城市地下综合管廊火灾预警系统方案设计

城市地下综合管廊火灾预警系统方案设计

田耀威 尹佳佳 程经天 张静雅 朱家正 吕淞 孙雪景

                    吉林建筑大学  吉林 长春  130118

摘要：随着城市的快速发展，城市地下综合管廊得以快速建设。由于其主要用于承载城市的电、气、热等资源，因而导致火灾隐患大。电气火灾是导致财产损失和人员伤亡的重要原因之一。随着科技的不断进步和社会的快速发展，民用建筑电气安全问题日益凸显。为了提高电气安全性并减少火灾事故的发生概率，火灾自动报警系统成为一种十分重要的解决方案。这一系统可以实时监测和检测火灾的发生，并通过及时、准确的报警功能将信息传输到相关的监控中心，以便迅速采取行动，目前已经被广泛应用。针对此问题，本文提出一种地下综合管廊火灾预警系统方案。

关键词：地下综合管廊；火灾预警；方案设计

1综合管廊火灾危险性分析

综合管廊在我国起步较晚，综合管廊技术仍然处于研究与建设起步阶段，尚未形成较完善的技术规范，在综合管廊的设计与施工中，对于火灾的预防还不够充分，相关防火标准与火灾安全的标准不完善，当前，综合管廊在城市中发挥的作用越来越重要，我国正在积极推进综合管廊的建设，此外，其内部环境的火灾隐患也成为综合管廊能否安全运营的关键。目前国内大多对综合管廊很少有完全针对综合管廊做出火灾危险识别和预警的研究，通过对综合管廊内部环境参数的监测，实现对管廊内火灾隐患的早期识别和预防；根据管廊内电力设备故障产生的相关信并息，高效的判断出问题所在，判断故障产生的类型及故障位置，即节省了故障修复的时间，还可以减少故障产生所带来的经济损失，地下综合管廊的舱室内部应设置智能管理设施,并通过物联网技术与中控平台相连,可以实时监控以保证管廊内部的专业工程管线的安全运行。结合收集的数据，要建立系统维护记录和故障分析的机制，定期记录维护工作和检查结果。通过对数据的分析，可以及时发现系统的问题和趋势，为后续的维护和改进提供依据。

1.1 电缆及通信管道舱室

舱室内的缆线过热达到着火点后，就会出现阴燃现象，其内部的缆线支架上放置有不同电压等级的电缆，当其中一根缆线出现故障发生异常情况后，随着时间发展和温度的逐渐升高出现火焰，会随着殃及到火源附近放置的缆线，在加上平时管廊内除了维保人员几乎很少人走动，因此在火灾发生的初期不易被人发现，综合管廊通常位于地下，空间形状狭长，管廊内收容有各种市政管线及附属电气设施，间距往往不足数米，管廊内可燃物密集。若在管廊内设施附近发生火灾，火焰会沿着连接处迅速扩大火灾规模。加大火势强度，扑救困难[19]。

管廊内收容的各类高压电力缆线，在运营期间发生过载、缆线短路故障、接触电阻过大等的情况下，会容易降低缆线外部绝缘保护材料的电阻，从而导致其丧失绝缘保护作用，诸如电力和通信之类的电缆通常由几组或几条绞线组成，采用绝缘壳覆盖使其相互隔离。当前市场上电缆的大多数绝缘壳和护套是聚氯乙烯、天然橡胶材料和交联聚烯烃材料，这三种材料是极易燃的，属于火灾隐患。火灾危险性为丙类。

1.2 污水管道舱室

随着技术的进步和社会的发展，地下管网的建设也越来越健全，人们生活中的各种管线如污水管道逐渐纳入综合管廊。样既节省了空间，又防止了污水排放产生的环境污染，使城市变得干净整洁。为人们的生活带来了诸多的便利。通过地下管网，人们的生活废水得以有效的排放，避免了废水污染问题的发生。但是随着管网使用时间的延长，当中的问题也日益暴露出来。限于技术、材料等客观因素，当初管网的建设存在着一定的不足，如防腐质量较差，材料大多采用钢管，而非现在广泛使用的复合非金属材料。随着土壤杂质对管线的侵蚀，管线局部出现腐蚀孔，造成了管道泄漏。而污水管道一旦泄漏，对土壤和地下水就很容易造成污染。污水管道中的有机物分解还会产生大量易燃气体，例如甲烷和一氧化碳，如果满足一定浓度，则会爆炸。

1.3 天然气管道舱室

综合管廊的建设中，天然气管道的危险系数最高，天然气及其产物大部分具有可燃性和爆炸性，一旦燃烧条件具备，就会发生火灾或有爆炸的可能。安装不当、建设不当、外部损坏、非法操作、仪表和仪表腐蚀等可能导致设施、机械、管道、设备等故障导致泄漏的发生，而这些泄露的气体混合物处于热源环境下都可能引起火灾事故的发生。当气体浓度达到爆炸极限时，也会发生爆炸事故。

天然气管道中的燃气主要成分为烷烃类，其中甲烷占很大比例，一旦浓度较大的处于空气中时对人有麻醉效果，对于平时在综合管廊内燃气舱室的管理和检修人员来说，这使得舱室内的防火工作变得更加困难，甲烷是一种一级易燃气体，满足一定条件后，燃烧和爆炸特别容易，在空气中传播得很广，火焰蔓延迅速。分析了天然气中的主要成分甲烷的物理特性，得出管廊内的天然气泄露后如若遇到明火将会发生爆炸的危险[2]，其次，根据《城市综合管廊工程技术规范》可确定天然气管道为甲类火灾危险性。

2系统总体方案设计

合理的设计和布局可以提高系统的效率和覆盖范围，确保火灾信号能够及时被检测并报警。首先，设计时需要根据建筑物的特点和用途确定系统布局和传感器数量。采用适当数量和类型的传感器，可以实现对不同火灾特征的准确检测，例如温度、烟雾或气体浓度等。布置传感器时，要考虑建筑物内不同区域的特殊要求，如天花板、墙壁、通风孔等位置。其次，考虑到火灾自动报警系统的覆盖范围，需要进行信号传输和联动。传输距离和信号质量等因素需要考虑，以确保报警信息能够可靠传输到监控中心。合理的信号传输方案可以包括有线连接、 无线通信、 互联网传输等。 最后， 系统设计还需要考虑误报率和漏报率之间的平衡。 通过合理设置传感器的灵敏度和算法的设定， 可以在尽量避免误报的同时， 提高系统的漏报率， 保持系统的准确性和可靠性。本方案设计中，系统由传感器探测系统通过对温、湿度，一氧化碳，硫化氢，氧气，甲烷等管廊内环境参数进行探测判断是否有险情发生，主控单元采用西门子 PLC S7-300 系列[25]，当出现火灾险情时，信号将传递到PLC经过处理后，传递给LabVIEW上位机监控系统，一旦检测到火灾信号等管廊异常情况后，系统将立即报警，提醒控制室的工作人员采取必要措施，此时，控制室会显示火灾信号出现的位置，以便查看是否有火灾隐患发生，进而做相应地处理。

3. 结论

在现代社会中， 民用建筑电气安全至关重要。通过分析了火灾自动报警系统在提高电气安全性方面的价值， 深入分析了该系统的关键作用， 包括火灾检测、 信息传输和处理。 为了优化电气安全， 提出了综合策略， 包括系统设计、 升级、 维护和紧急培训。 这些建议不仅有助于提高火灾安全性， 还为民用建筑中的居民和工作人员提供了更安全的环境。在不断发展的社会中， 电气安全始终是一项迫切的任务， 而火灾自动报警系统是实现这一目标的重要工具。 我们期待这些策略能够广泛应用， 确保人们在建筑内部拥有更高水平的安全保障。实验分别对综合管廊的三舱进行火灾危险性分析，然后据此对管廊火灾预警系统进行了整体方案设计，并对其方案中的硬件选型进行详细介绍，为满足课题实现系统整体方案要求。

参考文献

[1] 黎珍, 尤英俊, 杨光. 综合管廊内天然气管道的安全性探讨[J]. 煤气与热力, 2016, 36(11)：A01~A07.

[2] 李陈莹, 陈杰, 李鸿泽, 等. 地下综合管廊火灾蔓延及探测实验研究[J]. 消防科学与技术, 2019, 38(9):1258-1261.

[3] 梁荐, 郝志成. 浅议城市地下综合管廊发展现状及应对措施[J]. 城市建筑, 2013(14):286~287.

本文受吉林建筑大学大学生创新创业训练计划资助（项目号：S202310191060）