火源位置對一端封閉電纜隧道火災蔓延影響

吳 執(zhí)，王 磊，王 瑯，彭 璟，張青翔，田 歡，趙培焱，李林杰

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 市南供電分公司，重慶 401336；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.國網(wǎng)重慶市電力公司 武隆供電分公司，重慶 408500)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電纜在日常生活中應用廣泛，尤其是電力工業(yè)，電纜隧道輸送電力的情況也越來越多，電線電纜的火災安全性能備受關注[1]。雖然電纜隧道火災發(fā)生的幾率不高，但極具危險性，一旦發(fā)生，就會迅速燃燒并產(chǎn)生大量的二氧化碳、一氧化碳、氯化氫等有害氣體和煙塵，電纜隧道環(huán)境惡劣使人工救援困難和災后修復時間長，造成巨大的影響和損失[2-4]。根據(jù)有關資料統(tǒng)計，美國的電氣火災事故中電線電纜火災占30.5%，日本的電力、鋼鐵等行業(yè)中有75%的企業(yè)發(fā)生過電纜火災，而我國近十年來也發(fā)生了上百起電纜火災，累積燒毀電纜40多萬m，造成不可估量的損失[5]。由此可見，電纜隧道火災的危險性不容忽視。

近些年來，國內外相關學者對電纜隧道火災進行了大量實驗和數(shù)值模擬研究。周彪等[6]等通過對模擬火災數(shù)據(jù)的處理和分析，給出了電纜隧道火災時的煙氣濃度、氧氣濃度、縱向溫度、火焰蔓延情況以及高溫煙氣在隧道中水平蔓延規(guī)律。吳鳳等[7]利用CFD軟件建立地鐵電纜火災煙氣流動模型，分析地鐵隧道發(fā)生電纜火災時的煙氣流動規(guī)律，并指出縱向風速對電纜隧道火災中人員疏散和應急救援的影響。MATALA等[8]采用Mont Carlo方法，以火災動力學模擬軟件FDS作為確定性火災模型進行概率模擬，用一維熱解模型對電力電纜的主要火災荷載進行建模，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對材料參數(shù)進行估算。李苗等[9]應用FDS軟件對電纜隧道火災過程進行了計算機模擬,得出火災具有發(fā)展迅速、結構可能嚴重損傷、煙氣量大、有害氣體濃度高、撲救困難等特點。李孝湘等[10]建立電力電纜隧道耐火試驗升溫模型，研究不同類型曲線與電力電纜隧道火災發(fā)生時升溫過程的匹配性問題，結果顯示市政或交通隧道的 RABT-ZTV曲線可滿足其耐火性能試驗的要求。也有學者針對電纜隧道結構對火災影響的程度開展研究，HUANG等[11]使用垂直電纜槽在密閉室內進行全尺寸火災實驗，對最高頂棚射流溫度進行研究。周彪等[12]建立T型電纜隧道模型,對電纜隧道火災進行全尺寸模擬，研究隧道內空氣溫度及火災煙霧濃度隨時間、空間的分布情況。AN等[13]采用數(shù)值模擬方法研究了L形綜合管隧道內電纜火災引起溫度分布和CO擴散。

由于電纜隧道發(fā)生火災的位置的不確定性，研究火源位置對電纜隧道火災的影響及防治措施具有十分重要的應用價值。因此，筆者運用FDS軟件建立電纜隧道模型，通過數(shù)值模擬的方法研究了一端封閉條件下電纜隧道中不同縱向火源位置對電纜隧道火災的影響。

1 數(shù)值模擬

筆者采用火災仿真FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件建立不同火源位置電纜隧道火災模型，F(xiàn)DS是由美國國家標準研究所(NIST)與火災研究實驗室(Building and Fire Research Laboratory)合作共同研發(fā)的一款基于場模型的計算火災動力學模擬軟件，它根據(jù)建筑火災的性質，以簡單直觀的圖像生動形象地展現(xiàn)出火災發(fā)生的過程，并能對火災煙氣蔓延和熱傳遞等相關問題進行研究分析[14-15]。

1.1 模型建立

用FDS軟件構建一個水平長方體狀的電纜隧道模型，如圖1所示。模型電纜隧道長200 m，寬2.8 m，高2.6 m，墻的厚度為0.2 m，如圖2所示。隧道采用耐火材料混凝土制成，左端用混凝土擋墻完全密封，另一端則自然通風，其自然通風口的尺寸為2.4 m×2.2 m(長×寬)。隧道的兩側各布置3層電纜，上下層間距為0.5m，同時在電纜正下方設有高度為0.2 m的排水溝。電纜層采用具有優(yōu)良耐低溫性能的材料聚乙烯(PE)，設置聚乙烯電纜材料的單位熱釋放速率為225 kW/m2、燃點為250 ℃。

圖1 電纜隧道模型右視圖

圖2 電纜隧道模型圖

模擬實驗的熱電偶測點分別布置在隧道側壁3層電纜正上方0.1 m處以及隧道的頂棚正下方，熱電偶測點間距0.2 m，每一層有101個熱電偶測點。此外，在隧道和電纜層的軸對稱斷面上設置有溫度、CO濃度以及能見度的切片，實時采集實驗過程中的氣象數(shù)據(jù)。同時，為更清楚直觀地描述數(shù)據(jù)和理解火焰煙氣的蔓延情況，通過Smokeview軟件將數(shù)據(jù)轉換成可視化的三維動態(tài)的模擬結果[16]。

1.2 網(wǎng)格劃分

在模擬的過程中，網(wǎng)格的大小會影響模擬的準確性，網(wǎng)格越小模擬精度越高，但對計算機性能要求也更高。因此，計算區(qū)域內的網(wǎng)格能否被準確地劃分，將直接影響計算結果的準確性[17]。為選取適合的網(wǎng)格尺寸，在FDS中，可以采用當量火源直徑D*與網(wǎng)格尺寸δX的比值來對網(wǎng)格劃分的質量進行評估。D*的公式為：

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，取1.293 kg/m3，Cp為空氣定壓比熱容，取1.005 kJ/(kg(K)；T∞為環(huán)境的溫度，取295 K；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

一般認為，當量火源直徑D*與網(wǎng)格尺寸δX的比值介于4～16之間，且數(shù)值越大，模擬結果就越精確。火源的熱釋放速率Q為3 MW，計算得到的當量火源直徑D*為1.442，由此可得網(wǎng)格尺寸δX的取值范圍是0.090～0.361。選擇4種網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格靈敏度分析，如表1所示。

表1 模型精度檢驗網(wǎng)格尺寸設置

其網(wǎng)格獨立性分析如圖3所示?？芍斁W(wǎng)格尺寸小于0.25 m時，模擬得到的結果變化不大，但是消耗的計算時間會極大增加，所以建模時采用0.2 m的網(wǎng)格，同時考慮到電纜在豎向上的尺寸比較小，并且溫度在豎向上的分布梯度比較大，所以網(wǎng)格在豎向上進行了加密，采用了0.1 m的網(wǎng)格，因此，網(wǎng)格的尺寸選擇0.2 m×0.2 m×0.1 m。

圖3 不同尺寸網(wǎng)格對隧道頂棚下方溫度的影響

1.3 火源設置

由于隧道中電纜對稱排列，取一側電纜層進行分析，火源分別縱向布置在電纜隧道的底層電纜層上，尺寸為0.6 m×4 m，燃料選取FDS燃燒物資源庫中的庚烷(HEPTANE)，其燃燒特性為FDS數(shù)據(jù)庫默認值。電纜隧道火災發(fā)展過程屬于t2火模型[18]，如式(2)所示。

Q=αt2

(2)

式中：Q為熱釋放速率，kW；α為增長系數(shù)，kW/s2；t為時間，s。根據(jù)美國NFPA的分類標準，超快速火災對應的α=0.187 8[19]?；鹪吹膯挝幻娣e熱釋放率為1 250 kW/m2,火源面積為2.4 m2，其最大熱釋放率即火源功率為3 MW。由式(2)可得，此電纜隧道模型達到最大熱釋放率只需126 s左右，參數(shù)如表2所示。數(shù)值模擬的時間設置為600 s,環(huán)境的初始溫度為22 ℃，分別設置火源在底層電纜層縱向50 m、100 m和150 m處3種不同火源位置的工況進行數(shù)值模擬，其正視圖如圖4所示。

圖4 不同工況火源布置方式

表2 火源參數(shù)

2 模擬結果與分析

2.1 煙氣蔓延情況

模型所模擬的電纜隧道火災的煙氣蔓延情況可分為4個階段，即迅速上升階段、縱向蔓延階段、封堵回彈過渡階段和穩(wěn)定階段。通過smokeview軟件可得電纜隧道一端封堵條件下火源位置在底層電纜100 m位置處(即電纜隧道底層中部位置)不同時刻的煙氣蔓延情況，如圖5所示，可知火源開始燃燒后，煙氣首先在浮力的作用下持續(xù)地向上運動，運動到頂棚位置時形成頂棚射流，隨后沿著電纜隧道的頂棚向兩端做水平運動，此時煙氣主要集中在電纜隧道的上端，160 s左右煙氣到達電纜隧道的兩端，但煙氣運動到電纜隧道右端所用的時間比左端更短，煙氣在150 s時運動到右端開口位置，但直到170 s時電纜隧道左端的煙氣才到達封堵位置，煙氣在撞擊電纜隧道左端封堵邊墻后，開始沿隧道的中下端向左端的開口處做一維地縱向蔓延，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，在隧道的開口位置處形成空氣對流。

圖5 工況2不同時刻煙氣蔓延情況

此外，電纜隧道內不同縱向位置發(fā)生火災后煙氣的運動也不一樣?；鹪丛诓煌v向位置時電纜隧道內煙氣達到穩(wěn)定狀態(tài)的分布情況如圖6所示，可知火源位置距離封堵的位置越近，煙氣擴散至充滿整個電纜隧道所用的時間越短，火源右端電纜隧道的中下層煙氣擴散越難。這是由于電纜隧道內封堵處的空氣儲存量有限，右端出口處與外界大氣壓連通，發(fā)生火災后電纜隧道內外產(chǎn)生溫差，由溫度差引起的壓強差加強了空氣的對流，受火源與隧道出口距離的影響，火源位置越靠近封堵處，壓強差的作用效果越不明顯。

圖6 穩(wěn)定狀態(tài)煙氣分布圖

2.2 穩(wěn)定狀態(tài)溫度變化規(guī)律

溫度是衡量火災強弱的重要指標之一。筆者統(tǒng)計了不同工況下電纜隧道內煙氣達到穩(wěn)定狀態(tài)(即500 s～600 s)時的平均溫度，如圖7所示。可知靠近火源位置的各層熱電偶所測得的煙氣溫度最高，且電纜第3層的煙氣溫度峰值最高，其次是頂棚或第2層，底層電纜層的煙氣溫度峰值最低。另外煙氣溫度峰值并不位于火源位置，而是在火源右邊一段距離內，火源越靠近電纜隧道的開口端，這段距離就會減小。原因是煙氣主要積聚在電纜隧道的上部，底層的煙氣是由于電纜隧道左端封閉從上端擴散而來，所以溫度較低。此外，火源左端電纜隧道內的氧氣含量有限，而右端的電纜隧道與外界的空氣連通，電纜向右端燃燒的傾向更大，但隨著火源位置越接近電纜隧道右端開口位置，模擬的工況就會越接近于無封堵情況下的電纜隧道，所以電纜隧道內的燃燒情況就會越接近于通常火災燃燒的現(xiàn)象。

圖7 不同工況煙氣溫度分布

2.3 火焰分布規(guī)律

火焰蔓延情況是反映電纜隧道火災的重要指標之一。模擬一端封閉電纜隧道不同起火位置情況下的火災蔓延情況，如圖8所示。底層電纜起火以后，火焰迅速增大進而引燃上層的電纜，當觸碰到頂層的墻壁后就開始沿隧道頂端向兩邊蔓延，且火焰沿頂層蔓延的距離最長。當火源達到最大熱釋放率以后，火焰才沿頂層向兩端蔓延，300 s左右火焰蔓延的距離漸漸減小，而后引燃火源右端的電纜向開口端燃燒。3種工況下前期的火焰蔓延情況近乎相同，但越往后期火焰燃燒的情況有明顯的區(qū)別。工況1火源在底層電纜層50 m處，燃燒后期火焰在火源右邊一段距離左右搖擺，但變化的幅度很小;工況2火源在電纜層100 m處，燃燒后期火焰向右端擴散的速度很快，左右擺動變化的幅度非常大，火焰燃燒的區(qū)域也相應縮小；工況3火源在電纜層150 m處，后期火焰蔓延情況與前期相比變化較小，300 s后火源兩端火焰蔓延的距離驟然減小，而后火焰又向兩端慢慢延伸，但向開口端蔓延的距離較向封堵端更遠。

圖8 不同工況下火焰蔓延情況

實際工程中將電纜的燃點定義為250 ℃，故將溫度大于250 ℃的區(qū)域，認為電纜層正在燃燒，定義為火焰區(qū)域，如圖9所示。為研究不同工況下火焰蔓延情況，取各個時間段火焰蔓延速度作為研究對象進行分析。設時間間隔t=100 s，達到電纜燃點溫度的區(qū)域距離為D，由于電纜層熱電偶間距為2 m，只需統(tǒng)計溫度大于250 ℃的熱電偶數(shù)量即可，故可得火焰的蔓延速度公式為：

(3)

式中：Vh為火蔓延的速度；di為下一段火焰距離；di-1為上一段火焰距離；t為火蔓延時間。

根據(jù)所測數(shù)據(jù)，電纜層第3層的溫度變化幅度最大，火焰蔓延的現(xiàn)象最明顯，故取第3層電纜層的數(shù)據(jù)進行分析，如圖10所示。可知前期火焰蔓延速度情況相近，隨著時間的增加，火焰蔓延速度越快，直到火源達到最大熱釋放率以后，火焰蔓延的速度有所減弱，到300 s左右，火焰蔓延的速度出現(xiàn)了負增長。但不同工況的負增長情況也存在差異，400 s后工況3的火焰蔓延情況在減弱后又有所回升。主要存在以下兩方面原因：①隧道內煙氣的影響，電纜燃燒產(chǎn)生大量二氧化碳，抑制了火源左端電纜燃燒；②氧氣含量的影響，由于隧道左端封閉氧氣含量有限，隧道內溫度升高在右端開口處形成煙囪效應，為電纜隧道燃燒提供氧氣。因此，火源越靠近電纜隧道開口端，火焰蔓延情況越明顯，反之，則越不穩(wěn)定。

圖9 火焰區(qū)域定義圖

圖10 各工況下火焰蔓延速度對比

3 結論

筆者采用數(shù)值模擬的方法，研究一端封閉條件下電纜隧道不同縱向火源位置的火災燃燒現(xiàn)象，通過分析不同工況下的煙氣蔓延情況、溫度變化規(guī)律和火焰蔓延規(guī)律，得出以下結論：

(1)電纜隧道內不同縱向位置發(fā)生火災時，煙氣的擴散效果明顯不同。越靠近封堵處的位置發(fā)生火災，煙氣擴散至充滿整個隧道的速度越快。

(2)電纜隧道火災的最大溫度在火源的右方，并且這段間距隨著火源與封堵距離的增大而減小。

(3)火源越靠近電纜隧道封堵位置，其火焰蔓延情況越不穩(wěn)定。