T形電纜隧道中電纜火災蔓延及溫度分布分析

任廣振，姜文東，余斌，呂洪坤，張曉龍，陳斌，劉安文

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司浙江紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

0 引言

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道［1］。由于大量的工業(yè)與民用電纜安裝在公用隧道（以下簡稱“電纜隧道”），電纜由于存在各種缺陷極易引發(fā)火災等安全事故［2-3］，綜合管廊內(nèi)電纜艙室發(fā)生火災的概率與危險性很高［4］。我國多數(shù)電纜的絕緣材料是聚氯乙烯或交聯(lián)聚乙烯等碳氫化合物，具有較強的可燃性［5］。一旦發(fā)生火災，不僅會破壞電纜和電氣設備，也會導致整個城市電力和通信的中斷及癱瘓，造成嚴重的經(jīng)濟損失［6］；還會產(chǎn)生大量有毒煙氣，如一氧化碳、氯化氫等［7］，對人體造成嚴重傷害。

國內(nèi)外學者已經(jīng)對電纜隧道的火災風險進行了大量研究。彭玉輝［8］用FDS（火災動力學模擬工具）模擬研究了隧道電纜火災中熱釋放速率、隧道內(nèi)縱橫向溫度以及隧道煙氣濃度的變化。李文婷［9］通過建立不同環(huán)境下電纜隧道電纜火災模型來分析電纜火災蔓延特性。趙永昌等［10］建立了比例為1∶3.6的小型電纜隧道模型，通過實驗和數(shù)值模擬分析了火災發(fā)生后溫度場分布和煙氣運動特征。孫大根［11］利用FDS 軟件分析了不同進、排風量對電纜火災發(fā)展和火災危險性的影響，并發(fā)現(xiàn)適度通風可以減小電纜火災危險性，但是通風量增加過多也會增強燃燒效率，加快火災的發(fā)展。王明年等［12］認為艙室凈高是影響電纜火災的發(fā)展速率及熱釋放速率峰值的重要參數(shù)，而通道寬度對電纜火災的影響較小。Zavaleta等［13］研究了密閉和通風條件對阻燃電纜火災的影響，研究表明密閉條件會導致火災增長速率、熱釋放率峰值降低。MATALA 等［14］利用FDS 電纜隧道內(nèi)水噴霧對電纜隧道火災的影響，得出了水噴霧條件下電纜火災的蔓延特性。周彪等人［15］利用FDS 模擬分析了無豎井時T 形隧道電纜火蔓延特征，研究發(fā)現(xiàn)電纜火災首先蔓延至上層電纜，繼而向另外一側蔓延，然后充滿整個空間，無豎井時，頂棚溫度長時間保持高溫狀態(tài)，開口處出現(xiàn)了氣流和環(huán)境壓力的波動。

上述研究主要分析了常規(guī)電纜隧道結構內(nèi)溫度的分布特征和火災蔓延速度等特征參數(shù)演化特性，少數(shù)工作涉及T 形電纜隧道的電纜火災蔓延特性。然而，針對工程中常見的豎井，在其影響下的T 形隧道電纜火災火蔓延和溫度分布特征關注度較低，其行為特征規(guī)律尚不明晰。因此，本文開展了豎井影響下的全尺寸T 形結構電纜隧道火災FDS 模擬，闡明了電纜敷設數(shù)量和豎井位置對電纜隧道內(nèi)溫度分布和火蔓延特征的影響。

1 FDS軟件及模型介紹

1.1 FDS簡介

FDS 是由NIST（美國國家技術標準與技術研究所）開發(fā)的一款CFD（計算流體動力學）軟件。FDS 可以顯示包括溫度變化、煙氣運動和火蔓延在內(nèi)的各種詳細結果，并將計算結果可視化，是研究火災的有效工具之一。由質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒三大定律建立的方程是FDS 的基本思想。與其他CFD模型相比，F(xiàn)DS模型具有較少的假設數(shù)據(jù)和更堅實的理論基礎，能在較大范圍內(nèi)準確模擬火災現(xiàn)象，且具有較小的模擬偏差，更貼近實際，是適用范圍較廣的火災模擬軟件。

1.2 T形隧道模型

根據(jù)T 形地下電纜隧道及有關隧道尺寸的規(guī)定，本文建立了T 形電纜隧道模型，如圖1 所示。隧道橫截面寬2 m，高2.5 m，一區(qū)長8 m，二區(qū)長6 m，隧道內(nèi)部采用6層電纜豎向并排敷設。電纜形狀簡化為橫截面邊長0.1 m的長方體，電纜豎向間距為0.1 m。隧道兩個區(qū)域軸線交叉處的頂棚上設置截面為邊長1 m的正方形，高度為1 m的豎井，為充分模擬計算結果，豎井上方存在2.5 m高的計算區(qū)域。

圖1 T形電纜隧道模型及測點布置示意圖

1.3 火源位置及測點設置

模擬的火源類型采用t2 非穩(wěn)態(tài)火災，此類模型更接近實際火災發(fā)展規(guī)律?；鹪次挥诙^(qū)中心靠近左墻處，尺寸為1 m×0.1 m，模擬火源功率默認為4 MW，火源燃燒360 s 后關閉火源。熱電偶樹T1—T12 布置在隧道頂棚軸線處，位置為一區(qū)：X=0 m、1.5 m、3 m、4 m、5 m、6.5 m、8 m，二區(qū)：Y=2 m、3.5 m、5 m、6.5 m、8 m。熱電偶自上而下0.25 m 等間距布置，每個熱電偶樹有10個熱電偶。T形隧道模型模擬參數(shù)見表1。電纜材料設置如表2所示。

表1 T形隧道模型模擬參數(shù)設置

表2 電纜材料設置

1.4 網(wǎng)格獨立性驗證和模型有效性驗證

網(wǎng)格尺寸是模擬計算中的重要參數(shù)。FDS中，D*δx的范圍應在4～16，其中δx為網(wǎng)格邊長，D*根據(jù)式（1）計算：

式中：為熱釋放速率；ρa和Ta分別為環(huán)境空氣密度和溫度；cp為空氣比熱容；g為重力加速度。

本文中火源移除后的穩(wěn)定燃燒熱釋放速率均在1 500 kW 以內(nèi)，對應的網(wǎng)格尺寸在0.068～0.28 m。由于電纜尺寸的限制，取網(wǎng)格尺寸0.05 m 和0.1 m進行建模運算，得出單排電纜排布時的熱釋放速率如圖2所示。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸時的熱釋放速率

因此，本文模型經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證，所采用的網(wǎng)格尺寸為0.1 m。此外，模型中的參數(shù)設置與文獻［16］保持一致，所得模擬結果相近。

2 T形隧道數(shù)值模擬分析

2.1 T形隧道內(nèi)電纜火焰蔓延分析

電纜截面長寬為10 cm×10 cm，橫向間距10 cm，豎向間距10 cm，豎井高度為1 m，中心點位于x=4.0 m，y=1.0 m。電纜敷設情況依次為每層1～4 根，因在1 080～3 000 s 時電纜火焰已熄滅，基本沒有變化，為簡化分析，本文只分析300～1 080 s的火焰蔓延現(xiàn)象。如圖3所示，當t=300 s時，因火羽流碰到隧道頂部，產(chǎn)生頂棚射流，隧道頂棚輻射反饋給頂層電纜；此外，電纜燃燒產(chǎn)生的火焰對頂部電纜加熱使其燃燒加速，頂棚射流現(xiàn)象加劇；火焰引燃了對面一側電纜；此時，火勢達到最大，進入充分燃燒階段。t=420 s 時，火源上方電纜燃盡，向兩側蔓延，火勢逐步減弱，且在不同電纜敷設情況下，火源對面一側只有最上層及最外層電纜發(fā)生燃燒。t=1 080 s 時，火源對面一側火焰熄滅，火源上方電纜火勢也進入衰減熄滅階段。因電纜隧道是狹長的受限空間，火災一旦發(fā)展到一定程度，火焰會撞擊頂棚和側壁，形成頂棚射流，導致火焰向兩側擴展。電纜受到來自火焰、頂棚等多種因素產(chǎn)生的輻射加熱，導致輻射加強，引起火焰蔓延加速。而底層電纜受到的火焰加熱和輻射強度往往較弱，因此火焰蔓延速度較慢。此外，火源對面一側的電纜燃燒時是由頂部至底部蔓延，主因是頂棚射流現(xiàn)象導致火焰橫向拓展，頂棚溫度升高迅速，高溫火焰和煙氣所產(chǎn)生的強輻射、強對流迅速引燃頂層電纜，其后，高溫區(qū)逐漸下移，引燃低層電纜。

圖3 不同電纜敷設情況下火災蔓延發(fā)展現(xiàn)象

2.2 T形隧道內(nèi)溫度分布

隧道內(nèi)溫度分布分為豎向溫度分布和水平溫度分布。圖4（a）所示為當電纜橫向分布每層2列，豎向6 層時，T 形交點處（水平位置為圖1（b）中位置4 時）的熱電偶樹所測溫度隨時間變化曲線?？梢钥闯觯?0 s 火源未點燃時，各熱電偶溫度維持在20 ℃。在60 s 時火源開始點火，熱煙氣從火源位置上升，撞擊到頂棚后形成頂棚射流并沿頂棚向水平方向傳播，所測溫度逐漸上升。由于熱煙氣聚積在隧道上部并逐漸變厚，因此熱電偶最高溫度隨高度增加而增高。隨著熱煙氣厚度的增加，隧道下部溫度逐漸緩慢上升。然而，在360 s之前測得的溫度主要為火源燃燒時的溫度，且最高溫度隨火源功率增加而升高，隨距火源距離增加而降低。由于模型設置為360 s 時火源被移除，熱釋放速率及熱電偶溫度很快降低至電纜燃燒的溫度，隨后開始緩慢降低并進入一個溫度相對平穩(wěn)的燃燒階段（對應于圖4 中約370～900 s 的時間范圍）。在分析電纜排布數(shù)量對隧道內(nèi)溫度分布的影響時，采用該階段的平均溫度。圖4（b）所示為水平方向溫度變化曲線，可以看出，水平方向高溫階段集中在360 s 之前，后期溫度分布較為雜亂，主要是因為水平方向電纜火蔓延所致。

圖4 豎向和水平方向溫度隨時間變化情況

2.2.1 豎直方向溫度分布

隧道內(nèi)發(fā)生火災后，高溫煙氣因熱浮力作用上升，在隧道頂部形成高溫煙氣層，而下部則是溫度相對較低的冷空氣層。上部熱煙氣層與下部冷空氣層之間有較為明顯的分層現(xiàn)象，溫度斷層明顯，因此不同位置處即使熱電偶高度相同，溫度也存在差異。

圖5所示為無豎井時不同電纜排布下的各熱電偶樹溫度變化曲線。電纜敷設數(shù)量越多，頂棚最高溫度越高，但頂棚最高溫度的上升與電纜敷設數(shù)量的增加不成比例，而是隨著電纜數(shù)量增加，頂棚最高溫度的上升速率逐漸減小。同時，電纜數(shù)量越多，隧道內(nèi)整體溫度也越高，各熱電偶樹所測得的高溫煙氣層厚度增加，且近火源處煙氣層厚度增加量遠大于遠火源處。

圖5 無豎井時不同電纜排布下各熱電偶樹溫度曲線

2.2.2 水平方向溫度分布

受限空間內(nèi)發(fā)生火災時，熱煙氣從火源處上升，撞擊到頂棚后向四周擴展，因此在同一工況條件下，近火源處頂棚下最高溫度比遠火源處頂棚下最高溫度更高。如圖6 所示，當電纜排布為1×6無豎井時，二區(qū)內(nèi)10號熱電偶樹處于火源位置處，整體上來說溫度相比其他位置更高；9號熱電偶樹所測得的溫度分布和11 號熱電偶樹所測得的豎直溫度分布基本相同，即對于火源位置是對稱的；由于12 號熱電偶樹位于隧道開口處，測得的溫度明顯低于8號熱電偶樹所測得的溫度；一區(qū)內(nèi)各位置處溫度是關于4號熱電偶樹對稱的，并且離4號熱電偶樹越遠，溫度越低，其余不同電纜敷設數(shù)量下豎直方向溫度分布趨勢呈現(xiàn)出類似的對稱性。

圖6 電纜排布1×6的水平溫度分布

2.3 豎井對火災熱釋放速率的影響

由圖7 可知，不同電纜數(shù)量時豎井位置對HRR（熱釋放速率）的影響較為明顯，在每層電纜數(shù)量較少（3 條及以下）時，HRR 幾乎正比于電纜數(shù)量。但隨著電纜數(shù)量繼續(xù)增加，無豎井時電纜隧道內(nèi)HRR 的增長速度有所減緩。主要原因是：隧道屬于狹長空間，內(nèi)部空氣有限，當可燃物較多時，燃燒需要大量氧氣，火災由發(fā)生至發(fā)展階段，其燃燒將由燃料主控過渡到通風主控，若狹長通道內(nèi)空氣比例降低，則電纜的HRR將大大降低。因此，電纜數(shù)量達到一定程度并繼續(xù)增加時，將降低HRR的增加速率。

圖7 豎井對不同電纜數(shù)量時熱釋放速率的影響

2.4 豎井對電纜隧道溫度的影響

2.4.1 豎井對頂棚最高溫度的影響

圖8給出了電纜隧道發(fā)生火災時豎井對隧道頂棚溫度的影響?？梢?，在敷設不同數(shù)量電纜的情況下，豎井對一區(qū)頂棚溫度的影響較為明顯。其中，豎井正下方靠近頂棚處的溫度變化最明顯，此處溫度范圍為25～45 ℃，接近環(huán)境溫度。主因是當豎井高度大于臨界吸穿高度時，豎井內(nèi)高溫煙氣引起的煙囪效應較為明顯。隧道下層的新鮮空氣被吸入豎井，降低了豎井自然排煙的效率，降低了豎井底部的平均溫度。

圖8 豎井對頂棚溫度的影響

在一區(qū)內(nèi)除豎井底部外的隧道頂棚處，溫度相較于沒有豎井的情況均下降明顯，且距豎井越遠降溫效果越明顯。二區(qū)隧道內(nèi)的電纜燃燒時產(chǎn)生的大量高溫煙氣將沿隧道二區(qū)向兩端傳播，一部分由C 口排出，另一部分由豎井排出。高溫煙氣通過豎井排出隧道，同時因排煙產(chǎn)生壓差，將導致大量新鮮空氣由隧道A 口、B 口進入電纜隧道，形成與火焰蔓延方向相反的氣流運動，降低隧道內(nèi)溫度并降低電纜火災的蔓延速度。

近火源處電纜的火勢較大，燃燒的電纜對周圍環(huán)境的熱輻射較強，并產(chǎn)生大量的高溫煙氣。豎井位于一區(qū)，距離較遠，因此氣流運動對二區(qū)頂棚射流影響較小，二區(qū)頂棚的溫度變化較小。

2.4.2 豎井對隧道內(nèi)豎向溫度分布的影響

選取圖1 中的典型位置3 和9，圖9 是以電纜敷設數(shù)量4×6為例的各熱電偶樹的溫度分布情況。可以看出，相同高度處的溫度均有所下降，說明豎井對于電纜隧道內(nèi)不同高度處的溫度均有一定的降低作用。在二區(qū)隧道內(nèi)，由于火勢較大、且氣流運動對本區(qū)域影響較小，隧道內(nèi)溫度變化較弱。而在一區(qū)內(nèi)，因煙氣大部分由交叉處豎井排出，同時大量新鮮空氣補充進入隧道內(nèi)，因此溫度下降較為明顯。因此，增加豎井可以為救援人員提供更充分的作業(yè)空間和時間，同時也能降低電纜和設施的受損程度，對電纜隧道火災的撲救作業(yè)和隧道內(nèi)設備的保護具有積極意義。

圖9 豎井對豎向溫度分布的影響

3 結論

針對豎井影響下的T 形隧道電纜火災火蔓延和溫度分布特征，本文開展了豎井影響下的全尺寸T 形結構電纜隧道火災FDS 模擬，分析了不同電纜敷設數(shù)量下，豎井位置變化對隧道內(nèi)溫度分布和HRR的影響。研究結論如下：

1）火源側電纜起火后產(chǎn)生的火羽流撞擊隧道頂棚后形成反浮力壁面射流，造成最上層電纜被點燃的長度遠大于次上層，電纜燃燒形成倒三角形狀向兩側蔓延。

2）電纜數(shù)量越多，頂棚最高溫度越高，隨著電纜數(shù)量增加，頂棚最高溫度的增加值逐漸減慢。電纜數(shù)量越多，隧道內(nèi)整體溫度升高，同時高溫煙氣層厚度增大，且近火源處煙氣層厚度增加量遠大于遠火源處。

3）無豎井時電纜隧道內(nèi)HRR的增長速度有所減緩。主要是因為電纜數(shù)量越多HRR越大，且增長幅度較大，因此可以推測火源附近被燒失的電纜也越多。當可燃物過多時，逐漸轉化為通風控制型火災，受制于通風條件，而電纜數(shù)量較多時，存在豎井的電纜隧道火災的HRR 低于無豎井的情況。

針對電纜隧道內(nèi)易發(fā)生火災的重點保護區(qū)域，需要結合豎井對熱釋放速率和溫度分布的影響進行設計和改進，并基于溫度分布等參數(shù)設計消防滅火噴頭等設施的布置。