城市綜合管廊電纜火災CFD數值模擬研究

王方舜

(武漢市消防支隊，湖北 武漢 430020)

城市綜合管廊電纜火災CFD數值模擬研究

王方舜

(武漢市消防支隊，湖北 武漢 430020)

城市綜合管廊是城市的生命線工程，一旦發生電纜火災，不僅會造成管廊結構的破壞，還會影響城市的正常運轉。運用CFD模擬技術建立綜合管廊模型，對綜合管廊內電纜火災發展過程進行數值模擬，通過分析防火分區間距對電纜火災的影響，得到不同工況下的管廊內熱釋放速率、管廊內溫度分布、管廊內煙氣擴散及一氧化碳濃度分布等情況。所得結論可為城市綜合管廊設計及消防決策提供依據。

城市綜合管廊；電纜火災；能見度；溫度分布；防火分區

0 引言

城市綜合管廊，是建于城市地下可容納諸多管線的市政公用設施，敷設有電力、熱力、給排水等市政管線，可將各類管線統一安裝、監測、整合管理，是現代化城市的重要“生命線工程”[1]。管廊內火災隱患眾多，一旦發生火災，大量電纜管線會導致火勢的迅速擴張、煙氣迅速蔓延，造成人員及財產損失較大。比如2001年上海市電纜隧道內發生火災，2008年赤峰市供電隧道內發生電纜火災，導致市區大面積斷電；2012年東莞市紙廠地下電纜爆炸后引發火災，造成重大經濟損失。當前國內綜合管廊相關建設標準和規范還不完善，因此，為提高管廊行業發展的安全保障，逐步完善管廊建設標準，有必要對管廊內電纜火災發展及煙氣蔓延規律進行研究。

對于綜合管廊內的電纜火災及防治，國內外學者研究較少，其中多數為數值模擬研究，實體試驗相對較少。趙永昌[2]等人采用FDS模擬軟件對城市地下綜合管廊火災煙氣溫度場進行了模擬，得到管廊內的溫度衰減規律以及煙氣蔓延規律。彭玉輝[3]采用數值模擬方法，研究了典型隧道電纜火災內煙氣濃度和氧氣濃度、熱釋放速率、隧道縱向橫向溫度變化規律。李文婷[4]建立了各種環境下電纜火災模型，分析電纜火災的蔓延過程。戴文濤等[5-6]對電纜隧道及管廊電力艙室的火災特點，以及相應的探測預防技術進行了分析探討。蘇洪濤等[7-8]對管廊內電纜火災隱患進行了分析，說明引起電纜火災的原因主要是電路短路、線路過載等，且目前針對管廊電纜火災滅火的方法主要為超細干粉滅火系統。

本文采用CFD技術，通過有限元軟件FDS建立綜合管廊模型，針對管廊內電纜火災進行全尺寸模擬試驗，研究不同長度防火分區條件下，管廊電纜火災時煙氣、溫度、火焰蔓延情況。

1 管廊計算模型的建立

1.1 計算模型

為更好地模擬管廊內電纜火災發展過程，參考某城市管廊工程資料，采用FDS有限元模擬軟件，建立綜合管廊有限元模型。模型總長度取1 000 m，橫截面的寬度和高度分別為4 m、2 m，在三個方向上的網格個數為1 200，20，10，火災模擬時間共5 000 s。管廊的計算模型截面示意圖如圖1所示。

圖1 城市綜合管廊模型截面圖

1.2 人員安全疏散時間計算

人員安全疏散的判定標準為：可用安全疏散時間(tASET)>必要安全疏散時間(tRSET)。火災發生后一般認為人員疏散并不能立刻進行，還要經過報警時間及人員響應時間兩個階段后，人員才開始疏散。因此，在綜合管廊火災中人員必要安全疏散時間計算如下：

式中，tb為預警時間，取60 s；tc為響應時間，120 s；ts為疏散時間。

若人員行走速度為1.2 m·s-1，則計算得到200 m和800 m防火分區的必要安全疏散時間分別為347 s和847 s。

1.3 試驗參數設置

1.3.1 火源設置。火源設置為表面熱源，按照固體熱解模型設置，表面溫度為1 000 ℃，其長為0.6 m，寬為0.6 m，位于隧道中心處。

1.3.2 電纜布置。如圖1所示，根據管廊內的電纜尺寸，在管廊內部設置16根電纜模型，電纜長度與隧道長度相等，截面包含兩種尺寸，分別設為：A類，截面為0.3 m×0.3 m；B類，截面為0.2 m×0.2 m。

1.3.3 工況設置。按照《城市綜合管廊工程技術規范》(GB 50838—2015)，天然氣管線艙室及容納電力電纜的艙室應每隔200 m設置有防火分區[9]，為探討防火分區間距對電纜火災的影響作用并考慮有維修人員的情況，設置4個工況，工況1，2為防火分區200 m，工況3，4為防火分區800 m，具體工況設置情況見表1。

1.4 電纜參數

按國標《電力工程電纜設計規范》(GB 50217—2007)中規定的常用電纜絕緣類型[10]，本文電纜采用交聯聚乙烯型擠塑絕緣類型。交聯聚乙烯的分解及碳化溫度為330 ℃，密度為1 500 kg·m-3，比熱容為1.5 kJ·kg-1·K-1，熱導率為0.5 W·m-1·K-1，燃燒熱為2 500 kJ·kg-1。

表1 模擬工況設置

2 結果與討論

2.1 管廊內熱釋放速率分析

圖2、圖3給出了兩種防火分區管廊內的熱釋放速率變化曲線。為更好地模擬電纜在管廊中自然燃燒傳遞的情況，在280 s時移除火源。由圖可以看出，電纜一旦點燃后管廊內的熱釋放速率快速上升，800 m防火分區內的上升速率要高于200 m防火區，說明在800 m防火分區管廊內電纜火災蔓延的速度要更快，原因為不設置防火門的情況下，管廊內空氣更為充足。800 m和200 m防火分區內，最大熱釋放速率分別可達10 MW和7 MW，在達到峰值后迅速下降，但800 m防火分區管廊和200 m防火分區管廊兩者下降的原因不同，前者主要為電纜材料的不充分燃燒，后者主要是空氣不足導致在900 s時火焰熄滅。800 m管廊內在900 s以及1 300 s時熱釋放速率有小幅度的上升，是由于未完全燃燒的電纜達到完全燃燒的狀態導致，說明防火門可有效阻止電纜火災的蔓延，并使其盡快熄滅，而800 m防火分區中電纜火災的蔓延呈現為階段性區域電纜燃燒，熱釋放速率呈現波動狀態。

圖2 200 m防火分區熱釋放速率曲線

圖3 800 m防火分區熱釋放速率曲線

2.2 管廊內溫度分布分析

2.2.1 管廊火災防火門開啟排煙時間的確定

為確定各防火分區管廊內火災持續的時間，以確保防火門開啟時不會發生回燃，本文設定當溫度小于100 ℃以下時認為火已經熄滅。當防火分區為200 m時，管廊內火源位置、50 m處以及100 m位置的溫度降到100 ℃以下的大概時間是1 600 s，如圖4所示。800 m防火分區管廊內火源位置、50 m、100 m、150 m及400 m位置的溫度降到100 ℃以下的大概時間是3 600 s，如圖5所示。

圖4 200 m防火分區防火門開啟時間

因此，本文設置200 m和800 m防火分區開門排煙的時間為1 600 s和 3 600 s。在實際的管廊火災滅火過程中可以在管廊內布置相應的熱電偶，根據熱電偶的溫度判斷管廊內火災情況，為打開防火門進行排煙的時機提供一定的依據。

2.2.2 管廊內溫度分布

圖6給出了200 m防火分區管廊內溫度隨時間分布云圖，可以反映出電纜火災的傳播發展過程。可以看出，管廊中心處電纜被點燃后，火勢迅速向兩側蔓延，沿縱向方向上的電纜被引燃，在管廊中心處的溫度最高，隨后兩側的溫度逐漸升高，火勢在防火分區內傳播迅速；在400 s時，管廊中心電纜開始充分燃燒，此時熱釋放速率急劇上升；700 s后火勢開始減小，兩側的溫度首先降低，中心處的溫度最后降低，所對應的熱釋放速率快速衰減，火焰熄滅，這是空氣不足導致的。在200 m防火分區內，電纜火災在1 700 s內快速經歷了火勢增長、充分燃燒、急劇衰退三個階段，防火分區的劃分有效抑制了火勢的增長，促進了電纜火災的加速衰減。

圖5 800 m防火分區防火門開啟時間

圖6 200 m防火分區管廊溫度分布云圖

圖7給出了800 m防火分區管廊內溫度隨時間分布云圖。明顯可以看出，與200 m防火分區的溫度分布有較大差別，火勢沿縱向的蔓延速度更快，電纜更易被引燃，所對應的熱釋放速率上升速度更高。由圖3可以看出在600 s左右，熱釋放速率開始下降，說明管廊中心的火勢開始衰退；而從圖7所對應時刻的溫度云圖可以看出，在600 s左右，管廊內最高溫度分布區域開始減小，中心區域火勢衰退，主要是中心電纜的燃燒進入衰退階段，兩側被引燃的電纜還未達到充分燃燒所致。如圖7中1 000 s后溫度云圖所示，中心電纜燃燒開始衰減，溫度降低，兩側的溫度上升，電纜達到充分燃燒狀態。電纜火災呈現出的階段性區域電纜燃燒的蔓延規律，可以解釋800 m防火分區管廊內的熱釋放速率在急劇下降后的小幅上升波動現象。

圖7 800 m防火分區管廊溫度分布云圖

2.2.3 管廊內最高溫度分布分析

圖8給出了200 m防火分區和800 m防火分區，有人員疏散及無人員疏散情況下，管廊內1.8 m高度處各測點的最高溫度變化曲線，其中測點位置沿管廊縱向方向等距離選取，各測點間距均為50 m，主要以火源中心到一側一半模型的測點。由圖8對比200 m防火分區有人員和無人員疏散情況得到，有人員疏散情況下，管廊縱向1.8 m位置最高溫度高于無人員疏散的情況，800 m防火分區也呈現同樣的趨勢；對比200 m防火分區和800 m防火分區可見，800 m防火分區在各位置的最高溫度高于200 m防火分區的情況。

圖8 管廊內1.8 m高處測點最高溫度變化

2.3 管廊內煙氣擴散及一氧化碳濃度變化分析

2.3.1 管廊內煙氣擴散分析

圖9、圖10分別給出了200 m防火分區和800 m防火分區管廊的能見度變化圖，可以反映出管廊內部電纜火災發生后煙氣蔓延分布情況。如圖9所示，火災發生后能見度迅速降低，在500 s時煙氣充滿管廊內部，能見度幾乎為零，各個時刻的能見度變化不大，故只選取1 700 s時能見度圖，可以看出在煙氣擴散到一定程度后，可通過防火門擴散到另一個防火分區。由圖10可以看出，800 m防火分區管廊中火災發生后，煙氣充滿整個管廊所需時間更長，中心區域的能見度小于兩側的能見度，煙氣在管廊中心的聚集濃度大于擴散邊緣處的煙氣濃度，在1 500 s時管廊內能見度幾乎為零，煙氣的擴散彌漫較為迅速。通過對比，可以說明防火門的存在有效阻止了煙氣的縱向擴散蔓延，在無防火門情況下煙氣可迅速彌漫充滿管廊內部。

圖9 200 m防火分區能見度變化圖

圖10 800 m防火分區能見度變化圖

2.3.2 管廊內一氧化碳濃度分布分析

火災煙氣中的一氧化碳濃度是影響人員逃生的重要參數，為此，本文測試了4個工況下管廊縱向1.8 m高位置處的一氧化碳濃度分布情況，如圖11、圖12所示。

圖11 200 m防火分區管廊內1.8 m高處一氧化碳濃度

由圖可知，200 m防火分區的一氧化碳濃度明顯低于800 m防火分區。在有人員疏散情況下，一氧化碳的擴散速度比無人員疏散的情況快，所以當管廊內發生火災時，維修人員要注意防范一氧化碳，抓緊時間逃生。

圖12 800 m防火分區管廊內1.8 m高處一氧化碳濃度

3 結論

本文采用FDS有限元模擬軟件，建立綜合管廊模型，對管廊電纜火災進行全尺寸模擬，通過設定不同長度的防火分區，研究不同防火分區管廊電纜火災的溫度、能見度和一氧化碳濃度，得到如下結論：

3.1 在管廊內電纜發生火災后，火勢迅速向兩側蔓延，電纜火災可劃分為火災增長、充分燃燒、急劇衰退三個階段，在200 m防火分區管廊中主要影響火勢發展的為空氣，而800 m防火分區中的主要影響因素為燃料，蔓延規律表現為階段性區域燃燒。

3.2 兩種防火分區情況，當火災發生后有維修人員逃生時，不僅要注意可供人員疏散的必要時間，還要注意管廊內的煙氣和一氧化碳對人員的影響，可以在管廊內設置相應的煙感探頭。

3.3 管廊火災主要以窒息滅火為主，但在火災熄滅時間的判斷上需要結合管廊內的溫度及一氧化碳濃度的分布情況，可以在管廊內設置溫度傳感器以判斷火災的熄滅情況，從而進行通風排煙。

[1] 徐奇,續元慶,王麗娟.城市綜合管廊應用分析[J].石油規劃設計,2015,26(2):35-38.

[2] 趙永昌,朱國慶,高云驥.城市地下綜合管廊火災煙氣溫度場研究[J].消防科學與技術,2017,36(1):37-40.

[3] 彭玉輝.典型電纜火災條件下煙氣運動規律的數值模擬[J].船海工程,2016,45(2):65-68.

[4] 李文婷.綜合管溝電纜火災數值模擬研究[D].北京:首都經濟貿易大學,2012.

[5] 戴文濤.電纜隧道及綜合管廊火災探測報警技術研究[J].消防科學與技術,2017,36(1):89-92.

[6] 劉衍,吳建星.電纜隧道火災有效滅火技術試驗研究[J].中國安全科學學報,2008,18(9):88-92.

[7] 蘇洪濤,黎繼紅,汪齊,等.綜合管廊電纜火災消防系統設計探討[J].市政技術,2016,34(6):126-129.

[8] 呂高輝.發展地下綜合管廊問題剖析與應對策略[J].城鄉建設,2016(4):34-36.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市綜合管廊工程技術規范:GB 50838—2015[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[10] 中國電力工程顧問集團西南電力設計院.電力工程電纜設計規范:GB 50217—2007[S].北京:中國計劃出版社,2007.

(責任編輯 馬 龍)

Effect of Utility Tunnel Fire Compartment on the Timing of Smoke Exhaust & Servicemen Evacuation in Cable Fires

WANG Fangshun

(Wuhan Municipal Fire Brigade, Hubei Province 430020, China)

Urban utility tunnels are the lifeline engineering of a city. A cable fire inside the utility tunnel will not only cause damage to the structure, but also adversely affect the normal operation of the city. A finite element model of the utility tunnel has been established by CFD to simulate the process of cable fire in the utility tunnel in order to collect the heat release rate, the safe evacuation time of the serviceman, maximum temperature distribution, smoke diffusion, carbon monoxide concentration distribution in the utility tunnel, and analyze the influence of fire compartment distance on cable fire. The conclusions of the simulation can provide the basis for the design of urban utility tunnel and fire protection decision-making.

urban utility tunnel; cable fire; visibility; temperature distribution; fire compartment

2017-05-22

王方舜(1975— )，男，湖北荊州人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)08-0014-05