基于FDS的電點火器件制造車間火災危險性研究

許 彬，郭 聳，范 鑫，湯振東，貢 顥

(1.上海市徐匯區消防救援支隊，上海 200030；2.南京理工大學化學與化工學院，江蘇 南京 210094)

當前，以電點火器件為代表的民用爆炸物品(即簡稱民爆產品)已成為我國國民經濟發展建設的基礎性產品，其在礦山、建筑工業、能源工業、交通建設、地質勘探等行業得到了廣泛的應用。由于民爆產品自身具有極高的危險性，其在足夠熱量刺激下極易發生火災爆炸，一旦意外釋放將會造成難以挽回的損失。據統計，“十二五”期間我國民爆行業共發生安全事故7起，造成64人死亡。因此，研究如何保障民爆產品的安全性，尤其是高溫作用下的熱安全性，顯得尤為重要。目前，國內外學者對民爆產品及其制造車間火災風險開展了大量的研究工作。如王力爭[1]通過對我國民爆行業安全監管和管理現狀進行調研分析，發現我國民爆行業安全管理的研究僅停留在安全評價、危險性評估等方面，而利用數值模擬手段對民爆場所火災危險性的研究較少，但數值模擬手段已廣泛應用于各種火災災害的研究中；王凌云[2]利用ANSYS/LS-DYNA對儲存庫周圍防護屏障抵消爆炸沖擊波的作用進行了模擬研究，從而驗證了設置安全防護技術屏障的必要意義；聶起峰[3]對民用爆炸物品安全生產風險評價方法進行了研究，通過對民爆物品和安全生產各環節進行客觀分析，較好地評估了民爆產品安全生產的風險大?。焕钏稍萚4]分析了民爆行業近十年發生的安全生產事故原因，并采用集值迭代法與層次分析法構建了安全管理改進體系，對民爆生產企業安全管理效果進行了評級分析；陳寧等[5]根據雨淋消防系統的滅火機理，并針對其存在的問題，提出了可有效提高雨淋消防系統在民爆工廠火災事故中作用的方法；高娜娜等[6]研究了典型民用爆炸物品所產生的火災應急救援措施，將民用爆炸物品火災事故發生因素分為內因、外因兩種因素，一是外因起火，最常見的有車輛交通事故、發動機著火、油箱著火、爆胎著火、車輪轂與護欄等摩擦發火、人為帶進火種等，二是內因起火，主要為因藥劑自身不穩定受到環境溫度升高、通風不暢等影響而發火。FDS是以大渦模擬(LES)為基礎的三維計算流體動力學軟件，可以模擬火災湍流流動過程，在火災科學領域已得到廣泛的應用[7]。如鄒馨捷等[8]使用基于FDS模擬的Pyrosim軟件計算了高校發生火災時安全出口處可見度和溫度等的變化規律；陳立林等[9]通過FDS軟件分析了典型地鐵車站不同場景下發生火災時的煙氣蔓延過程,建立了最有可能出現的危險場景人員疏散模型；Hostikka等[10]采用FDS軟件的蒸發模型對直徑為0.1～1 m的燃氣和甲醇池火蔓延情況進行模擬，發現可體現出尺度效應，但預測值和實驗值差別較大，而采用給定燃燒速率進行模擬得到的預測值與實驗值符合較好；McGrattan等[11]利用FDS軟件對室內火災蔓延情況進行模擬，發現只有網格尺寸設置足夠精確才可準確地模擬室內火災的蔓延規律;Liew等[12]的研究認為當網格尺寸設置適當時，不僅能提高計算結果的精確度，而且能縮短計算時間，提高了計算效率。

歸納已有研究發現，未見結合具體實際場所案例定量計算模擬電引火元件制造車間火災影響的研究文獻。因此，本文運用火災動力學模擬軟件FDS，對某民爆產品生產企業的電點火器件制造車間進行了數值模擬研究，分析了其煙氣流動以及火災產生的高溫熱輻射對制造車間內其他易燃易爆物質的影響，并在此基礎上辨識火災發生后的危險地點和相對安全的人員逃生路線。

1 建模與參數設置

1. 1 電點火器件制造車間的建模

本次以某民爆產品生產企業的電點火器件制造車間為原型建立1∶1模型，該模型中，制造車間為單層建筑，總長91 m、寬26.5 m、高5.04 m，共有17個房間，其中4個房間存儲電點火器件，右側為電點火器件暫存間，左側為電點火器件制造、干燥工位，中間區域為電點火器件腳線對焊工位。此外，制造車間內分布有多個電點火器件制作工位，在正常工作時也會存放少量易燃易爆物質。所建模型如圖1所示。

圖1 某民爆產品生產企業電點火器件制造車間模型圖

1. 2 條件設置

根據公式Q=Φ·m·ΔH計算電點火器件的熱釋放速率[其中，Φ為燃燒熱效率因子，由試驗測得該民爆產品燃燒時發煙量低、殘留物少，故認為其燃燒熱效率較高，因此Φ取0.85；m為電點火器件的燃燒速率(g/s),由試驗測得該種電點火器件的燃燒速率m約為496 g/s[13]；ΔH為電點火器件的熱值(kJ/g)，該電點火器件熱值ΔH取10 kJ/g[14]]。經計算，該電點火器件的熱釋放速率Q為4 216 kJ/s。通常，當網格尺寸約為0.1D或0.2D時(D為火源特征直徑)，使用FDS軟件能取得較好的火災模擬效果。采用計算公式計算得到本條件下火源特征直徑D為1.658 m，考慮到建模的準確性，網格尺寸應盡量是1的因數，因此設置網格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

假設制造車間內部及其周圍環境溫度為20℃，火源熱釋放速率模型選用非穩態t2模型[15]，電點火器件的燃燒屬于極快型燃燒，火災發展時間t為150 s。在著火房間、走廊以及逃生地點共布置20個熱電偶(以THCP加編號表示)用于測溫，主要布置在每個出入口和工位處，布置高度均為1.6 m，具體位置如圖2所示；此外，因為CO濃度對人員逃生有著至關重要的影響，所以在通道出入口布置了13個CO濃度探測器(以CO加編號表示)，布置高度均為1.6 m，具體位置如圖3所示。

在高度為1 m、1.6 m、 2.5 m、5 m的z平面上設置了探測火災溫度、能見度、熱釋放速率、CO濃度以及煙氣速度矢量的2D切片用于結果顯示。

圖2 某民爆產品生產企業電點火器件制造車間內熱電偶位置分布圖

圖3 某民爆產品生產企業電點火器件制造車間內CO濃度探測器位置分布圖

2 模擬結果與分析

在電點火器件制造車間內，出入口是火災條件下每位員工都必須經過的位置，因此當火源位于出入口時將會直接限制人員的安全疏散，并對可用安全疏散時間也會產生直接的影響，是火災危險點。基于該火災危險點，本文將重點分析有風和無風兩種條件下人員可用的安全疏散路徑。

2. 1 無風條件下火災蔓延趨勢和逃生路徑分析

無風條件下電點火器件制造車間內1 m高處火災蔓延過程中的溫度切片云圖,以及1.6 m高處各測點溫度和5 m高處各測點CO濃度隨時間的變化曲線，見圖4、圖5和圖6。

圖4 無風條件下電點火器件制造車間內1 m高處火災 蔓延過程中的溫度切片云圖

圖5 無風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處 各測點溫度隨時間的變化曲線

圖6 無風條件下電點火器件制造車間內5 m高處 各測點CO濃度隨時間的變化曲線

由圖4至圖6可知：0 s時電點器件制造車間內1.6 m高處的溫度全部處于室溫20℃，在之后的幾秒內，因為右側車間內的電點火器件受熱而起火；當時間達到60 s時，起火房間內整體溫度已達到400℃以上，熱電偶THCP10和THCP11兩個測點的溫度明顯增大，但由于墻壁阻隔效應，因此僅在門口位置局部有小范圍高溫區出現，這表明火焰即將通過門蔓延出起火房間，傳播到車間其他部位；當時間繼續增至90 s時，發現在30 s的時間范圍內火焰就蔓延至整個車間區域，整個車間內溫度普遍達到400℃以上，且熱電偶THCP02、THCP07、THCP10和THCP11測點為代表的局部區域溫度已高達900℃，尤其在起火房間外部區域，以及車間1/2處區域，這是因為起火房間外部高溫區主要是由于火焰經過起火房間的整體燃燒產生大量的可燃氣體的影響，受到房間限制短時間無法外逸，一旦火焰作用下房門處形成傳播出口，可燃氣體會迅速擴散至起火房間外部區域，并與外部空氣充分混合，形成猛烈燃燒，同時由于高處區域內各工位存放有少量電點火器件，高溫作用下一并燃燒，進而形成900℃以上高溫，而車間1/2處的高溫區更多來源于區域內工位上電點火器件的作用以及傳播通道變窄的影響，使得可燃氣體局部濃度更高，有利于局部猛烈燃燒；當時間達到150 s后，熱電偶THCP12、THCP13、THCP14測點長時間持續高溫，高溫火焰區在局部窄通道內得以持續蔓延；當時間達到200 s時，隨著火災的進行高溫區主要集中在車間的門窗入口處，這是因為隨著燃燒時間的增加車間內空氣濃度下降，混合氣體的燃燒逐步趨近于其燃燒上限，造成燃燒不充分，而門窗入口處由于外部空氣的卷吸補充，可燃氣體可以與其更充分地混合，該區域得以繼續維持高溫，各門窗入口測點處存在高溫峰或高溫平臺充分說明了這種現象；通過觀察CO濃度隨時間的變化曲線可以發現，多數CO濃度測點處該曲線存在一個“凹陷”區，且隨著時間的增長“凹陷”區由車間的右側起火房間處逐步向左側推進，這可以理解為充分燃燒區域的推進過程，而通過與溫度切片云圖對照可以看出，充分燃燒高溫區逐步向左側推進的過程完全可以對應CO濃度“凹陷”區的移動過程；當時間達到300 s時，燃燒逐步結束，車間內溫度逐步下降。

此外，從圖4溫度圖像可以看出：前60 s時，制造車間內整體溫度基本正常，只有車間右側起火點位置溫度上升，因此車間右側的逃生通道不是優選，會有潛在危險；在110 s左右，車間大部分位置達到最高溫度，此時車間右側整體被高溫覆蓋；當時間為90 s、150 s時，車間下側和右側的溫度明顯居高，所以逃生路徑應該選擇車間左側或上側。

無風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處火災蔓延過程中的能見度切片云圖，見圖7。

圖7 無風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處 火災蔓延過程中的能見度切片云圖

由圖7可以看出：在90 s到120 s之間，制造車間內的能見度迅速降低，因此最佳的逃生時間應該是前120 s；從60 s和90 s能見度圖像可看出，車間左側出入口②、③處能見度較高，這是由于其處于隔間中，煙氣擴散速度較慢，但房屋外側能見度迅速降低，同時車間能見度上方出入口①處能見度也較高，但因為車間左側出入口處均為隔間，工作人員通過其逃出需要經過多個內門，所以在無風條件下電點火器制造車間內起火發生火災時工房上方出入口①處為最佳逃生出口。

2. 2 有風條件下火災蔓延趨勢和逃生路徑分析

有風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處各測點溫度和5 m高處各測點CO濃度隨時間的變化曲線，見圖8和圖9。

由圖8可以看出：有風條件下電點火器件制造車間內各測點的溫度變化趨勢和規律與無風條件下基本一致，說明有風條件下的火災蔓延趨勢與無風條件下大體一致，但在風速的影響下，各測點到達最高溫度的時間明顯提前，僅需50 s左右溫度就會達到400℃，員工就會出現危險，說明風的影響加速了火災的蔓延。人體一般可以承受的CO濃度臨界值為0.003 75 kg/m3，由圖9可知：除去特殊民爆產品工作點因為產品燃燒產生的CO急速堆積后造成CO濃度上升外，其他測點CO濃度需要100 s才可達到臨界值，所以在設計逃生路線時主要參考溫度。

有風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處火災蔓延過程中的火災單位體積熱釋放速率切片云圖，見圖10。

由圖10可以看出：車間上方②、③、④和下方③、④出入口處火災單位體積熱釋放速率明顯過高，導致熱輻射高，因而這些位置不適合作為逃生路徑。

圖8 有風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處各 測點溫度隨時間的變化曲線

圖10 有風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處火災 蔓延過程中的火災單位體積熱釋放速率切片云圖

故本文結合能見度切片云圖確定最佳的逃生路徑。有風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處火災蔓延過程中的能見度切片云圖，見圖11。

圖11 有風條件下電點火器件制造車間內1.6 m高處 火災蔓延過程中的能見度切片云圖

由圖11可以看出：制造車間內能見度因為火災迅速發展而幾乎為零，因此只能通過25 s能見度切片云圖來確定最佳的逃生路徑?；馂陌l生25 s時，車間左側②、③出入口處于隔間中，火災煙氣擴散速度較慢，所以能見度較高，車間上方①出入口處能見度也較高，但因為車間左側出入口均為隔間，工作人員通過其逃出會經過多個內門，而車間上方①出入口處因為有風原因，火災單位體積熱釋放速率高于車間左側，所以工作人員應該從車間上方①出入口處和車間左側出入口處分散逃生，且應快速逃離。

3 結 論

本文運用火災動力學軟件FDS，針對局部空間電點火器件制造車間內在有、無風條件下火災煙氣的蔓延情況進行了數值模擬研究，得出以下結論：

(1)電點火器制造車間內發生火災時人員逃生時間因有、無風條件而有所差別，具體在25 s至50 s時間范圍以內。

(2)當風速越大時，火災煙氣擴散速度越快，維持CO濃度峰值的時間越短；有風時火災燃燒速度明顯提高，火災煙氣產生和擴散速度也增加，工作人員受到的危險性增大，對人員逃離速度的要求更高。

(3)有、無風條件對電點火器制造車間內發生火災時人員逃離路線有一定的影響，這是因為有風條件下的空氣對流會導致火災煙氣蔓延方向和擴散速度發生一定的改變，因此在有、無風條件下發生火災時人員應該選擇不同的逃生路線。