電纜隧道火災危險性影響因素數值模擬

中國能源建設集團規劃設計有限公司 肖明杰 李 健 崔戎艦 吳高波 吳慶華

中國科學技術大學先進技術研究院 戴玉飛

人員耐受極限標準參照美國消防協會NFPA標準、日本工程部《關于安全疏散和結構耐火性能的“性能化”評估方法》和澳大利亞《消防工程指南》，設計選取人員耐受極限標準如下，當災害現場環境達到耐受標準之一即認為現場已經處于危險環境：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，以此構建典型電纜隧道模型，利用FDS（PyroSim）構建電纜隧道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構，其中負二層距離地面約14.4m，負一層據地面約5.3m，地面處出入口尺寸為1.0m（長）×1.0m（寬），經適當簡化構建工作井仿真模型（圖1）。

圖1 電纜隧道仿真模型及工作井仿真模型

1 火災仿真參數設置

1.1 點火源、可燃物設置

考慮電纜隧道內電纜由于絕緣層破損導致自身過熱起火，設置起火電纜長度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且持續至模擬結束。本項目電纜隧道內主要可燃物為交聯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 網格設置

采用FDS進行火災仿真模擬時常根據火源特征尺寸D＊設置網格大小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，設置火源附近區域最小網格尺寸為0.1m。具體針對于典型200m長度電纜隧道設置7套網格，越靠近火源中心網格尺寸越小。隨電纜長度增長，網格套數隨之適當增加。

1.3 通風及邊界條件與監測面設置

本研究設置通風條件可分為自然通風、機械通風與不通風三種。自然通風：通風的動力是室內外空氣溫度差所產生的“熱壓”和室外風的作用所產生的“風壓”。通過在電纜隧道內設置對外的開口來模擬；機械通風：利用通風機的運轉給空氣一定的能量，造成通風壓力以克服模擬環境內的通風阻力，使外界空氣不斷地進入模擬環境內，沿著預定路線流動，然后將污風再排出模擬環境內的通風方法叫機械通風。通過設置開口并設置空氣流速來進行模擬[1]；不通風：無通風口，通過開口關閉的形式模擬不通風的條件。

監測面設置。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）設置CO濃度、溫度、能見度分布二維監測面。

1.4 火災仿真工況設計

本次仿真隧道構造為圓形3m，電纜回路數6回路，共設計共6組火災仿真工況，其起火水平位置、通風條件、防火分區長度分別為：防火分區中部/自然通風/200m、防火分區端部/自然通風/200m、防火分區中部/不通風/200m、防火分區中部/風速2米/秒/200m、防火分區中部/自然通風/600m。

2 火災仿真結果

2.1 工況1仿真結果分析

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濃度和溫度分布發現：關于能見度，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，直至模擬結束時地面出口處CO濃度都未達到危險值。關于溫度，直至模擬結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仿真結果

2.2 工況2仿真結果

工況2條件下仿真結果顯示，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；關于CO濃度，直至模擬結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仿真結果

工況3條件下仿真結果顯示，煙氣在189s左右擴散至工作井，由于通道封閉直至模擬結束時都未擴散至地面出口。關于能見度，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仿真結果

工況4條件下仿真結果顯示，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仿真結果

工況6條件下仿真結果顯示，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 仿真結果小結

不同火災模擬工況條件下，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種火災模擬工況下人員可用安全疏散時間（ASET）統計中，整體ASET（s）與水平ASET（s）分別為：280/220、>600（近火側34）/>600（近火側22）、--/212、128（逆風側>330）/107（逆風側>330）、1631/1558。

3 結論與討論

根據本次實驗模擬工況，可初步得出不同火災場景下火災危險性受多種因素影響，主要影響因素及其關系如下。

起火位置：通過對比工況1與工況4可發現，在其他條件不變時，當起火位置在防火分區中部與防火分區端部時，ASET分別為280s和>600s（近火側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，通風條件為不通風、自然通風、風速2m/s、對應的ASET分別為212s、280s、128s。由此可以說明通風對ASET的影響較大，風速越大ASET越小；防火分區長度：通過對比工況1、工況5可知，在其他條件不變時，防火分區長度分別為200m、600m對應的ASET分別為280s、1631s。由此可以說明，隨著防火分區的長度增加ASET也會隨之增大。