不同通風(fēng)條件下某水電廠電纜室火災(zāi)數(shù)值模擬分析

(國電大渡河瀑布溝水力發(fā)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(yīng)用十分廣泛。然而由于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理方面等原因，電纜火災(zāi)在電廠中時(shí)有發(fā)生，在帶來重大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也給人員和設(shè)備安全帶來了威脅[1]。電纜往往成捆設(shè)置，因此一條電纜發(fā)生火災(zāi)極易引燃其他電纜，從而造成火勢的迅速蔓延，同時(shí)電廠中電纜使用時(shí)間往往較長，設(shè)備老化等問題也成為了電纜火災(zāi)頻發(fā)的原因之一[2]。通過以上分析可以看出，電纜火災(zāi)在火災(zāi)后果以及發(fā)生概率兩個(gè)方面均具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，因此采用科學(xué)方法對電纜火災(zāi)的防控進(jìn)行分析研究具有重要的意義。

電纜火災(zāi)對于人員和設(shè)備的威脅主要是高溫?zé)煔猓l(fā)生火災(zāi)時(shí)，開啟排煙和補(bǔ)風(fēng)設(shè)備對室內(nèi)煙氣進(jìn)行有效控制是減小電纜火災(zāi)損失的有效途徑，然而分析表明，過大的進(jìn)、排風(fēng)量可能會加劇電纜火災(zāi)的蔓延，因此合理的通風(fēng)設(shè)置對于控制電纜火災(zāi)的發(fā)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(zāi)為例，利用美國NIST公司開發(fā)的火災(zāi)場模擬軟件FDS，對不同進(jìn)、排風(fēng)量情況下電纜室電纜火災(zāi)的蔓延情況以及室內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果對電纜室的排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有定性的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值計(jì)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(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動的計(jì)算流體力學(xué)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)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(zāi)為研究對象。電纜室?guī)缀纬叽鐬? m(長)×4 m(寬)×3.4 m(高)。在房間內(nèi)距地面3 m處設(shè)有一個(gè)7 m長的金屬電纜槽，電纜槽上鋪設(shè)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(zāi)情況下假設(shè)此門是開啟的。電纜室及室內(nèi)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(shù)[4]

表2 模擬工況設(shè)計(jì)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(shí)間以及火焰熄滅時(shí)間。熱電偶數(shù)量共13個(gè)，相鄰兩個(gè)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(hù)結(jié)構(gòu)材料為混凝土，電纜槽的材料為鋼鐵，電纜的材料近似設(shè)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(shè)定為高溫?zé)嵩匆茧娎|，高溫?zé)嵩幢砻鏈囟葹? 100 ℃。電纜室內(nèi)設(shè)有兩個(gè)排煙口和兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，尺寸均為0.4 m×0.4 m，模型中各個(gè)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口風(fēng)量及其位置按照模擬工況表中的要求進(jìn)行設(shè)定。

圖2 不同模擬工況下熱電偶組所測溫度隨時(shí)間變化曲線

圖3 不同模擬工況下煙氣流動穩(wěn)定后煙氣下沉情況示意圖

1.3 模擬工況設(shè)定

電纜火災(zāi)通過熱量和煙氣對電纜室內(nèi)的人員和設(shè)備安全造成影響，通風(fēng)系統(tǒng)作為火災(zāi)情況下排出室內(nèi)熱量和煙氣的有效途徑，是控制電纜火災(zāi)影響的有效手段。但是研究表明，通風(fēng)系統(tǒng)在降低火場溫度、排出火災(zāi)煙氣的同時(shí)，也會使得新鮮空氣進(jìn)入火場而造成火勢的擴(kuò)大，因此進(jìn)行合理的進(jìn)、排風(fēng)量設(shè)計(jì)，對于控制電纜火災(zāi)損失具有重要的意義。考慮通風(fēng)系統(tǒng)中不同的進(jìn)、排風(fēng)量，設(shè)計(jì)模擬工況如表 2所示。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)持續(xù)時(shí)間分析

由于模型中電纜室內(nèi)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(zāi)發(fā)展到一定程度后，火焰會因?yàn)檠鯕夂坎蛔愣纾馂?zāi)時(shí)的通風(fēng)系統(tǒng)會通過改變火場氧氣濃度而對火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生影響，因此不同工況下火災(zāi)持續(xù)時(shí)間是不同的，可通過電纜上方熱電偶組測量溫度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行分析。工況1至工況5中，熱電偶組所測溫度隨時(shí)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(shí)被引燃。模擬工況1中，由于沒有進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)，約800 s時(shí)，被引燃的電纜由于火場氧氣不足而熄滅，此時(shí)火災(zāi)為通風(fēng)控制型；在模擬工況2中，由于增加了進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)，直至1 200 s熱電偶所測溫度開始下降，即火災(zāi)開始熄滅，同時(shí)增大進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量(模擬工況3和模擬工況4)，電纜火災(zāi)仍在約1 200 s時(shí)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(zāi)類型變?yōu)榱巳剂峡刂菩汀Ｍㄟ^對圖 2(a)～圖2(c)的分析可以看出，隨著進(jìn)、排風(fēng)量的增大，盡管火災(zāi)持續(xù)時(shí)間沒有明顯變化，但是起火點(diǎn)處的熱電偶在熄火穩(wěn)定后所測得的溫度出現(xiàn)了較為明顯的降低。

2.2 煙氣蔓延情況分析

火災(zāi)煙氣具有高溫、毒性、遮光性等特性，是對火場內(nèi)最具威脅性的火災(zāi)產(chǎn)物，因此火災(zāi)后煙氣的蔓延和沉降情況對于滅火和火災(zāi)對于人員和設(shè)備的損傷具有很大影響。下面以4個(gè)模擬場景中，煙氣流動穩(wěn)定后煙氣下沉情況示意圖以及煙氣層高度隨時(shí)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(shí)間變化曲線

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

圖5 不同工況下1 000 s時(shí)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(shí)，煙氣層穩(wěn)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(shí)，煙氣層高度分別穩(wěn)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(fēng)系統(tǒng)的工況中(工況2、3、4)煙氣層高度明顯高于無通風(fēng)系統(tǒng)的工況(工況1)，同時(shí)，由工況2、3、4的模擬結(jié)果可以看出，隨著通風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)、排風(fēng)量的增加，煙氣層高度逐漸升高，即火災(zāi)危險(xiǎn)性降低。

2.3 電纜室內(nèi)溫度分析

起火房間內(nèi)溫度是表征火場危險(xiǎn)程度的一個(gè)重要參數(shù)。火場中的高溫不僅會影響人員逃生和滅火行動，同時(shí)還會對起火房間內(nèi)其他可燃物帶來威脅。當(dāng)火場溫度達(dá)到一定值時(shí)，可能會導(dǎo)致起火房間內(nèi)的所有可燃物全部燃燒，此時(shí)則達(dá)到了通常意義上的轟然狀態(tài)。本模擬中，不同工況下，1 000 s時(shí)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(zāi)情況下增加通風(fēng)系統(tǒng)可以有效降低電纜室內(nèi)起火電纜下部區(qū)域的溫度，這對于減小火災(zāi)對于人員和設(shè)備的損害具有重要意義。同時(shí)由圖 5(a)～(c)的對比可以看出，隨著進(jìn)、排風(fēng)量的增大，起火電纜下方溫度持續(xù)降低。

3 結(jié) 論

為分析通風(fēng)條件對于電纜火災(zāi)蔓延情況以及起火后室內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響，以某電廠電纜室中電纜火災(zāi)為例，利用火災(zāi)場模擬軟件FDS，對4種不同進(jìn)、排風(fēng)量的火災(zāi)工況進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，對于本模擬中此類通風(fēng)控制型的火災(zāi)，增加通風(fēng)系統(tǒng)會導(dǎo)致火災(zāi)時(shí)間的增長，但是從煙氣層沉降和室內(nèi)溫度角度分析，增加通風(fēng)系統(tǒng)可以有效降低火災(zāi)危險(xiǎn)性，同時(shí)進(jìn)、排風(fēng)量越大，火災(zāi)危險(xiǎn)性越小。通過前面的分析可以看出，通風(fēng)系統(tǒng)對于電纜火災(zāi)發(fā)展及其危險(xiǎn)性的影響是較為復(fù)雜的，因此，在對電纜室或存放有電纜的房間進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑物的實(shí)際防火需求設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)。

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

[2] 張紅玲.電纜火災(zāi)成因及防滅火技術(shù)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，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.