城市綜合管廊電力艙火災數值模擬

楊斌 杜貞愛 柳琦 龔哲 姜學鵬

摘要：為了給綜合管廊電力艙的結構設計提供技術依據，為管廊內人員逃生提供指導參考，本文對城市綜合管廊電力艙進行火災數值模擬研究，研究其火災煙氣蔓延規律、火災后管廊內溫度場分布。本文采用FDS軟件進行火災數值模擬，建立1：1的模擬模型，對火源區域進行加密網格劃分，火源功率設置為2MW，快速火災等級，火災熱釋放率的增長系數α取0.04689kW/s2。模擬結果表明：火災發生后210秒內煙氣將蔓延至整個管廊，隨后將逐步充滿管廊空間。火災燃燒達到頂峰時，火災截面處管廊頂部溫度達到800℃。

關鍵詞：電力管廊;火災;數值模擬;煙氣蔓延

隨著社會經濟的進一步發展，城市地下空間得到了進一步應用，城市綜合管廊就是極其重要的基礎設施，對城市正常運行至關重要。綜合管廊包含電力艙、燃氣艙、熱力艙、排水艙、綜合艙等[1-2]。綜合管廊處于地下封閉狹長空間，引起火災事故的原因不易被發現，一旦發生火災，會產生高溫煙氣迅速充滿整個防火區間[3]。電力艙發生火災的風險最高而且火災危害巨大，漏電、短路等都易引起火災。

本文應用FDS模擬綜合管廊電力艙內火災狀況，研究其火災煙氣蔓延規律、火災后管廊內溫度場分布，為綜合管廊電力艙的結構設計提供技術依據。

一、工程案例

本文以某城市綜合管廊高壓電力艙室為對象進行數值模擬，按照1：1比例建立模型。高壓電力艙室內部凈寬為2.5m，凈高為3.8m，長度取一個防火區間長200m，兩側布置220kv和110kv的電纜，左右各五層，綜合管廊斷面圖如圖1所示。

（一）模型建立

本文對一個防火分區（200m）的電力艙室進行建模，管廊高3.8米、寬2.5米，去掉支架等無關內容，僅保留電纜，其模型簡化如圖2所示，在FDS中對模型進行網格劃分及參數設置，著火區設置在管廊中部，著火長度為1m，引火源設置在第二層電纜下方，為了精簡網格數量、節省計算機的運算時間，本文對模擬網格劃分進行了特殊處理，網格總數54600個，如圖3所示。

（二）火源設置

實際的火災燃燒更接近一個非穩態過程，存在著增長階段、穩定階段和衰減階段，通常采用t2火災模型來表述非穩態火災[4]。

（1）

式中：Q——火災的熱釋放率，單位為kW。

α——火災熱釋放率的增長系數，單位為kW/s2。

t——火災發生的時間，單位為s。

本次模擬采用非穩定火源，火災等級選取快速火，α取0.04689，引火源位置取左側倒數第二層電纜側面，火源功率2MW，面積為1m×0.2m。

（三）工況及測點設置

本文模擬管廊滅火系統失效、防火門及通風口關閉的情況下，發生火災后管廊內火災發展、煙氣蔓延、溫度分布等狀況。為了便于分析管廊內部溫度場等信息，本文在y=1.25、z=2m、x=1、x=50、x=100、x=150、x=199（x為管廊長度方向，y為管廊寬度方向，z為管廊高度方向）處設置切片。本文在x=1、x=50、x=100、x=150、x=199處設置熱電偶，部分測點分布如圖4所示。

二、結果分析

（一）煙氣蔓延規律分析

管廊內電纜火災后管廊內的煙氣蔓延隨時間的變化圖，如圖5所示。

由圖5可知，綜合管廊火災屬于受限空間火災，隨著火災的發展，生成的煙氣越來越多。煙氣受到浮力作用上升到達頂棚，并吸卷下方的空氣，形成頂棚射流，煙氣羽流沿著頂棚向兩邊逐漸擴散，煙氣向兩邊的蔓延規律幾乎成對稱布置。火災發生210秒后，煙氣蔓延至管廊兩端，隨后煙氣逐步充滿管廊，火災在發展過程中，消耗了管廊內大部分氧氣，此時管廊內氧氣含量越來越低，火勢開始逐漸減小，火災開始進入衰退階段。在t=820s，火焰因缺氧而熄滅。

（二）溫度場分析

由煙氣蔓延分析可知，火災發生后煙氣呈現對稱布置，溫度場分析時，僅分析火災右側的溫度狀況，火災位置截面處布置了6個溫度測點，其坐標信息為T（x，y，z），如圖6所示。火災右側布每隔25米布置一個煙氣溫度測點，其坐標信息為T（x，y，z），如圖7所示。

由圖6可知，在前250秒，火災溫度逐步變大，253秒后火災溫度有一定回落，隨著火災引燃其他電纜，火災溫度繼續增大，在500秒左右火災燃燒達到頂峰，之后隨著管廊內的氧氣逐步消耗，火災溫度逐步回落，在溫度回落過程中，700秒至800秒左右時，火災溫度出現了波動，可能是火災引燃了對側電纜燃燒，對側電纜燃燒變大，使溫度增加。800秒之后，溫度急劇下降至100℃左右，這是由于管廊內氧氣消耗完，火焰熄滅造成。由圖6可知，在火災處管廊截面的中心線上，越接近管廊頂部溫度越高，管廊頂部最高溫度接近800℃，管廊內電纜火災將對管廊內部結構造成不可修復的損傷。由圖7可知，距離火災越遠，溫度越低，在1.7米高處，就算在距離火災最遠端，火災燃燒達到峰值時，其溫度也超過了50℃。此溫度場數據與海南消防總隊做的城市地下綜合管廊火災試驗數據相吻合[5]。

三、結語

（一）火災發生后210秒內煙氣將蔓延至整個管廊，隨后將逐步充滿管廊空間。

（二）火災燃燒達到頂峰時，火災截面處管廊頂部溫度達到800℃。

本文模擬研究不足之處在于，建立的是理想化模型，只模擬了滅火系統失效的極端狀況下管廊火災。

參考文獻：

[1]劉海靜，王磊，相坤，等.綜合管廊電力艙電纜燃燒溫度及煙氣分布試驗研究[J].消防技術與產品信息，2018，31（12）：6-13.

[2]王明年，田源，于麗，等.城市綜合管廊電纜火災數值模擬及影響因素分析[J].中國安全生產科學技術，2018，14（11）：54-59.

[3]陳立清.某綜合管廊火災煙氣數值模擬研究[D].安徽建筑大學，2018.

[4]鐘委，霍然，史聰靈.熱釋放速率設定方式的幾點討論[J].自然災害學報，2004，13（2）：64-69.

[5]陳治君，張剛，石曉龍，等.城市地下綜合管廊滅火系統試驗[J].消防科學與技術，2019，38（1）：110-112，118.

作者簡介：

楊斌（1989—），男，漢族，碩士研究生，工程師，主要從事能源大數據及火災數值模擬研究。