城市綜合管廊電纜火災(zāi)CFD數(shù)值模擬研究

王方舜

(武漢市消防支隊(duì)，湖北 武漢 430020)

城市綜合管廊電纜火災(zāi)CFD數(shù)值模擬研究

王方舜

(武漢市消防支隊(duì)，湖北 武漢 430020)

城市綜合管廊是城市的生命線工程，一旦發(fā)生電纜火災(zāi)，不僅會(huì)造成管廊結(jié)構(gòu)的破壞，還會(huì)影響城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)用CFD模擬技術(shù)建立綜合管廊模型，對(duì)綜合管廊內(nèi)電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析防火分區(qū)間距對(duì)電纜火災(zāi)的影響，得到不同工況下的管廊內(nèi)熱釋放速率、管廊內(nèi)溫度分布、管廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散及一氧化碳濃度分布等情況。所得結(jié)論可為城市綜合管廊設(shè)計(jì)及消防決策提供依據(jù)。

城市綜合管廊；電纜火災(zāi)；能見(jiàn)度；溫度分布；防火分區(qū)

0 引言

城市綜合管廊，是建于城市地下可容納諸多管線的市政公用設(shè)施，敷設(shè)有電力、熱力、給排水等市政管線，可將各類管線統(tǒng)一安裝、監(jiān)測(cè)、整合管理，是現(xiàn)代化城市的重要“生命線工程”[1]。管廊內(nèi)火災(zāi)隱患眾多，一旦發(fā)生火災(zāi)，大量電纜管線會(huì)導(dǎo)致火勢(shì)的迅速擴(kuò)張、煙氣迅速蔓延，造成人員及財(cái)產(chǎn)損失較大。比如2001年上海市電纜隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，2008年赤峰市供電隧道內(nèi)發(fā)生電纜火災(zāi)，導(dǎo)致市區(qū)大面積斷電；2012年?yáng)|莞市紙廠地下電纜爆炸后引發(fā)火災(zāi)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前國(guó)內(nèi)綜合管廊相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還不完善，因此，為提高管廊行業(yè)發(fā)展的安全保障，逐步完善管廊建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)管廊內(nèi)電纜火災(zāi)發(fā)展及煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行研究。

對(duì)于綜合管廊內(nèi)的電纜火災(zāi)及防治，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較少，其中多數(shù)為數(shù)值模擬研究，實(shí)體試驗(yàn)相對(duì)較少。趙永昌[2]等人采用FDS模擬軟件對(duì)城市地下綜合管廊火災(zāi)煙氣溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得到管廊內(nèi)的溫度衰減規(guī)律以及煙氣蔓延規(guī)律。彭玉輝[3]采用數(shù)值模擬方法，研究了典型隧道電纜火災(zāi)內(nèi)煙氣濃度和氧氣濃度、熱釋放速率、隧道縱向橫向溫度變化規(guī)律。李文婷[4]建立了各種環(huán)境下電纜火災(zāi)模型，分析電纜火災(zāi)的蔓延過(guò)程。戴文濤等[5-6]對(duì)電纜隧道及管廊電力艙室的火災(zāi)特點(diǎn)，以及相應(yīng)的探測(cè)預(yù)防技術(shù)進(jìn)行了分析探討。蘇洪濤等[7-8]對(duì)管廊內(nèi)電纜火災(zāi)隱患進(jìn)行了分析，說(shuō)明引起電纜火災(zāi)的原因主要是電路短路、線路過(guò)載等，且目前針對(duì)管廊電纜火災(zāi)滅火的方法主要為超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)。

本文采用CFD技術(shù)，通過(guò)有限元軟件FDS建立綜合管廊模型，針對(duì)管廊內(nèi)電纜火災(zāi)進(jìn)行全尺寸模擬試驗(yàn)，研究不同長(zhǎng)度防火分區(qū)條件下，管廊電纜火災(zāi)時(shí)煙氣、溫度、火焰蔓延情況。

1 管廊計(jì)算模型的建立

1.1 計(jì)算模型

為更好地模擬管廊內(nèi)電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，參考某城市管廊工程資料，采用FDS有限元模擬軟件，建立綜合管廊有限元模型。模型總長(zhǎng)度取1 000 m，橫截面的寬度和高度分別為4 m、2 m，在三個(gè)方向上的網(wǎng)格個(gè)數(shù)為1 200，20，10，火災(zāi)模擬時(shí)間共5 000 s。管廊的計(jì)算模型截面示意圖如圖1所示。

圖1 城市綜合管廊模型截面圖

1.2 人員安全疏散時(shí)間計(jì)算

人員安全疏散的判定標(biāo)準(zhǔn)為：可用安全疏散時(shí)間(tASET)>必要安全疏散時(shí)間(tRSET)。火災(zāi)發(fā)生后一般認(rèn)為人員疏散并不能立刻進(jìn)行，還要經(jīng)過(guò)報(bào)警時(shí)間及人員響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)階段后，人員才開(kāi)始疏散。因此，在綜合管廊火災(zāi)中人員必要安全疏散時(shí)間計(jì)算如下：

式中，tb為預(yù)警時(shí)間，取60 s；tc為響應(yīng)時(shí)間，120 s；ts為疏散時(shí)間。

若人員行走速度為1.2 m·s-1，則計(jì)算得到200 m和800 m防火分區(qū)的必要安全疏散時(shí)間分別為347 s和847 s。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1.3.1 火源設(shè)置。火源設(shè)置為表面熱源，按照固體熱解模型設(shè)置，表面溫度為1 000 ℃，其長(zhǎng)為0.6 m，寬為0.6 m，位于隧道中心處。

1.3.2 電纜布置。如圖1所示，根據(jù)管廊內(nèi)的電纜尺寸，在管廊內(nèi)部設(shè)置16根電纜模型，電纜長(zhǎng)度與隧道長(zhǎng)度相等，截面包含兩種尺寸，分別設(shè)為：A類，截面為0.3 m×0.3 m；B類，截面為0.2 m×0.2 m。

1.3.3 工況設(shè)置。按照《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)，天然氣管線艙室及容納電力電纜的艙室應(yīng)每隔200 m設(shè)置有防火分區(qū)[9]，為探討防火分區(qū)間距對(duì)電纜火災(zāi)的影響作用并考慮有維修人員的情況，設(shè)置4個(gè)工況，工況1，2為防火分區(qū)200 m，工況3，4為防火分區(qū)800 m，具體工況設(shè)置情況見(jiàn)表1。

1.4 電纜參數(shù)

按國(guó)標(biāo)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50217—2007)中規(guī)定的常用電纜絕緣類型[10]，本文電纜采用交聯(lián)聚乙烯型擠塑絕緣類型。交聯(lián)聚乙烯的分解及碳化溫度為330 ℃，密度為1 500 kg·m-3，比熱容為1.5 kJ·kg-1·K-1，熱導(dǎo)率為0.5 W·m-1·K-1，燃燒熱為2 500 kJ·kg-1。

表1 模擬工況設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 管廊內(nèi)熱釋放速率分析

圖2、圖3給出了兩種防火分區(qū)管廊內(nèi)的熱釋放速率變化曲線。為更好地模擬電纜在管廊中自然燃燒傳遞的情況，在280 s時(shí)移除火源。由圖可以看出，電纜一旦點(diǎn)燃后管廊內(nèi)的熱釋放速率快速上升，800 m防火分區(qū)內(nèi)的上升速率要高于200 m防火區(qū)，說(shuō)明在800 m防火分區(qū)管廊內(nèi)電纜火災(zāi)蔓延的速度要更快，原因?yàn)椴辉O(shè)置防火門的情況下，管廊內(nèi)空氣更為充足。800 m和200 m防火分區(qū)內(nèi)，最大熱釋放速率分別可達(dá)10 MW和7 MW，在達(dá)到峰值后迅速下降，但800 m防火分區(qū)管廊和200 m防火分區(qū)管廊兩者下降的原因不同，前者主要為電纜材料的不充分燃燒，后者主要是空氣不足導(dǎo)致在900 s時(shí)火焰熄滅。800 m管廊內(nèi)在900 s以及1 300 s時(shí)熱釋放速率有小幅度的上升，是由于未完全燃燒的電纜達(dá)到完全燃燒的狀態(tài)導(dǎo)致，說(shuō)明防火門可有效阻止電纜火災(zāi)的蔓延，并使其盡快熄滅，而800 m防火分區(qū)中電纜火災(zāi)的蔓延呈現(xiàn)為階段性區(qū)域電纜燃燒，熱釋放速率呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。

圖2 200 m防火分區(qū)熱釋放速率曲線

圖3 800 m防火分區(qū)熱釋放速率曲線

2.2 管廊內(nèi)溫度分布分析

2.2.1 管廊火災(zāi)防火門開(kāi)啟排煙時(shí)間的確定

為確定各防火分區(qū)管廊內(nèi)火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間，以確保防火門開(kāi)啟時(shí)不會(huì)發(fā)生回燃，本文設(shè)定當(dāng)溫度小于100 ℃以下時(shí)認(rèn)為火已經(jīng)熄滅。當(dāng)防火分區(qū)為200 m時(shí)，管廊內(nèi)火源位置、50 m處以及100 m位置的溫度降到100 ℃以下的大概時(shí)間是1 600 s，如圖4所示。800 m防火分區(qū)管廊內(nèi)火源位置、50 m、100 m、150 m及400 m位置的溫度降到100 ℃以下的大概時(shí)間是3 600 s，如圖5所示。

圖4 200 m防火分區(qū)防火門開(kāi)啟時(shí)間

因此，本文設(shè)置200 m和800 m防火分區(qū)開(kāi)門排煙的時(shí)間為1 600 s和 3 600 s。在實(shí)際的管廊火災(zāi)滅火過(guò)程中可以在管廊內(nèi)布置相應(yīng)的熱電偶，根據(jù)熱電偶的溫度判斷管廊內(nèi)火災(zāi)情況，為打開(kāi)防火門進(jìn)行排煙的時(shí)機(jī)提供一定的依據(jù)。

2.2.2 管廊內(nèi)溫度分布

圖6給出了200 m防火分區(qū)管廊內(nèi)溫度隨時(shí)間分布云圖，可以反映出電纜火災(zāi)的傳播發(fā)展過(guò)程。可以看出，管廊中心處電纜被點(diǎn)燃后，火勢(shì)迅速向兩側(cè)蔓延，沿縱向方向上的電纜被引燃，在管廊中心處的溫度最高，隨后兩側(cè)的溫度逐漸升高，火勢(shì)在防火分區(qū)內(nèi)傳播迅速；在400 s時(shí)，管廊中心電纜開(kāi)始充分燃燒，此時(shí)熱釋放速率急劇上升；700 s后火勢(shì)開(kāi)始減小，兩側(cè)的溫度首先降低，中心處的溫度最后降低，所對(duì)應(yīng)的熱釋放速率快速衰減，火焰熄滅，這是空氣不足導(dǎo)致的。在200 m防火分區(qū)內(nèi)，電纜火災(zāi)在1 700 s內(nèi)快速經(jīng)歷了火勢(shì)增長(zhǎng)、充分燃燒、急劇衰退三個(gè)階段，防火分區(qū)的劃分有效抑制了火勢(shì)的增長(zhǎng)，促進(jìn)了電纜火災(zāi)的加速衰減。

圖5 800 m防火分區(qū)防火門開(kāi)啟時(shí)間

圖6 200 m防火分區(qū)管廊溫度分布云圖

圖7給出了800 m防火分區(qū)管廊內(nèi)溫度隨時(shí)間分布云圖。明顯可以看出，與200 m防火分區(qū)的溫度分布有較大差別，火勢(shì)沿縱向的蔓延速度更快，電纜更易被引燃，所對(duì)應(yīng)的熱釋放速率上升速度更高。由圖3可以看出在600 s左右，熱釋放速率開(kāi)始下降，說(shuō)明管廊中心的火勢(shì)開(kāi)始衰退；而從圖7所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的溫度云圖可以看出，在600 s左右，管廊內(nèi)最高溫度分布區(qū)域開(kāi)始減小，中心區(qū)域火勢(shì)衰退，主要是中心電纜的燃燒進(jìn)入衰退階段，兩側(cè)被引燃的電纜還未達(dá)到充分燃燒所致。如圖7中1 000 s后溫度云圖所示，中心電纜燃燒開(kāi)始衰減，溫度降低，兩側(cè)的溫度上升，電纜達(dá)到充分燃燒狀態(tài)。電纜火災(zāi)呈現(xiàn)出的階段性區(qū)域電纜燃燒的蔓延規(guī)律，可以解釋800 m防火分區(qū)管廊內(nèi)的熱釋放速率在急劇下降后的小幅上升波動(dòng)現(xiàn)象。

圖7 800 m防火分區(qū)管廊溫度分布云圖

2.2.3 管廊內(nèi)最高溫度分布分析

圖8給出了200 m防火分區(qū)和800 m防火分區(qū)，有人員疏散及無(wú)人員疏散情況下，管廊內(nèi)1.8 m高度處各測(cè)點(diǎn)的最高溫度變化曲線，其中測(cè)點(diǎn)位置沿管廊縱向方向等距離選取，各測(cè)點(diǎn)間距均為50 m，主要以火源中心到一側(cè)一半模型的測(cè)點(diǎn)。由圖8對(duì)比200 m防火分區(qū)有人員和無(wú)人員疏散情況得到，有人員疏散情況下，管廊縱向1.8 m位置最高溫度高于無(wú)人員疏散的情況，800 m防火分區(qū)也呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)；對(duì)比200 m防火分區(qū)和800 m防火分區(qū)可見(jiàn)，800 m防火分區(qū)在各位置的最高溫度高于200 m防火分區(qū)的情況。

圖8 管廊內(nèi)1.8 m高處測(cè)點(diǎn)最高溫度變化

2.3 管廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散及一氧化碳濃度變化分析

2.3.1 管廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散分析

圖9、圖10分別給出了200 m防火分區(qū)和800 m防火分區(qū)管廊的能見(jiàn)度變化圖，可以反映出管廊內(nèi)部電纜火災(zāi)發(fā)生后煙氣蔓延分布情況。如圖9所示，火災(zāi)發(fā)生后能見(jiàn)度迅速降低，在500 s時(shí)煙氣充滿管廊內(nèi)部，能見(jiàn)度幾乎為零，各個(gè)時(shí)刻的能見(jiàn)度變化不大，故只選取1 700 s時(shí)能見(jiàn)度圖，可以看出在煙氣擴(kuò)散到一定程度后，可通過(guò)防火門擴(kuò)散到另一個(gè)防火分區(qū)。由圖10可以看出，800 m防火分區(qū)管廊中火災(zāi)發(fā)生后，煙氣充滿整個(gè)管廊所需時(shí)間更長(zhǎng)，中心區(qū)域的能見(jiàn)度小于兩側(cè)的能見(jiàn)度，煙氣在管廊中心的聚集濃度大于擴(kuò)散邊緣處的煙氣濃度，在1 500 s時(shí)管廊內(nèi)能見(jiàn)度幾乎為零，煙氣的擴(kuò)散彌漫較為迅速。通過(guò)對(duì)比，可以說(shuō)明防火門的存在有效阻止了煙氣的縱向擴(kuò)散蔓延，在無(wú)防火門情況下煙氣可迅速?gòu)浡錆M管廊內(nèi)部。

圖9 200 m防火分區(qū)能見(jiàn)度變化圖

圖10 800 m防火分區(qū)能見(jiàn)度變化圖

2.3.2 管廊內(nèi)一氧化碳濃度分布分析

火災(zāi)煙氣中的一氧化碳濃度是影響人員逃生的重要參數(shù)，為此，本文測(cè)試了4個(gè)工況下管廊縱向1.8 m高位置處的一氧化碳濃度分布情況，如圖11、圖12所示。

圖11 200 m防火分區(qū)管廊內(nèi)1.8 m高處一氧化碳濃度

由圖可知，200 m防火分區(qū)的一氧化碳濃度明顯低于800 m防火分區(qū)。在有人員疏散情況下，一氧化碳的擴(kuò)散速度比無(wú)人員疏散的情況快，所以當(dāng)管廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，維修人員要注意防范一氧化碳，抓緊時(shí)間逃生。

圖12 800 m防火分區(qū)管廊內(nèi)1.8 m高處一氧化碳濃度

3 結(jié)論

本文采用FDS有限元模擬軟件，建立綜合管廊模型，對(duì)管廊電纜火災(zāi)進(jìn)行全尺寸模擬，通過(guò)設(shè)定不同長(zhǎng)度的防火分區(qū)，研究不同防火分區(qū)管廊電纜火災(zāi)的溫度、能見(jiàn)度和一氧化碳濃度，得到如下結(jié)論：

3.1 在管廊內(nèi)電纜發(fā)生火災(zāi)后，火勢(shì)迅速向兩側(cè)蔓延，電纜火災(zāi)可劃分為火災(zāi)增長(zhǎng)、充分燃燒、急劇衰退三個(gè)階段，在200 m防火分區(qū)管廊中主要影響火勢(shì)發(fā)展的為空氣，而800 m防火分區(qū)中的主要影響因素為燃料，蔓延規(guī)律表現(xiàn)為階段性區(qū)域燃燒。

3.2 兩種防火分區(qū)情況，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后有維修人員逃生時(shí)，不僅要注意可供人員疏散的必要時(shí)間，還要注意管廊內(nèi)的煙氣和一氧化碳對(duì)人員的影響，可以在管廊內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的煙感探頭。

3.3 管廊火災(zāi)主要以窒息滅火為主，但在火災(zāi)熄滅時(shí)間的判斷上需要結(jié)合管廊內(nèi)的溫度及一氧化碳濃度的分布情況，可以在管廊內(nèi)設(shè)置溫度傳感器以判斷火災(zāi)的熄滅情況，從而進(jìn)行通風(fēng)排煙。

[1] 徐奇,續(xù)元慶,王麗娟.城市綜合管廊應(yīng)用分析[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2015,26(2):35-38.

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

Effect of Utility Tunnel Fire Compartment on the Timing of Smoke Exhaust & Servicemen Evacuation in Cable Fires

WANG Fangshun

(Wuhan Municipal Fire Brigade, Hubei Province 430020, China)

Urban utility tunnels are the lifeline engineering of a city. A cable fire inside the utility tunnel will not only cause damage to the structure, but also adversely affect the normal operation of the city. A finite element model of the utility tunnel has been established by CFD to simulate the process of cable fire in the utility tunnel in order to collect the heat release rate, the safe evacuation time of the serviceman, maximum temperature distribution, smoke diffusion, carbon monoxide concentration distribution in the utility tunnel, and analyze the influence of fire compartment distance on cable fire. The conclusions of the simulation can provide the basis for the design of urban utility tunnel and fire protection decision-making.

urban utility tunnel; cable fire; visibility; temperature distribution; fire compartment

2017-05-22

王方舜(1975— )，男，湖北荊州人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)08-0014-05