綜合管廊電力艙火災(zāi)實驗平臺建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用

黃 萍， 林夏軍， 秦 亮， 余龍星

（福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，福州 350116）

0 引 言

地下綜合管廊是維系城市運行發(fā)展和保障民生的“生命線”［1］，但在管廊系統(tǒng)中，各類管線高度集中，電纜線路發(fā)生火災(zāi)極易誘發(fā)天然氣管道泄漏和燃爆，不僅會產(chǎn)生對管廊設(shè)施的破壞，還會進(jìn)一步影響城市的正常運行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［2］。研究綜合管廊電纜火災(zāi)中受限空間的溫度場分布規(guī)律，能夠有效保障地下綜合管廊的安全運行，同時也對研究地下管廊發(fā)生電纜火災(zāi)誘發(fā)天然氣管道泄漏和燃爆的機(jī)理具有參考意義。

地下綜合管廊電纜占用地上面積少，相關(guān)技術(shù)也較為成熟［3］，但目前缺乏對現(xiàn)有綜合管廊的防火模擬設(shè)計實驗數(shù)據(jù)和研究，導(dǎo)致學(xué)生對地下綜合管廊的受限空間火災(zāi)溫度場分布及其演變規(guī)律的特征較難理解掌握。同時，秉持著向?qū)W生傳授新知識、新技能的理念，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和理解能力，更好地滿足高校培養(yǎng)新時代高素質(zhì)人才的需要，將科研成果融入課堂是一門師生的必修課［4］。在科技創(chuàng)新成為時代發(fā)展重點的大背景下，堅持科研育人是高等教育工作的重點內(nèi)容之一［5］。在現(xiàn)代大學(xué)“科教并重，全面育人”的要求下，既要重視科研，同樣要重視教學(xué)，應(yīng)將科研成果通過案例形式融入教學(xué)中，實現(xiàn)科研與教學(xué)合一，向?qū)W生更好地傳授新知識、新技能［6］。

本文設(shè)計了一種用于模擬全尺寸地下綜合管廊電纜火災(zāi)溫度場的實驗設(shè)備，通過構(gòu)建等比例尺寸實體試驗場所，進(jìn)行電纜燃燒實驗，模擬電纜橋架在地下綜合管廊系統(tǒng)中的火災(zāi)實際情況。將電纜燃燒實驗中的受限空間溫度場分布及其演變規(guī)律應(yīng)用于教學(xué)中，有效地提升了學(xué)生對頂棚射流、熱煙氣分層、溫度縱向和垂直分布等相關(guān)知識的理解和掌握。

1 實驗平臺設(shè)計與實驗流程

1.1 實驗平臺設(shè)計

綜合管廊電力艙實驗平臺（見圖1）用于模擬真實城市地下綜合管廊電力艙，主要包括管廊模型及內(nèi)部的電纜橋架和附屬數(shù)據(jù)采集設(shè)備，一端入口采用防火板封閉，另外一端入口處設(shè)置可開啟移動門，按照實驗需求敞開或封閉。綜合管廊電力艙模型的總長度為15 m，內(nèi)部空間的凈寬和凈高分別為2.6 m和2.9 m，其截面尺寸符合GB 50838-2015（《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》）［7］的有關(guān)規(guī)定。墻體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂棚則由防火板和鋼板組成。

圖1 綜合管廊電力艙實驗平臺

管廊模型右側(cè)內(nèi)壁上附有采用固定支架結(jié)構(gòu)設(shè)置的4層電纜橋架，如圖2所示。橋架布置嚴(yán)格按照城市地下管廊的電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［8］，每層電纜橋架之間的距離為0.5 m，底層橋架離地面0.5 m，頂層橋架距頂棚0.9 m，橋架的寬度均為0.65 m。橋架上有序鋪設(shè)型號為YJV 3-16（10 kV）的電纜，電纜護(hù)套由聚氯乙烯（PVC）制成，絕緣材料由交聯(lián)聚乙烯（XLPE）制成［9］。PVC和XLPE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.9 %和7.01 %，內(nèi)置銅芯導(dǎo)體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.2%，每米電纜的重量為0.48 kg。

圖2 綜合管廊電力艙模型內(nèi)部布置

管廊墻體預(yù)留有氣體傳感器及溫度傳感器的小孔，小孔可以根據(jù)不同實驗內(nèi)容埋設(shè)不同的傳感器，傳感器可以采集管廊艙室蔓延到頂部的煙氣的溫度和濃度［10］。在距電纜橋架一側(cè)的側(cè)壁0.2 m處，沿頂棚縱向布置13個K型熱電偶，這些熱電偶距離頂棚0.04 m［11］；此外，在距離管廊密閉端口9 m處，豎向布置19個K型熱電偶（熱電偶樹）用于測量熱煙氣的垂直分層情況，具體熱電偶布置情況如圖3所示。通過對眾多研究學(xué)者的電纜橋架火災(zāi)實驗中，對火源設(shè)置方式的總結(jié)［12-14］，點火源采用純度為97.5 %的正庚烷油池火（燃燒熱為44 560 kJ／kg，燃燒效率為0.92［15］），預(yù)實驗測得的油盤尺寸為30 cm×20 cm的油池火源在穩(wěn)定燃燒階段的火源功率為28 kW。

圖3 熱電偶布置

1.2 實驗流程設(shè)計

本裝置可用于燃燒學(xué)和消防工程課程教學(xué)實驗中，對研究受限空間中的火災(zāi)溫度場及其演化規(guī)律的相關(guān)特性提供科研類教學(xué)案例，以地下綜合管廊電力艙火災(zāi)情景模擬實驗為例，實驗流程如下：

（1）基于按規(guī)定尺寸要求所搭建的綜合管廊電力艙實驗平臺，保持一端口完全密閉，另一端口敞開的狀態(tài)。

（2）在綜合管廊電力艙實驗平臺中的底層橋架上，松散鋪設(shè)7根型號為YJV 3-16（10 kV）的電纜。

（3）將裝有一定量正庚烷且尺寸為30 cm×20 cm的油盤放置于底層電纜橋架正下方，油盤底部距地面0.3 m，油盤中心點距管廊密閉端口6.5 m。

（4）將上述32個熱電偶與外部的數(shù)據(jù)采集器和電腦相連接，并開啟相應(yīng)的溫度采集軟件進(jìn)行調(diào)試。

（5）在實驗準(zhǔn)備就緒后，使用點火器點燃油池，同時啟動溫度記錄軟件，實驗過程中認(rèn)真觀察一層電纜橋架火災(zāi)的發(fā)展過程，并確保熱電偶所采集的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

（6）在油池火源熄滅后關(guān)閉溫度記錄軟件，并保存數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果分析及其教學(xué)應(yīng)用

2.1 實驗教學(xué)結(jié)果——電纜火災(zāi)溫度場分布規(guī)律

電纜橋架火災(zāi)會產(chǎn)生大量煙氣，在熱浮力的作用下上升至頂棚，進(jìn)而形成頂棚射流沿兩側(cè)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中，煙氣受到壁面的冷卻作用及周圍冷空氣的卷吸效應(yīng)，逐漸出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象［16］。以典型一層電纜橋架火災(zāi)工況（火源功率為28 kW、電纜層數(shù)為1層、電纜數(shù)量為7根）為例，在進(jìn)行溫度采集的第200 s時刻，豎向布置的熱電偶所記錄的離地面不同高度h處的溫度數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖中可以觀察出煙氣的沉降作用將管廊空間的垂直溫度場進(jìn)行了分層，且層與層之間有相對明顯的分界點，因此，依照實驗結(jié)果從頂棚至地面可依次將其劃分為頂棚射流層、中間熱煙氣過渡層和底部冷空氣層，同時這部分實驗也說明了“熱電偶樹法”可有效地對受限空間的垂直溫度場進(jìn)行描述。

圖4 距離地面不同高度處的溫度分布

在頂棚下方煙氣縱向溫度分布方面，同上述工況，溫度分布如圖5所示（測點與火源中心正上方處熱電偶之間的水平距離x為負(fù)值時表示其位于密閉側(cè)；x為正值時則位于敞開側(cè)）。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱電偶測點與火源較近時，縱向溫度的對稱分布情況良好，而當(dāng)測點遠(yuǎn)離火源時，敞開側(cè)的溫度明顯高于密閉側(cè)。這主要是因為近火源處受外界環(huán)境的影響較小，作為遠(yuǎn)火源處，敞開側(cè)由于熱煙氣的流動受助，來自火羽流的高溫?zé)煔獾闹饕臃较蚴橇飨虺ㄩ_口排出，因此敞開一端的煙氣質(zhì)量流量大于流向密閉的一端，故敞開側(cè)的煙氣沿程溫度衰減比密閉側(cè)更小，其整體的煙氣層溫度也高于密閉側(cè)，圖5形象顯示了煙氣的非對稱流動效應(yīng)導(dǎo)致的溫度非對稱分布。

圖5 頂棚溫度的縱向分布

2.2 應(yīng)用效果

將設(shè)計的地下綜合管廊電纜火災(zāi)溫度場實驗設(shè)備運用于課程教學(xué)過程中，可以讓學(xué)生充分理解電纜燃燒實驗中電纜在受限空間中的燃燒情況，對地下綜合管廊系統(tǒng)在火災(zāi)中的溫度場分布情況及其演變規(guī)律有清晰的了解，解決以往學(xué)生因缺乏對現(xiàn)有綜合管廊的防火模擬設(shè)計實驗數(shù)據(jù)和研究而產(chǎn)生的理解不到位，以產(chǎn)生更為直觀的受限空間燃燒理論模型，為此后的火災(zāi)動力學(xué)模擬工具（Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS）數(shù)值建模分析、層次分析法（Analytie Hierarchy Process，AHP）證據(jù)理論的綜合管廊火災(zāi)安全評價等步驟提供客觀實驗數(shù)據(jù)。在提升學(xué)生創(chuàng)新思維和理解能力的同時，也對提高學(xué)生實驗思路設(shè)計和動手能力方面具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 語

為打破以往因客觀實驗數(shù)據(jù)條件匱乏而對學(xué)生造成的理解限制，研制了一種用于模擬全尺寸地下綜合管廊電纜火災(zāi)溫度場的實驗設(shè)備應(yīng)用于燃燒學(xué)和消防工程課程教學(xué)中，并以電纜燃燒實驗過程中的溫度場分布情況特征及其演變規(guī)律為例，展開科研案例教學(xué)法探究工作。發(fā)現(xiàn)該裝置在提升學(xué)生對受限空間火災(zāi)溫度場相關(guān)特征的掌握水平上發(fā)揮出了顯著效果，并由實踐帶動理論，提升了學(xué)生對相關(guān)燃燒知識點的掌握程度，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新實驗?zāi)芰Α?/p>