不同通風條件下某水電廠電纜室火災數值模擬分析

(國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625000)

電纜在電廠電力傳輸方面具有重要作用，在電廠中應用十分廣泛。然而由于設計、施工和運行管理方面等原因，電纜火災在電廠中時有發生，在帶來重大經濟損失的同時，也給人員和設備安全帶來了威脅[1]。電纜往往成捆設置，因此一條電纜發生火災極易引燃其他電纜，從而造成火勢的迅速蔓延，同時電廠中電纜使用時間往往較長，設備老化等問題也成為了電纜火災頻發的原因之一[2]。通過以上分析可以看出，電纜火災在火災后果以及發生概率兩個方面均具有較大的火災危險性，因此采用科學方法對電纜火災的防控進行分析研究具有重要的意義。

電纜火災對于人員和設備的威脅主要是高溫煙氣，發生火災時，開啟排煙和補風設備對室內煙氣進行有效控制是減小電纜火災損失的有效途徑，然而分析表明，過大的進、排風量可能會加劇電纜火災的蔓延，因此合理的通風設置對于控制電纜火災的發展以及減小其損失都具有重要意義。

基于以上分析，下面以某電廠電纜室中電纜火災為例，利用美國NIST公司開發的火災場模擬軟件FDS，對不同進、排風量情況下電纜室電纜火災的蔓延情況以及室內火災危險性進行了模擬分析，模擬結果對電纜室的排煙系統設計具有定性的指導意義。

1 數值計算原理及模型建立

1.1 模擬軟件簡介

FDS(fire dynamics simulator)是美國國家標準研究所(NIST)建筑火災研究實驗室開發的模擬火災中流體運動的計算流體力學軟件。該軟件采用數值方法求解火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，重點計算火災中煙氣流動和熱量傳遞過程[3]。

1.2 FDS模型建立

以某水電廠電纜室中的電纜火災為研究對象。電纜室幾何尺寸為7 m(長)×4 m(寬)×3.4 m(高)。在房間內距地面3 m處設有一個7 m長的金屬電纜槽，電纜槽上鋪設了若干松散的電纜。電纜室通過一扇1 m(寬)×2 m(高)的門與外界相連，在火災情況下假設此門是開啟的。電纜室及室內電纜模型示意如圖 1所示。

表1 模型中各種材料熱物性參數[4]

表2 模擬工況設計表

圖1 模型示意圖

模型中在電纜上方5 cm處布置了一排熱電偶，通過熱電偶的測量溫度來分析電纜引燃時間以及火焰熄滅時間。熱電偶數量共13個，相鄰兩個熱電偶間距為0.5 m，兩端熱電偶與墻壁的距離也為0.5 m。

模型中電纜室維護結構材料為混凝土，電纜槽的材料為鋼鐵，電纜的材料近似設定為塑料與銅的混合物，各種材料的熱物性如表1所示。

模型中的起火形式設定為高溫熱源引燃電纜，高溫熱源表面溫度為1 100 ℃。電纜室內設有兩個排煙口和兩個進風口，尺寸均為0.4 m×0.4 m，模型中各個進風口和排風口風量及其位置按照模擬工況表中的要求進行設定。

圖2 不同模擬工況下熱電偶組所測溫度隨時間變化曲線

圖3 不同模擬工況下煙氣流動穩定后煙氣下沉情況示意圖

1.3 模擬工況設定

電纜火災通過熱量和煙氣對電纜室內的人員和設備安全造成影響，通風系統作為火災情況下排出室內熱量和煙氣的有效途徑，是控制電纜火災影響的有效手段。但是研究表明，通風系統在降低火場溫度、排出火災煙氣的同時，也會使得新鮮空氣進入火場而造成火勢的擴大，因此進行合理的進、排風量設計，對于控制電纜火災損失具有重要的意義。考慮通風系統中不同的進、排風量，設計模擬工況如表 2所示。

2 模擬結果分析

2.1 火災持續時間分析

由于模型中電纜室內空間相對較小，且僅通過一扇1 m×2 m的門與外界連通，因此在火災發展到一定程度后，火焰會因為氧氣含量不足而熄滅，而火災時的通風系統會通過改變火場氧氣濃度而對火災的持續時間產生影響，因此不同工況下火災持續時間是不同的，可通過電纜上方熱電偶組測量溫度隨時間變化曲線進行分析。工況1至工況5中，熱電偶組所測溫度隨時間變化曲線如圖 2所示。

由圖 2可以看出，4種模擬工況下，電纜均在約200 s時被引燃。模擬工況1中，由于沒有進風和排風，約800 s時，被引燃的電纜由于火場氧氣不足而熄滅，此時火災為通風控制型；在模擬工況2中，由于增加了進風和排風，直至1 200 s熱電偶所測溫度開始下降，即火災開始熄滅，同時增大進風量和排風量(模擬工況3和模擬工況4)，電纜火災仍在約1 200 s時開始熄滅，與模擬工況2相比幾乎沒有差異，這說明，模擬工況2至模擬工況4中，火災類型變為了燃料控制型。通過對圖 2(a)～圖2(c)的分析可以看出，隨著進、排風量的增大，盡管火災持續時間沒有明顯變化，但是起火點處的熱電偶在熄火穩定后所測得的溫度出現了較為明顯的降低。

2.2 煙氣蔓延情況分析

火災煙氣具有高溫、毒性、遮光性等特性，是對火場內最具威脅性的火災產物，因此火災后煙氣的蔓延和沉降情況對于滅火和火災對于人員和設備的損傷具有很大影響。下面以4個模擬場景中，煙氣流動穩定后煙氣下沉情況示意圖以及煙氣層高度隨時間變化曲線如圖 3和圖 4所示。

圖4 不同工況下煙氣層高度隨時間變化曲線

由圖3可以定性看出，隨著通風系統中進、排風量的增大，電纜室內的煙氣穩定時的沉降高度逐漸升高。在模擬工況1中，由于沒有進、排風，煙氣層最終穩定在門的上沿處，而在模擬工況2～4中，由于增加了通風系統，因此煙氣層高度基本穩定在排煙口處，并且排風量越大，穩定后煙氣層位置越高。

圖5 不同工況下1 000 s時電纜處溫度分布

由圖 4的曲線圖可以看出，在工況1中，1 000 s左右時，煙氣層穩定在距地面約2 m位置處；在工況2至工況4中，300 s左右時，煙氣層高度分別穩定在距地面約2.8 m、2.9 m和3 m的位置處。

由以上分析可以看出：在有通風系統的工況中(工況2、3、4)煙氣層高度明顯高于無通風系統的工況(工況1)，同時，由工況2、3、4的模擬結果可以看出，隨著通風系統中進、排風量的增加，煙氣層高度逐漸升高，即火災危險性降低。

2.3 電纜室內溫度分析

起火房間內溫度是表征火場危險程度的一個重要參數。火場中的高溫不僅會影響人員逃生和滅火行動，同時還會對起火房間內其他可燃物帶來威脅。當火場溫度達到一定值時，可能會導致起火房間內的所有可燃物全部燃燒，此時則達到了通常意義上的轟然狀態。本模擬中，不同工況下，1 000 s時電纜所在截面(Y=0.4)處的溫度切片如圖5所示。

由圖 5可以看出，在火災情況下增加通風系統可以有效降低電纜室內起火電纜下部區域的溫度，這對于減小火災對于人員和設備的損害具有重要意義。同時由圖 5(a)～(c)的對比可以看出，隨著進、排風量的增大，起火電纜下方溫度持續降低。

3 結 論

為分析通風條件對于電纜火災蔓延情況以及起火后室內火災危險性的影響，以某電廠電纜室中電纜火災為例，利用火災場模擬軟件FDS，對4種不同進、排風量的火災工況進行了模擬分析，結果表明，對于本模擬中此類通風控制型的火災，增加通風系統會導致火災時間的增長，但是從煙氣層沉降和室內溫度角度分析，增加通風系統可以有效降低火災危險性，同時進、排風量越大，火災危險性越小。通過前面的分析可以看出，通風系統對于電纜火災發展及其危險性的影響是較為復雜的，因此，在對電纜室或存放有電纜的房間進行防火設計時，應根據建筑物的實際防火需求設計通風系統。

[1] 任海峰，李樹剛，林海飛，等.電纜火災致因因素分析[J].安慶師范學院學報，2009，15(3)：62-64.

[2] 張紅玲.電纜火災成因及防滅火技術[J].內蒙古科技與經濟，2006(16)：106-107.

[3] Kev In Mcgrattan, Bryan Klein, Simo Hostikka, et al. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide, 2010.

[4] F. P. Lncropera, D. P. DeWitt, T. L. Bergman and A. S. Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M]. John Wiley & Sons, 2006.