電纜隧道火災(zāi)危險性影響因素數(shù)值模擬

中國能源建設(shè)集團規(guī)劃設(shè)計有限公司 肖明杰 李 健 崔戎艦 吳高波 吳慶華

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進技術(shù)研究院 戴玉飛

人員耐受極限標(biāo)準(zhǔn)參照美國消防協(xié)會NFPA標(biāo)準(zhǔn)、日本工程部《關(guān)于安全疏散和結(jié)構(gòu)耐火性能的“性能化”評估方法》和澳大利亞《消防工程指南》，設(shè)計選取人員耐受極限標(biāo)準(zhǔn)如下，當(dāng)災(zāi)害現(xiàn)場環(huán)境達到耐受標(biāo)準(zhǔn)之一即認為現(xiàn)場已經(jīng)處于危險環(huán)境：能見度安全高度以下能見度小于10m；對流熱安全高度以下氣體溫度達到60℃，安全高度h=1.6m+0.1H，其中H為空間高度，單位為m；有害燃燒產(chǎn)物安全高度以下的氣體中CO濃度達到1400ppm。

本文選取圓形截面隧道為直徑3.0m、長度為200m，以此構(gòu)建典型電纜隧道模型，利用FDS（PyroSim）構(gòu)建電纜隧道1:1仿真模型。仿真模型主要包括電纜隧道主體（內(nèi)含電力電纜、電纜橋架、電纜槽盒等）及連通工作井（負一層和負二層）。工作井底下共兩層結(jié)構(gòu)，其中負二層距離地面約14.4m，負一層據(jù)地面約5.3m，地面處出入口尺寸為1.0m（長）×1.0m（寬），經(jīng)適當(dāng)簡化構(gòu)建工作井仿真模型（圖1）。

圖1 電纜隧道仿真模型及工作井仿真模型

1 火災(zāi)仿真參數(shù)設(shè)置

1.1 點火源、可燃物設(shè)置

考慮電纜隧道內(nèi)電纜由于絕緣層破損導(dǎo)致自身過熱起火，設(shè)置起火電纜長度1m，電纜隧道電纜火源最大熱釋放速率500kW，并設(shè)置火源在13s左右達到50kW，在15s左右達到400kW，在20s左右達到500kW且持續(xù)至模擬結(jié)束。本項目電纜隧道內(nèi)主要可燃物為交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套聚乙烯護套電力電纜，電纜型號為YJLW03 127/220kV-1×2000。

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

采用FDS進行火災(zāi)仿真模擬時常根據(jù)火源特征尺寸D＊設(shè)置網(wǎng)格大小δx，D＊/δx通常取為5～20，火源特征尺寸表達式如下：D＊=(Q/ρ∞cpT∞√g)2/5。

基于上述方法，設(shè)置火源附近區(qū)域最小網(wǎng)格尺寸為0.1m。具體針對于典型200m長度電纜隧道設(shè)置7套網(wǎng)格，越靠近火源中心網(wǎng)格尺寸越小。隨電纜長度增長，網(wǎng)格套數(shù)隨之適當(dāng)增加。

1.3 通風(fēng)及邊界條件與監(jiān)測面設(shè)置

本研究設(shè)置通風(fēng)條件可分為自然通風(fēng)、機械通風(fēng)與不通風(fēng)三種。自然通風(fēng)：通風(fēng)的動力是室內(nèi)外空氣溫度差所產(chǎn)生的“熱壓”和室外風(fēng)的作用所產(chǎn)生的“風(fēng)壓”。通過在電纜隧道內(nèi)設(shè)置對外的開口來模擬；機械通風(fēng)：利用通風(fēng)機的運轉(zhuǎn)給空氣一定的能量，造成通風(fēng)壓力以克服模擬環(huán)境內(nèi)的通風(fēng)阻力，使外界空氣不斷地進入模擬環(huán)境內(nèi)，沿著預(yù)定路線流動，然后將污風(fēng)再排出模擬環(huán)境內(nèi)的通風(fēng)方法叫機械通風(fēng)。通過設(shè)置開口并設(shè)置空氣流速來進行模擬[1]；不通風(fēng)：無通風(fēng)口，通過開口關(guān)閉的形式模擬不通風(fēng)的條件。

監(jiān)測面設(shè)置。在過點火源X、Y方向、隧道中心軸線（Y）方向、隧道安全高度處（Z）設(shè)置CO濃度、溫度、能見度分布二維監(jiān)測面。

1.4 火災(zāi)仿真工況設(shè)計

本次仿真隧道構(gòu)造為圓形3m，電纜回路數(shù)6回路，共設(shè)計共6組火災(zāi)仿真工況，其起火水平位置、通風(fēng)條件、防火分區(qū)長度分別為：防火分區(qū)中部/自然通風(fēng)/200m、防火分區(qū)端部/自然通風(fēng)/200m、防火分區(qū)中部/不通風(fēng)/200m、防火分區(qū)中部/風(fēng)速2米/秒/200m、防火分區(qū)中部/自然通風(fēng)/600m。

2 火災(zāi)仿真結(jié)果

2.1 工況1仿真結(jié)果分析

圖2為工況1條件下電纜隧道軸向豎直剖面處煙氣、能見度、CO濃度、溫度分布圖，可看到煙氣在193s左右擴散至工作井，在266s左右擴散至工作井地面出口（簡稱地面出口）。進一步分析煙氣能見度、CO濃度和溫度分布發(fā)現(xiàn)：關(guān)于能見度，在220s左右工作井負二層通往負一層疏散通道（簡稱疏散通道）處能見度達到危險值，在280s左右地面出口處能見度達到危險值；關(guān)于CO濃度，在480s左右疏散通道CO濃度達到危險值，直至模擬結(jié)束時地面出口處CO濃度都未達到危險值。關(guān)于溫度，直至模擬結(jié)束時疏散通道處及地面出口處溫度都均未達到危險值。

圖2 工況1仿真結(jié)果

2.2 工況2仿真結(jié)果

工況2條件下仿真結(jié)果顯示，煙氣在13s左右擴散至近端工作井，在26s左右擴散至近端地面出口。能見度方面，在22s左右疏散通道能見度達到危險值，在34s左右地面出口處能見度達到危險值；關(guān)于CO濃度，直至模擬結(jié)束時疏散通道和地面出口處的CO濃度都未達到危險值。而在溫度上，在22s左右疏散通道溫度達到危險值，在94s左右地面出口處溫度都達到危險值。特別地需要說明的是，直至模擬結(jié)束時，隧道的另一端都未到達危險情況，故若疏散方向為起火端的另一端，則該工況條件下人員可用安全疏散時間（RSET）>600s。

2.3 工況3仿真結(jié)果

工況3條件下仿真結(jié)果顯示，煙氣在189s左右擴散至工作井，由于通道封閉直至模擬結(jié)束時都未擴散至地面出口。關(guān)于能見度，在212s左右疏散通道能見度達到危險值，直至模擬結(jié)束時地面出口處能見度達到危險值；CO濃度、溫度，直至模擬結(jié)束時疏散通道及地面出口處溫度都均未達到危險值[2]。

2.4 工況4仿真結(jié)果

工況4條件下仿真結(jié)果顯示，煙氣在99s左右擴散至工作井，在119s左右擴散至地面出口。關(guān)于能見度，在107s左右疏散通道能見度達到危險值，在128s左右地面出口處能見度達到危險值；CO濃度、溫度，直至模擬結(jié)束時疏散通道及地面出口處溫度都均未達到危險值。

2.5 工況5仿真結(jié)果

工況6條件下仿真結(jié)果顯示，煙氣在1511s左右擴散至工作井，在1598s左右擴散至地面出口。關(guān)于能見度，在1558s左右疏散通道能見度達到危險值，在1631s左右地面出口處能見度達到危險值；CO濃度、溫度，直至模擬結(jié)束時疏散通道及地面出口處溫度都均未達到危險值。

2.6 仿真結(jié)果小結(jié)

不同火災(zāi)模擬工況條件下，煙氣蔓延速度快于CO、溫度蔓延，煙氣是影響人員疏散的主要危險因素，而煙氣蔓延導(dǎo)致的能見度降低又是影響人員可用安全疏散時間的主要因素。5種火災(zāi)模擬工況下人員可用安全疏散時間（ASET）統(tǒng)計中，整體ASET（s）與水平ASET（s）分別為：280/220、>600（近火側(cè)34）/>600（近火側(cè)22）、--/212、128（逆風(fēng)側(cè)>330）/107（逆風(fēng)側(cè)>330）、1631/1558。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)本次實驗?zāi)M工況，可初步得出不同火災(zāi)場景下火災(zāi)危險性受多種因素影響，主要影響因素及其關(guān)系如下。

起火位置：通過對比工況1與工況4可發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變時，當(dāng)起火位置在防火分區(qū)中部與防火分區(qū)端部時，ASET分別為280s和>600s（近火側(cè)34s），說明在模擬的工況條件下起火位置對ASET的影響較大，起火位置越靠近疏散出口該疏散出口ASET越短；通風(fēng)條件：通過對比工況3、工況1、工況4可知，在其他條件不變時，通風(fēng)條件為不通風(fēng)、自然通風(fēng)、風(fēng)速2m/s、對應(yīng)的ASET分別為212s、280s、128s。由此可以說明通風(fēng)對ASET的影響較大，風(fēng)速越大ASET越小；防火分區(qū)長度：通過對比工況1、工況5可知，在其他條件不變時，防火分區(qū)長度分別為200m、600m對應(yīng)的ASET分別為280s、1631s。由此可以說明，隨著防火分區(qū)的長度增加ASET也會隨之增大。