啟動1次水泵，每年檢測消防控制中心火災自動報警裝置以及聯動裝置的運行情況，這種管理，簡單方便、直接有效、工作量少。
超細干粉滅火器只能間接檢查，不能直接試用；根據相關規范，地下綜合管廊其滅火器應每半個月檢查1次，但超細干粉自動滅火器懸掛在綜合管廊頂部，檢查費時費力，同時滅火器還需每隔一定時間維修和更換，后期維護管理繁瑣且費用較高。
3）環保要求。
高壓細水霧滅火系統滅火介質為水，而超細干粉滅火劑平均粒徑小，不分解、不吸濕、不結塊，干粉噴灑于空氣中能見度低，影響管廊內人員逃生。
因此，經與消防部門溝通，綜合考慮滅火效果、初始投資和后期維護管理等因素，并兼顧文通路綜合管廊空間較大的特性，*終選用高壓細水霧滅火系統。
高壓細水霧滅火系統滅火機理、系統組成、控制方式及工作原理圖
（1）滅火機理
高壓細水霧可以快速使被噴灑的對象冷卻，隔絕外界的熱輻射，其工作壓力為10MPa，用水量卻為傳統的1％，但起到作用是其他系統的2～3倍，因此其機理可以概況為表面冷卻、窒息滅火、阻隔熱輻射、沖擊乳化以及稀釋作用。
（2）系統組成
1）高壓細水霧滅火系統由泵組單元、補水增壓裝置、穩壓泵、不銹鋼水箱、區域控制閥、細水霧噴頭、供水系統和不銹鋼管道、閥門等組成。泵組單元由主泵、安全溢流閥、閥件、機架等組成。
2）高壓細水霧滅火裝置控制柜具有自動、手動2種控制方式，同自動報警系統聯動控制，收到報警信號后控制泵組啟動，并向控制中心反饋泵組運行信息。
3）區域控制閥安裝于每個防護區的進水管處，具有手動和自動2種控制方式，受消防中心控制，向消防中心反饋信息。
（3）控制方式正常情況下，系統處于待命狀態，泵組單元不啟動，區域控制閥后的高壓管網內沒有水。高壓細水霧滅火系統同火災報警系統聯動，有自動和手動2種控制方式
（4）開式系統工作原理（見圖2）。
高壓細水霧滅火系統的計算
（1）設計概況
該工程共設2套高壓細水霧滅火系統，主要防護區域為電力艙、用戶支管廊。第1套系統作用范圍為K0+190—K2+380，第2套系統作用范圍為K2+380—K5+480；總保護長度約為6323m，電力艙寬度為2.7m，用戶支管廊寬度為2.6m。
（2）防火分區
綜合管廊內設防火分區，每個防火分區長度不超過200m；電力艙與綜合艙分別為獨立防火分區，每個防火分區間以防火墻配防火門隔斷。各防火分區內設1個緊急出入口。
（3）高壓細水霧用水量計算
噴頭的設計參數根據相關規范規定，采用全淹沒應用方式開式系統的噴頭，其水量計算參數見表2。
根據表2，確定*終計算參數：
噴頭的工作壓力≥10.0MPa；
噴頭的安裝高度h≤3.0m；
系統的*小噴霧強度1.0L/（min·㎡）；
噴頭的*大布置間距3.0m。
系統設計及選型
系統流量計算單個噴頭計算流量q=K*根號10P。
式中：q為單個噴頭的流量，L/min；P為噴頭壓力，MPa，取*不利點工作壓力為10MPa；K為噴頭流量系數，取0.7。
系統計算流量
式中：Qj為系統的計算流量，L/min；n為系統啟動后同時噴霧的噴頭數量；qi 為某個細水霧噴頭的計算流量，L/min。
開式系統的計算
根據管廊平面設計，每個防火分區長度不超過200m，所以*大分區保護長度為200m，保護長度分別為104m和96m，噴頭數量分別為36個和34個，其中在高壓單向閥相交處管道共用10個噴頭，所以*大分區噴頭數量為75個。管廊分區管網系統見圖3。
*大開式系統*大流量區域設置75只K=0.7的細水霧噴頭，按該區域的末端噴頭工作壓力為10MPa計，其他噴頭壓力則高于10MPa。根據相關計算分析，該區域內的噴頭都按照10MPa計算，總計誤差不足5%，可忽略不計。
由以上計算可知，系統設計流量Qs=525L/min。
4）泵組單元選型
選用細水霧滅火裝置1套，型號為XSW-BZ130/16；裝置配泵組單元4套，3用1備。
泵組單元參數：Q=130L/min，P=16MPa，N=37kW。
穩壓泵2套（1用1備）：Q=10L/min，P=1.6MPa，N=0.75kW。泵組單元的進水壓力不低于0.2MPa，不高于0.6MPa。為保證泵組單元正常工作，在其進水口處設置補水增壓裝置2套（1用1備），Q≥520L/min，H≥20m。
5）儲水量計算
We=Qs×t。式中：We為儲水量，L；Qs為系統設計流量，L/min；t為持續噴霧時間，應取15min。
系統用水量We=Qs×t=525×15=7875L。
根據系統用水量選用8m3水箱。
（3）自動消防設計
納入電力管線的電力艙采用全淹沒式高壓細水霧滅火方式和火災自動報警系統。
經計算，電力艙消防設置為每3km左右設置泵房1套，共設置2套高壓細水霧泵組。高壓細水霧泵房示意圖見圖4。高壓細水霧噴頭安裝于電力艙艙頂正中央處，高壓細水霧斷面圖見圖5、6。
圖4 高壓細水霧泵房示意圖
AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺
平臺概述
AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。
平臺組成
安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。
平臺拓撲圖
平臺子系統
4.1電力監控
電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
4.2環境監測
環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統完成管廊環境綜合監控。
4.3馬達監控
馬達監控實現對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實現對電機過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監測和報警。在需要的情況下可以設置聯動控制。
4.4電氣安全
AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。
4.5智能照明控制
防火分區單獨控制，分區內設置智能控制面板就地驅動器；開關驅動器連接消防報警系統，接收消防報警信息，強制打開驅動器回路。
廊內上方安裝智能照明傳感器，使人員進入管廊內自動開啟燈具，在管廊內停留燈具保持常亮，離開后燈具關閉。
除了現場的控制方式外，還可用電腦端實現集中控制，實時遠程監控當前區域的照明情況，必要時可遠程控制該區域的照明。
考慮現場模塊分布較廣，距離過長，除了現場的控制方式外，還可用電腦端實現集中控制，實時遠程監控當前區域的照明情況，必要時可遠程控制該區域的照明。
系統支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，支持延時控制，避免同時亮燈負荷對配電系統造成沖擊。模塊不依賴系統，可獨立工作，每個模塊均自帶時間模塊，可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能。
相關平臺部署硬件選型清單
結語
在綜合管廊工程消防設計中，電力艙自動滅火系統是設計難點之一。鄭州國際文化創意產業園文通路綜合管廊通過比較選擇，*終確定采用高壓細水霧系統作為電力艙的消防滅火設施。該系統具有良好的電絕緣性能和冷卻、窒息、隔離輻射熱的效果，其綜合滅火性能強且用水量小，無毒害，能較好地滿足綜合管廊設計規范的要求，因此可以廣泛應用于綜合管廊電力艙消防系統中。
截至目前，文通路綜合管廊工程已經完成設計，處于施工階段，希望筆者的經驗能給同類工程案例提供一定參考。
參考文獻
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安科瑞電氣股份有限公司.
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高艷云，艾封年，千雪峰，喬海兵.綜合管廊消防設計的探討.
作者簡介
任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智慧用電的研發與應用。
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