帶式輸送機封閉通廊火災(zāi)特性研究

劉永泰，方文韜，黃宇，李有標，錢金超，劉祖德

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

目前，冶金企業(yè)為滿足環(huán)保要求而將露天的帶式輸送機進行封閉改造，改造后形成的封閉通廊發(fā)生火災(zāi)后因其特殊的結(jié)構(gòu)會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如：2019年5月24日，龍成煤綜合利用有限公司傳送帶煤粉自燃，導(dǎo)致整個封閉通廊發(fā)生火災(zāi)、垮塌，造成2死6傷的嚴重后果；2019年10月24日，河北興華鋼鐵有限公司在停止作業(yè)過程中高溫燒結(jié)礦料，致使帶式輸送機冒煙起火，引發(fā)帶式輸送機封閉通廊火災(zāi)、坍塌，造成7人死亡的嚴重后果。

以上兩起事故發(fā)生的主要原因均是帶式輸送機停機后仍存積在封閉通廊的輸送料著火，火災(zāi)初起征象不明顯；經(jīng)過一段時間后火勢變大，在通廊“煙囪效應(yīng)”“隧道效應(yīng)”的影響下，火勢更加迅猛，并伴隨大量的煙氣；最后高溫使得封閉通廊鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變進而造成坍塌。輸送帶加裝封閉通廊后發(fā)生的火災(zāi)具有火災(zāi)初期不易被發(fā)現(xiàn)、火災(zāi)蔓延迅速、封閉通廊內(nèi)部溫度高且煙氣濃度大、易垮塌、人員疏散困難等特點。

膠帶火災(zāi)是國內(nèi)外學者重點研究的課題。如Yuan等通過全尺寸實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對礦井巷道中的傳送帶火災(zāi)進行了研究，給出了火焰在傳送帶上蔓延的主要特征;Lowndes等探究了不同風速條件對膠帶火災(zāi)的影響；Teacoach等對礦井膠帶火災(zāi)的滅火系統(tǒng)進行了改進研究，主要分析了風速和滅火系統(tǒng)啟動溫度對滅火效果的影響；季經(jīng)緯等利用錐形量熱計測出輸送帶點燃溫度，這對判斷輸送帶火災(zāi)蔓延情況具有一定的實際意義；齊慶杰等應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，研究了風速、火源功率對礦井膠帶火災(zāi)蔓延的影響;蘇墨等以申家莊煤礦運輸巷為研究對象，模擬了膠帶火災(zāi)發(fā)生時巷道內(nèi)溫度、煙氣和能見度的變化情況，分析了影響人員逃生的因素，以為礦井膠帶火災(zāi)救援及逃生提供參考。

上述研究主要是針對礦井運輸巷道皮帶機膠帶火災(zāi)的蔓延規(guī)律，而針對冶金企業(yè)帶式輸送機封閉通廊膠帶火災(zāi)方面的研究較少，且封閉通廊發(fā)生火災(zāi)后，鋼結(jié)構(gòu)在高溫下易發(fā)生垮塌，會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，這是封閉通廊火災(zāi)展現(xiàn)出的新特點。鑒于此，本文將以某鋼鐵企業(yè)廠區(qū)內(nèi)一條運煤的全封閉帶式輸送機通廊為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法，模擬分析了不同風速條件下帶式輸送機封閉通廊內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延、溫度和CO濃度的分布情況及其影響因素，并對封閉通廊側(cè)壁開窗和設(shè)置噴淋系統(tǒng)后的封閉通廊內(nèi)火災(zāi)溫度分布的影響進行了模擬分析，以為降低封閉通廊火災(zāi)的影響提供一定的依據(jù)。

1 模型建立與工況設(shè)置

1.1 模擬軟件簡介

本文選用FDS模擬軟件對某企業(yè)帶式輸送機封閉通廊火災(zāi)特性進行數(shù)值模擬研究。該軟件是由美國國家標準技術(shù)局開發(fā)的一款基于大渦模擬原理的火災(zāi)動態(tài)模擬軟件，經(jīng)過了大量全尺寸火災(zāi)實驗的驗證，其計算結(jié)果與實際情況比較吻合，在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其計算求解過程包括連續(xù)性方程、能量守恒方程和動量守恒方程等。

1.2 模型建立

本次的模擬對象為某鋼鐵企業(yè)廠區(qū)內(nèi)一條運煤的全封閉帶式輸送機通廊。該封閉通廊全長100 m、寬4.2 m、高3.5 m，距地面30 m；封閉通廊內(nèi)的皮帶機組全長75 m、寬1.8 m、高1 m，與封閉通廊一端出口相距10 m，距離封閉通廊一側(cè)壁1.2 m；在封閉通廊兩側(cè)壁每隔8 m設(shè)置一個長1.5 m、高1 m的窗戶。該封閉通廊外部示意圖和正視圖如圖1和圖2所示。

圖1 某企業(yè)帶式輸送機封閉通廊外部示意圖

圖2 某企業(yè)帶式輸送機封閉通廊正視圖

根據(jù)該封閉通廊尺寸，確定計算區(qū)域為100 m×4.2 m×3.5 m，整個封閉通廊結(jié)構(gòu)采用耐火鋼構(gòu)件，輸送帶材質(zhì)為PVC材料。火源位于輸送帶的中心線上，位置偏左，依據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》(GB 51251—2017)，本次模擬設(shè)置火源的熱釋放速率為20 MW，火災(zāi)類型為快速火，火災(zāi)增長系數(shù)為0.044 kW/s；模擬初始溫度為30℃，模擬時間為800 s；火災(zāi)發(fā)生時，在封閉通廊一端出口有縱向通風，另一端出口與外界相連。該封閉通廊內(nèi)部的側(cè)視圖如圖3所示。

圖3 某企業(yè)帶式輸送機封閉通廊內(nèi)部側(cè)視圖

利用FDS軟件進行模擬計算時，網(wǎng)格尺寸的劃分決定了模擬結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性。已有研究表明，網(wǎng)格尺寸為火焰特征直徑的1/4～1/16較為合適，一般情況下網(wǎng)格尺寸選取火焰特征直徑的1/10?；鹧嫣卣髦睆?p>D

的計算公式如下：

(1)

式中：

Q

為火源的熱釋放速率(MW)，取20 MW；

ρ

為空氣密度(kg/m)，取1.2 kg/m；

C

為空氣比熱[kJ/(kg·K)]，取1 kJ/(kg·K)；

T

為環(huán)境空氣溫度(K)，取303 K；

g

為重力加速度(m/s)，取9.81 m/s。

另外，網(wǎng)格尺寸的劃分也要考慮計算機的性能，網(wǎng)格尺寸越小,模擬計算的時間越長?；谝陨蟽蓚€方面的考慮，最終將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.35 m×0.35 m×0.35 m。

1.3 數(shù)值模擬驗證

為了驗證建立的帶式輸送機封閉通廊火災(zāi)數(shù)值模型的準確性，將封閉通廊內(nèi)火源正上方溫度的模擬結(jié)果與該企業(yè)進行應(yīng)急疏散演練時在封閉通廊內(nèi)實際測量得到的溫度值進行了對比分析，其結(jié)果見圖4。

圖4 封閉通廊內(nèi)火源正上方溫度模擬值與實際測量值的對比

由圖4可見，該封閉通廊內(nèi)火源正上方溫度的模擬值與實際測量值的變化趨勢基本一致，兩條溫度曲線平均相對誤差為12.65%，且誤差在20%以內(nèi)，可以認為能較好地模擬實際的火災(zāi)場景。初始溫度測量值較高，這是由于模擬時設(shè)置的環(huán)境溫度為30℃，而在進行應(yīng)急演練時封閉通廊內(nèi)的溫度在34℃左右。上述模擬結(jié)果表明，該封閉通廊火災(zāi)數(shù)值模型具有一定的可靠性，能較好地模擬實際狀況。

1.4 模擬工況設(shè)置

在帶式輸送機封閉通廊火災(zāi)中，產(chǎn)生的濃厚煙氣將嚴重降低封閉通廊內(nèi)部的能見度，縮短可視距離，增加了火災(zāi)救援及人員逃生的難度，一些有毒有害氣體會對人員構(gòu)成威脅。高溫一方面對人體有較大的危害，另一方面會使得鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變甚至倒塌。采取合理的通風方案將有助于煙氣向外排放，熱量向外擴散?？煽紤]如下措施:在封閉通廊側(cè)壁設(shè)置窗戶將有利于煙氣向外排放，提高封閉通廊內(nèi)的能見度；在封閉通廊內(nèi)設(shè)置噴淋滅火系統(tǒng)對降低火災(zāi)的影響將具有重要的意義。封閉通廊內(nèi)火災(zāi)模擬工況的設(shè)置情況，見表1。

表1 封閉通廊內(nèi)火災(zāi)模擬工況的設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 火災(zāi)煙氣蔓延分析

不同工況條件下該封閉廊道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延情況的模擬結(jié)果，見圖5和圖6。

圖5 工況1和2下封閉通廊內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延情況

圖6 工況3和4下封閉通廊內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延情況

由圖5和圖6可以看出：

(1) 當風速為0 m/s時，火災(zāi)煙氣由火源處向封閉通廊兩端出口蔓延；隨著風速加大，火災(zāi)煙氣蔓延所受的影響隨之增大，在風力的作用下，火災(zāi)煙氣被斜吹到封閉通廊頂板，然后向火源下游蔓延。

(2) 隨著時間的延長，4種工況下封閉通廊內(nèi)部火災(zāi)煙氣越來越多，當模擬時間為150 s時，工況1下封閉通廊頂部幾乎充滿了煙氣，并逐漸下沉，下降到接近皮帶的高度；工況2下火源下游火災(zāi)煙氣下降到皮帶高度，而上游則出現(xiàn)火災(zāi)煙氣逆流現(xiàn)象，逐漸向火源上游蔓延；工況3下火災(zāi)煙氣朝火源下游蔓延，無煙氣逆流；工況4為開窗條件，與工況2類似，由于一部分火災(zāi)煙氣從窗口排出，封閉通廊內(nèi)皮帶附近的火災(zāi)煙氣濃度低于工況2，但逆流距離要大，說明受風力的影響較小。

(3) 當模擬時間為300 s時，工況1、2、4下封閉通廊內(nèi)基本充滿了火災(zāi)煙氣，能見度非常低，而工況3下封閉通廊內(nèi)火源上游依然沒有火災(zāi)煙氣，說明較大的風速能抑制火災(zāi)煙氣向火源上游蔓延。

不同工況下火災(zāi)煙氣蔓延至封閉通廊內(nèi)火源上游出口與下游出口所需的時間，見表2。

表2 不同工況下火災(zāi)煙氣蔓延至封閉通廊內(nèi)火源上、下游出口所需的時間

由表2可知，隨著風速的增大，火災(zāi)煙氣蔓延至封閉通廊內(nèi)火源下游出口所需的時間越短；當風速為3.2 m/s時，其所需的時間為45 s，當風速為1.6 m/s時，封閉通廊內(nèi)開窗條件下所需的時間比不設(shè)窗戶增加了40 s?？梢?，火災(zāi)煙氣蔓延至封閉通廊內(nèi)火源上游出口所需的時間隨著風速的增大而增加，但當風速為3.2 m/s時，火災(zāi)煙氣將不會向封閉通廊內(nèi)火源上游蔓延。

在封閉通廊兩端出口1.5 m高度處設(shè)置了探測器(見圖3)，用來監(jiān)測封閉通廊內(nèi)火源上、下游出口能見度的變化情況，其結(jié)果見圖7和圖8。

圖8 封閉通廊內(nèi)火源下游出口能見度隨時間的變化曲線

由圖7可見：工況1、2、4下分別在100 s、218 s、240 s時，封閉通廊內(nèi)火源上游出口能見度大幅度下降，而與表2對比可知，3種工況下火災(zāi)煙氣由封閉通廊頂部下降到1.5 m高度所需的時間分別為43 s、38 s、40 s，且隨著火勢的增長，風速對封閉通廊內(nèi)火源上游出口火災(zāi)煙氣蔓延的影響變?。辉?50 s時，工況1下封閉通廊內(nèi)火源上游出口能見度低于3 m，在大約259 s時，工況2、4下封閉通廊內(nèi)火源上游出口能見度下降到3 m；工況3下封閉通廊內(nèi)火源上游出口能見度一直保持不變，說明沒有火災(zāi)煙氣蔓延至封閉通廊內(nèi)火源上游出口，這與上文所述結(jié)果一致。

圖7 封閉通廊內(nèi)火源上游出口能見度隨時間的變化曲線

由圖8可見,大約在80 s時，工況3下封閉通廊內(nèi)火源下游出口能見度率先出現(xiàn)大幅度下降，工況1下封閉通廊內(nèi)火源下游出口能見度出現(xiàn)大幅度下降所需的時間最長，為150 s左右，工況2、4下所需的時間分別為80 s、109 s?？梢?，風速對封閉通廊內(nèi)火源下游出口火災(zāi)煙氣蔓延有較大的影響，風速越大，火災(zāi)煙氣蔓延越快；同時，工況4比工況2所需的時間延長了大約30 s，說明封閉通廊兩側(cè)開窗對封閉通廊內(nèi)火災(zāi)煙氣的擴散有積極作用，提高了封閉通廊內(nèi)的能見度，增加了人員逃生與救援的時間。

綜上可知，風速對封閉通廊內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延有較大的影響，當縱向風速為3.2 m/s時，雖然會抑制火災(zāi)煙氣逆流，保證封閉通廊內(nèi)火源上游的能見度，但火災(zāi)煙氣蔓延加快，使封閉通廊內(nèi)火源下游的能見度快速降低，不利于人員疏散與救援；封閉通廊兩側(cè)設(shè)置窗戶能加快火災(zāi)煙氣排放，對人員疏散與應(yīng)急救援可起到積極的作用。

2.2 溫度分布分析

在火災(zāi)引起的高溫環(huán)境下鋼材的強度和剛度會顯著降低，造成鋼結(jié)構(gòu)損傷、嚴重破壞甚至倒塌。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)，該封閉通廊結(jié)構(gòu)為鋼構(gòu)件，采用鋼構(gòu)件最大強度的臨界溫度作為判斷依據(jù)，確定其臨界溫度為663℃。

以輸送帶的中心線為軸線設(shè)置豎直切面，模擬了不同工況條件下封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度時的火災(zāi)溫度分布情況，其模擬結(jié)果見圖9。

圖9 不同工況下封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度時的火災(zāi)溫度分布

由圖9可見，在無風條件下，在火源上方的封閉通廊頂部達到了臨界溫度；而在縱向通風條件下，封閉通廊頂部達到臨界溫度的位置向火源下游發(fā)生了偏移，且風速越大，偏移距離越大。

不同工況下封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度時所需的時間對比圖，見圖10。

圖10 不同工況下封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度時所需的時間對比

由圖10可見：當風速為3.2 m/s時，封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度所需的時間最長，大約為400 s；當風速為1.6 m/s時，封閉通廊兩側(cè)開窗與否對封閉通廊內(nèi)溫度上升的影響基本相當，兩種條件下封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度時所需的時間大約相差15 s，原因有可能是窗戶的位置或窗戶尺寸不合理。

在距封閉通廊頂板0.5 m的水平方向上，以火源為中心每隔3 m布置一個熱電偶，共設(shè)置15個熱電偶(見圖3)，模擬不同工況下封閉通廊頂板附近的溫度分布，其模擬結(jié)果見圖11。

圖11 不同工況下封閉通廊頂板附近的溫度分布

由圖11可見：在有縱向通風的條件下，封閉通廊頂板附近最高溫度的位置發(fā)生了偏移，工況2、3、4下其偏移距離達到了5～10 m，與圖9的偏移情況相一致；在無風條件下，封閉通廊頂板附近的最高溫度超過了800℃，而在有縱向通風的條件下，其最高溫度有所下降，當風速為3.2 m/s時，封閉通廊頂板附近的最高溫度接近750℃。由此可見，風速也是影響封閉通廊內(nèi)溫度分布的因素，可以延緩升溫速率，降低最大溫度值。此外，在火源下游區(qū)域，隨著距火源距離的增加，封閉通廊頂板附近的溫度下降幅度較大，但當距火源的距離大于35 m時，封閉通廊頂板附近的溫度下降幅度較為平緩。

以輸送帶中心線為軸線設(shè)置豎直切面，模擬分析了加裝噴淋系統(tǒng)后對封閉通廊內(nèi)火災(zāi)溫度的影響，得到工況2、5條件下封閉通廊內(nèi)溫度分布的模擬結(jié)果，見圖12和圖13。

圖12 工況2下封閉通廊內(nèi)溫度分布

由圖12可見，工況2下火勢有進一步蔓延的趨勢，且封閉通廊內(nèi)火源上游溫度也較高。而由圖13可見，加裝噴淋系統(tǒng)后對火勢有明顯的抑制作用，阻止了火勢的蔓延，封閉通廊頂部的溫度沒有達到鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度，而且火源周圍與封閉通廊內(nèi)其他地方的溫度也較低。

圖13 工況5下封閉通廊內(nèi)溫度分布

2.3 CO濃度分布分析

人體能夠承受的CO最大濃度為50 ppm(1 ppm=10)，當CO濃度超過50 ppm時，人體會出現(xiàn)頭暈、乏力等中毒癥狀；當CO濃度超過400 ppm時，人體則面臨生命危險。在距地面1.5 m處設(shè)置水平切面，選取3個不同時刻模擬了兩種工況條件下封閉通廊內(nèi)CO濃度分布，其模擬結(jié)果見圖14。

圖14 兩種工況下封閉通廊內(nèi)CO濃度的分布

由圖14(a)可見：當模擬時間為100 s時，封閉通廊內(nèi)只有火源附近的CO濃度較高，隨著火災(zāi)的發(fā)展，封閉通廊內(nèi)CO濃度逐漸增加，但主要集中在火源及火源上游部位，這是由于火災(zāi)煙氣克服了風的阻力向火源上游蔓延，火災(zāi)煙氣中的CO向火源上游流動，同時有部分火災(zāi)煙氣在風力作用下向火源下游飄散，使得CO向下流動，阻止了CO從火源上游出口排出，并堆積在火源至上游出口的位置；當模擬時間為300 s時，封閉通廊內(nèi)火源上游附近的CO濃度基本達到了65 ppm。由圖14(b)可見：火災(zāi)煙氣在風力作用下向火源下游蔓延，封閉通廊內(nèi)CO主要集中在火源下游附近；當模擬時間為300 s時，火源下游附近CO濃度超過了50 ppm。

3 結(jié)論與建議

通過對某冶金企業(yè)廠區(qū)內(nèi)的帶式輸送機封閉通廊火災(zāi)特性進行數(shù)值模擬與分析，得到以下結(jié)論,并提出了一些建議：

(1) 封閉通廊內(nèi)火災(zāi)的煙氣蔓延受風速的影響較大，當風速為3.2 m/s時，能有效抑制火災(zāi)煙氣逆流，但封閉通廊內(nèi)火源下游能見度低于3 m大約只需150 s；當風速較小時，在火災(zāi)初期對火災(zāi)煙氣蔓延有較大的影響，當出現(xiàn)火災(zāi)煙氣逆流現(xiàn)象后，風速的影響越來越小。

(2) 封閉通廊內(nèi)升溫速率隨風速的增大而下降；封閉通廊頂部附近最高溫度的位置發(fā)生了偏移，偏移距離與風速成正比。

(3) 封閉通廊內(nèi)開窗對火災(zāi)煙氣和熱量向外擴散有積極的作用，開窗條件下封閉通廊內(nèi)能見度降到3 m以下所需的時間比無窗時多30 s，封閉通廊頂部達到鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度時所需的時間增加了15 s左右，但對火災(zāi)的抑制作用不是很明顯；在封閉通廊內(nèi)設(shè)置噴淋裝置對火災(zāi)的抑制作用較為明顯，封閉通廊內(nèi)除火源附近的溫度較高外，其他位置的溫度均較低。

(4) 封閉通廊內(nèi)在火災(zāi)發(fā)生300 s后CO濃度會超過50 ppm，若不及時疏散將會使封閉通廊內(nèi)的人員面臨生命危險。當風速為3.2 m/s時，CO主要分布在火源下游附近的封閉通廊內(nèi)；當風速為1.6 m/s時，CO主要分布在火源上游附近的封閉通廊內(nèi)。

(5) 全封閉的帶式輸送機通廊應(yīng)將火災(zāi)作為安全管理的重點防范對象，平時要反復(fù)進行應(yīng)急消防演練，使員工熟悉封閉通廊內(nèi)的疏散路線及其他應(yīng)急措施；同時，要加大對封閉通廊內(nèi)帶式輸送機的故障排查，降低火災(zāi)事故發(fā)生的概率，并合理設(shè)計通風方案，發(fā)生火災(zāi)后能快速向外排煙、排出熱量，增加人員逃生與救援的時間；此外，對封閉通廊的鋼結(jié)構(gòu)要嚴格采用耐火鋼構(gòu)件，提高其耐火極限，并在封閉通廊內(nèi)加裝噴淋系統(tǒng)，以減小火災(zāi)事故的損失。