管廊電纜火災CO濃度分布規(guī)律研究

劉鐘薇

摘要：利用FDS軟件，對管廊發(fā)生火災時隧道中線縱斷面上不同高度處的CO濃度分布和隧道橫截面上的CO濃度分布進行了三維數(shù)值模擬，研究分析了火災時煙氣濃度的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：管廊電纜火災中，CO濃度分布與管廊通風系統(tǒng)開啟情況有關(guān)。當通風系統(tǒng)未開啟，電纜著火向兩端蔓延時，CO濃度逐漸下降，且隨著時間積累，CO濃度逐漸增多；當通風系統(tǒng)開啟，CO迅速向下風向擴散，積累量逐漸增高，上風向CO濃度逐漸降低。管廊電纜火災蔓延時，CO濃度并最高處不在火源正上方，而位于正上方兩側(cè)，這是由于煙氣蔓延過程中發(fā)生了水躍現(xiàn)象，CO濃度最高點在火源兩側(cè)。

關(guān)鍵詞：管廊電纜；CO濃度；分布規(guī)律

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.094

綜合管廊是指安置多種市政管廊的地下建筑，英文名為“utility tunnel”，翻譯為地下管道綜合走廊。在日本，綜合管廊被稱為共同溝，在臺灣則被稱為共同管道，而根據(jù)我國規(guī)范，則應稱為綜合管廊。雖然綜合管廊名稱多樣，但其本質(zhì)均是指收容兩種以上市政管廊的高效利用地下空間的現(xiàn)代化構(gòu)筑物。國內(nèi)建設的綜合管廊工程中，在綜合管廊內(nèi)敷設的管線主要有電力電纜、通信光纜、上水管道、中水管道以及熱力管道等市政管線設施，此外還有部分自用的纜線設施。從綜合管廊內(nèi)納入的管線種類可以看出，在綜合管廊內(nèi)的各種管線中，主要是電力線路具有自身起火的可能性。管廊電纜火災中，CO以其產(chǎn)生量大和所具有的毒性，對檢修人員的安全構(gòu)成了嚴重的威脅。本文以某綜合管廊為對象，利用CFD軟件FDS，對管廊發(fā)生火災時隧道中線縱斷面上不同高度處的CO濃度分布和隧道橫截面上的CO濃度分布進行了三維數(shù)值模擬 ，研究分析了火災時煙氣濃度的變化規(guī)律。

1管廊介紹

電纜隧道數(shù)值模擬模型截斷面如圖2所示，模型尺寸長1200 m，寬5.4 m，高2.4 m。隧道內(nèi)部有16根電纜，長度與隧道長度相等，截面包含兩種尺寸，分別設為A類：截面為0.4 m×0.4 m；B類：截面為0.3 m×0.3 m。電纜截面如圖1所示。

2火源設置

模型火源設置為一表面熱源，火源按照固體熱解模型設置，表面溫度為3000 oC，模擬過程中點火源存在900 s，其尺寸為長1m，寬0.8m，位置設在隧道中心處。防火區(qū)間劃分主要以火源中心為參照，分別向兩邊設置間距為500m三種長度類型的防火區(qū)間，如圖2所示。每個防火區(qū)間以防火墻隔開，防火墻上有兩個等尺寸的防火門，防火門尺寸為高1.7 m，寬0.9 m。

3模型重要參數(shù)說明

如表1所示，本項目電纜采用銅芯橡膠絕緣電纜線，按照銅：塑料=6：4進行電纜材料配比。銅的密度為8940 kg/m3，比熱容為0.38 KJ/（kg·K），熱導率為387 W/（m·K）；塑料的著火點為330℃，密度為1500 kg/m3，比熱容為1.5 KJ/（kg· K），熱導率為0.2 W/（m· K），燃燒熱為2500 KJ/kg。隧道內(nèi)初始環(huán)境溫度為40℃，初始壓力為標準大氣壓。邊界墻體材料為混凝土，墻體厚度0.2 m，混凝土密度為2280 kg/m3，比熱容為1.04 KJ/（ kg·K），熱導率1.8 W/（m·K）。電纜托盤材質(zhì)為鋼板，密度7850 kg/m3，比熱容為046 KJ/（ kg·K），熱導率45.8 W/（m·K）。

4模型工況設計

模型管廊通風區(qū)段劃分主要以兩個工作井內(nèi)相應的兩個通風機房之間的一段隧道作為一個通風區(qū)段。根據(jù)本項目綜合管廊區(qū)間通風采用通風及排煙系統(tǒng)形式。通風系統(tǒng)針對每段通風區(qū)域采用單號井端送雙號井端排的縱向通風方式，火災時主要采用隔絕滅火的方式，即按照事故后排風，火災時關(guān)閉防火閥和風機，待燃盡后開啟風機進行事故后通風換氣。為了測試在該區(qū)段內(nèi)設置不同的防火分區(qū)及相應防火分區(qū)情況下不同時間段進行通風排煙的效果，模型設置為500m防火分區(qū)，開啟排煙時間為300 s。

利用LES計算方法模擬火災的燃燒問題，模擬對網(wǎng)格尺寸必須小于一定的尺寸才能使得次格點尺度計算模式較為精確計算出來流場的粘滯力。綜合考慮網(wǎng)格尺寸與火源功率的關(guān)系，F(xiàn)DS的計算區(qū)域設置1200 m×5.4 m×3 m，各個方向網(wǎng)格個數(shù)分別為1200、27和15，模擬時間1500 s。

4.1一氧化碳濃度分布云圖

如圖3所示，在管廊防火間距200m，300 s開啟防火門進行通風的情況下，開啟防火門之前285s的一氧化碳濃度分布云圖如圖2（a）所示，此時該段內(nèi)一氧化碳濃度分布為中間低，向兩側(cè)逐漸升高，然后再降低。此時，管廊通風系統(tǒng)還未啟動，管廊內(nèi)CO濃度分布在火源兩側(cè)是對稱的，均經(jīng)歷了先升高再降低的過程；門打開后350 s時刻的一氧化碳濃度分布如圖（b）所示，由于通風的作用，一氧化碳主要集中在下風向，此時CO在管廊上部幾乎分布為0，在火源上方有少許，而CO濃度最高處位于管廊內(nèi)火源下游100m處，且有逐漸向右移動的趨勢。當1100 s后，區(qū)域內(nèi)基本沒有一氧化碳，整個管廊內(nèi)CO均已排出完全。通過上圖分析，此管廊的通風系統(tǒng)，即上部通風，下部排煙的設置是完全合理的，可以較好的排出管廊電纜火災的煙氣，減小火災的損失。

4.2各測點一氧化碳濃度隨時間的變化曲線

如圖4所示為C組管廊方向靠近火源層（C-9～C-17）一氧化碳濃度隨時間變化的曲線。由圖可見，C組中間防火區(qū)域的一氧化碳濃度較高，其中C-13火源上方的一氧化碳濃度在火災發(fā)生后快速上升，然后下降，在300～400s之間小幅波動，這是因為C-13就在火源的上方，當打開防火門進行通風后，CO濃度迅速擴散，因而又快速下降。C-12和C-14為火源上方左右的點，這兩點的一氧化碳濃度在200s左右時快速上升，表明火焰從中間向兩邊傳播。當300s打開防火門后，這兩點的曲線在下降，說明CO濃度不斷降低。C-15為下風向另一個防火區(qū)間的點，600s之前一氧化碳濃度為零，當打開防火門后，一氧化碳濃度瞬間上升，經(jīng)歷了一段時間后下降。不同測點的曲線峰值在不斷后延，說明CO受到空氣流動的影響向下風向運動。

5結(jié)論

該管廊通風區(qū)段劃分主要以兩個工作井內(nèi)相應的兩個通風機房之間的一段隧道作為一個通風區(qū)段。根據(jù)綜合管廊區(qū)間通風采用通風及排煙系統(tǒng)形式。通風系統(tǒng)針對每段通風區(qū)域采用單號井端送雙號井端排的縱向通風方式。利用FDS軟件，對管廊發(fā)生火災時隧道中線縱斷面上不同高度處的 CO 濃度分布和隧道橫截面上的 CO 濃度分布進行了三維數(shù)值模擬 ，研究分析了火災時煙氣濃度的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

（1）管廊電纜火災中，CO濃度分布與管廊通風系統(tǒng)開啟情況有關(guān)。當通風系統(tǒng)未開啟，電纜著火向兩端蔓延時，CO濃度逐漸下降，且隨著時間積累，CO濃度逐漸增多；當通風系統(tǒng)開啟，CO迅速向下風向擴散，積累量逐漸增高，上風向CO濃度逐漸降低。

（2）管廊電纜火災蔓延時，CO濃度并最高處不在火源正上方，而位于正上方兩側(cè)，這是由于煙氣蔓延過程中發(fā)生了水躍現(xiàn)象，CO濃度最高點在火源兩側(cè)。

（3）該綜合管廊通風系統(tǒng)可以較好的排出管廊火災的煙氣，減小火災的危害性。

參考文獻

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