基于FDS的火源位置對高壓電纜溝道火災(zāi)的影響研究*

貢顥 郭聳 程洋 湯振東

（南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210018）

0 引言

我國每年發(fā)生的多起火災(zāi)中，電氣原因造成的占比持續(xù)居前，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失數(shù)量大。目前我國城市的電力設(shè)施正在向地下空間大規(guī)模聚集發(fā)展，電纜逐步進入地下空間。由于地下空間具有復(fù)雜性、隱蔽性、封閉性等特征，如若發(fā)生火災(zāi)，人員逃生和消防救援都將比地面更加困難。在城市地下綜合管廊中，有大量用于運輸水電氣等能源的管道，其中電纜管道最具危險性，再加上地下空間火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣更易聚集的特點，電纜受熱分解放出大量有毒有害煙氣，空間內(nèi)溫度高，逃生救援也極為困難。因此有必要對地下空間電纜的火災(zāi)蔓延和煙氣行為及噴淋設(shè)備對其影響開展研究。國內(nèi)外已有研究人員通過實驗和模擬手段對電纜火災(zāi)特性機理以及電纜溝道火災(zāi)進行了大量研究和分析。楊永斌［1］研究了點火源位于不同水平和豎直位置情況對電纜火災(zāi)的影響，闡述了不同情況下管廊內(nèi)部火場溫度隨時間的變化規(guī)律，總結(jié)了火勢在不同電纜層間蔓延的趨勢。周彪等［2］通過FDS軟件對T型電纜溝道火災(zāi)模擬，得出溝道內(nèi)煙氣運動及溫度分布情況。王印［3］使用數(shù)值模擬軟件，研究了地下建筑機械排煙與噴淋條件下不同情況的煙氣運動行為，并且得出適當(dāng)?shù)呐艧熆谖恢每纱蟠笱泳徎饒鰞?nèi)煙氣蔓延速度，以延長人員可用安全疏散時間。NUIANZIN O等［4］則同時采用了實驗方法和數(shù)值模擬方法，確定電纜溝道發(fā)生火災(zāi)時其內(nèi)部最高溫度、局部區(qū)域火災(zāi)持續(xù)時間以及達到最高溫度的時間與電纜溝道橫截面積、火災(zāi)荷載等的關(guān)系。盡管目前已有很多針對不同條件下的電纜溝道火災(zāi)進行的研究，但所研究的電纜溝道火災(zāi)的影響因素比較單一，工況缺乏多樣性，很少有研究將多種不同情況的影響進行綜合分析，因此具有一定局限性。本文將采用FDS數(shù)值模擬，依托實際應(yīng)用場景建立高壓電纜溝道模型，在以火源位置為變量的多種不同工況下，著重探討不同的工況條件對電纜溝道火災(zāi)的影響，并設(shè)計噴淋系統(tǒng)以探究其對火災(zāi)防控的作用。

1 模擬軟件及模型

本文采用FDS（Fire Dynamics Simulation）數(shù)值模擬方法，F(xiàn)DS是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院所開發(fā)的當(dāng)今主流的火災(zāi)數(shù)值模擬工具。研究模型采用以某段110 kV電纜線路部分為基礎(chǔ)，電纜溝道路徑總長度為465 m。所模擬的電纜溝道為長度15 m的縱向敞開非封閉空間，電纜溝道剖面如圖1所示。電纜采用三相接觸品字形布置，三芯剛性固定處間距為4 m，電纜線模型簡化為圓柱體3層，從外到內(nèi)分別為外層護套、絕緣層和銅制電纜芯。電纜外層護套和絕緣層材質(zhì)均為聚氯乙烯（PVC）。表1列出了電纜各層尺寸參數(shù)。本模擬中電纜熱釋放速率峰值設(shè)定為128 kW/m2，達到峰值的時間為65 s。

表1 電纜各層尺寸參數(shù)

圖1 電纜溝道剖面（單位：mm）

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/16733-1：2015［5］，本模擬將高壓電纜溝道內(nèi)的電纜火災(zāi)定義為超快速火，并將火源熱釋放速率設(shè)為8 MW/m2。由于電纜接頭處容易誘發(fā)火災(zāi)事故，因此將火源的長度設(shè)為接頭處絕緣層的長度，為0.28 m，火源面積為0.028 m2。通過公式計算和進行網(wǎng)格獨立性測驗后，本模擬選擇將網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1 m×0.1 m×0.1 m，總網(wǎng)格數(shù)為109，350個。分別在橫向0.5、1.0、1.5、2.0、2.3 m處和豎向火源處設(shè)置溫度切片，豎向中心面處設(shè)置可見度切片。在火源上方及高度為0.6、1.0、1.4、1.8 m處設(shè)置熱電偶。熱電偶的布置情況如圖2所示。

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置示意

2 結(jié)果與討論

2.1 電纜溝火蔓延特性研究

圖3給出了火源在溝道端部底層工況下火災(zāi)的火焰煙氣蔓延和溫度變化情況?；鹪粗行淖鴺?biāo)為（0.67，0.5，0.58），溝道內(nèi)溫度為20℃。

圖3 電纜溝火勢蔓延示意

由圖可知，火源位置在底層電纜處，開始燃燒后火勢逐漸變大，電纜釋放出少量煙氣，并在火源熱羽流作用下，t=5.4 s時煙氣上升至溝道頂部。隨后，電纜受熱分解產(chǎn)生HCl等可燃揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)被點燃后煙氣增多，到達溝道頂部形成頂棚射流，向電纜溝道端口擴散。t=10.8 s時，底層電纜燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐沟玫?層電纜被點燃，火焰蔓延至第2層。t=29.7 s時，第3和第4層電纜被點燃，且煙氣擴散至溝道端口y=15 m處，此后頂部煙氣層緩緩變厚，且溝道中部煙氣厚度略大于端部。約80 s后，溝道內(nèi)煙氣厚度已到達1.5 m高處，給人員逃生增加困難。約220 s后溝道中部煙氣逐漸變厚，紊流逐漸加劇。至t=299.7 s時，最頂層的電纜表面出現(xiàn)火焰，此時右側(cè)的6層電纜已全部被點燃。約330 s后火焰開始向水平方向蔓延，火勢持續(xù)增大。

圖4給出了電纜溝道火災(zāi)溫度的變化情況。電纜火災(zāi)初期，電纜點燃后所釋放的煙氣上升至溝道頂部，t=30.6 s時，煙氣擴散至溝道端部，此時火源附近的電纜溫度快速升高至400℃，隨后，火源持續(xù)燃燒，溝道內(nèi)的溫度也持續(xù)上升。600 s后，火源附近最高溫度可達1 000℃左右。約800 s后，溝道內(nèi)1.5 m高處的溫度達到70℃，人體長期處在此溫度下將會燙傷。燃燒過程中，火源上方的1~2層電纜附近溫度最高，水平方向上距離火源越遠，溫度越低。由上圖可知，電纜溝道內(nèi)的溫度變化主要影響因素為火焰與煙氣范圍。

圖4 x=0 m處溫度云圖

2.2 火源位置對火災(zāi)的影響

研究設(shè)計了5種工況分析不同火源位置對高壓電纜溝道火災(zāi)的影響。具體參數(shù)如表2。

表2 不同火源位置工況參數(shù)

表3列出了5種不同火源位置工況的火勢蔓延位置時間對比。表4列出了5種不同火源位置工況的煙氣蔓延情況對比。圖5為5種不同火源位置工況在t=900 s時的煙氣蔓延情況。由對比可發(fā)現(xiàn)，火源位置在高處燃燒時，產(chǎn)生的煙氣大部分集中在火源到頂層的位置，且900 s內(nèi)煙氣高度未低于1.5 m，但高溫?zé)煔饩奂瘜?dǎo)致上層電纜溫度更高，火焰蔓延速度更快?；鹪纯拷讓訒r，產(chǎn)生的煙氣多，同時煙氣流動的雷諾數(shù)大，紊流現(xiàn)象劇烈?；鹪丛跍系纼啥藭r，火源附近只有一側(cè)有電纜，而火源在溝道中間時，火源兩側(cè)皆有電纜，可燃物更多，因而火源在溝道中間時火勢范圍更大、燃燒更快、產(chǎn)生煙氣更多。火源位于溝道中間的最底層電纜時，產(chǎn)生的煙氣最多，運動最快，t=127.8 s時煙氣高度在1.5 m，人員難以逃生。

表3 不同火源位置工況的火勢蔓延時間 s

表4 不同火源位置工況的煙氣蔓延對比 s

圖5 不同火源位置工況t=900 s時煙氣蔓延對比

圖6為各個工況火源處不同高度的溫度變化圖。

圖6 各工況火源處不同高度溫度變化

由對比可發(fā)現(xiàn)，火源下方由于沒有煙氣聚集，溫度很低，基本保持不變。而火源處并非溫度最高處，由于火焰和煙氣的作用，溫度最高處出現(xiàn)在火源上方1~2層電纜處。因此，豎直方向上，火源在底層時比在中部時高溫范圍廣，火源在頂層時，高溫范圍只集中在最上層電纜附近。

2.3 自動噴水滅火系統(tǒng)對火災(zāi)的影響

鑒于電纜溝道火災(zāi)的高危險性，我國電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5221—2005《城市電力電纜線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［6］中規(guī)定，在電纜進出線特別集中的溝道中，可加設(shè)濕式自動噴水滅火、水噴霧滅火或氣體滅火等固定滅火裝置。本文設(shè)計了該電纜模型的自動噴水滅火系統(tǒng)。以A0工況為基礎(chǔ)，研究在電纜模型上設(shè)置自噴系統(tǒng)對減小火災(zāi)危害的有效性，結(jié)果見圖7—圖9。

圖7 有自動噴水滅火系統(tǒng)作用時的火勢蔓延示意

圖9 有自動噴水滅火系統(tǒng)作用的火源處y=0.5 m溫度云圖

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》［7］，噴水強度設(shè)為16 L/（min·m2），作用面積為240 m2。從y=0.5 m起，每隔3 m設(shè)置一噴頭，噴頭活化溫度為68℃。表5列出了有自動噴水滅火系統(tǒng)作用時與無自動噴水滅火系統(tǒng)的A0工況火災(zāi)情況對比，圖10和圖11分別為有無自動噴水滅火系統(tǒng)作用的熱釋放速率對比圖和火源上方0.1 m處的溫度對比圖。模擬結(jié)果分析如下：

圖10 有無噴淋系統(tǒng)作用的熱釋放速率對比

圖11 有無噴淋系統(tǒng)作用火源上方溫度對比

表5 有自動噴水滅火系統(tǒng)作用的火災(zāi)情況對比

圖8 有自動噴水滅火系統(tǒng)作用時的煙氣擴散示意

由此可知，溝道內(nèi)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)后，火災(zāi)燃燒至第5層電纜，不再向上蔓延，且600 s內(nèi)火焰未出現(xiàn)水平蔓延現(xiàn)象，證明滅火系統(tǒng)有效阻止了火勢蔓延。當(dāng)有自動噴水滅火系統(tǒng)作用時，熱釋放速率始終控制在300 kW以下，火源上方溫度由350℃快速降低，隨后保持在220℃左右，由此可見自噴系統(tǒng)對電纜溝道火災(zāi)的抑制作用是有效的。

3 結(jié)論

本文通過設(shè)置模型網(wǎng)格、測溫點和溫度切片等參數(shù)，設(shè)計了一段兩端非封閉的電纜溝道模型。通過改變火源位置，設(shè)計多種工況進行火災(zāi)數(shù)值模擬研究。分析了火源位置對高壓電纜溝道火災(zāi)的火勢蔓延情況、煙氣擴散運動及溫度變化的影響，并研究了自動噴水滅火系統(tǒng)對火災(zāi)影響，得到如下結(jié)論：

1）電纜溝道發(fā)生火災(zāi)時，t=5.4 s時煙氣上升至溝道頂部，形成頂棚射流。在30.6 s內(nèi)火源附近溫度極快升高至400℃，隨后持續(xù)上升。火焰和大量煙氣使600 s后，溝道內(nèi)最高溫度達1 000℃左右。800 s后，溝道內(nèi)1.5 m高處的溫度達70℃。

2）火源位置在高處時，火焰蔓延的速度最快；火源在底層，煙氣運動紊流現(xiàn)象明顯，煙氣高度達1.5 m所需時間更短；火源在溝道中間比在兩端時，火焰蔓延更快，產(chǎn)生煙氣更多。

3）設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)后，火焰未出現(xiàn)水平蔓延現(xiàn)象，且溝道頂部煙氣最高溫度降至20℃，火源附近溫度保持在220℃左右。