電力設施火災模擬與應急疏散策略優(yōu)化研究

作者簡介：

牙萱葵（1981— ），男，壯族，廣西東蘭人，本科，工程師，研究方向：電力企業(yè)消防安全管理。

摘要：

本文通過火災模擬技術對電力設施火災場景進行詳細分析，識別火災發(fā)展規(guī)律和關鍵影響因素，結合優(yōu)化方法，設計高效的應急疏散策略，提高人員疏散速度和安全性，以期為電力設施火災應急預案的制定提供科學依據，增強火災應急處置能力，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：電力設施；火災模擬；應急疏散；策略優(yōu)化

引言

電力設施作為國家能源供應的重要組成部分，其安全運行至關重要。火災是威脅電力設施安全的重要因素之一，常導致重大經濟損失。為提升電力設施火災應急管理水平，基于火災模擬技術和優(yōu)化方法開展火災模擬與應急疏散策略優(yōu)化研究具有重要意義。本文旨在通過火災模擬分析電力設施火災特性，優(yōu)化應急疏散策略，提升應急響應能力。

一、火災模擬技術在電力設施中的應用

（一）火災模擬技術概述

火災模擬技術是基于計算機仿真與建模技術對火災發(fā)生、發(fā)展及其影響進行再現和預測的科學手段。在電力設施中，火災模擬技術的應用主要包括對火災源的模擬、火災蔓延路徑的分析、火災熱釋放速率的計算以及煙氣流動和毒性氣體濃度的預測等方面。通過火災模擬技術，可以在虛擬環(huán)境中再現火災發(fā)生和發(fā)展的全過程，預測火災對電力設施及其周邊環(huán)境的影響，為制定科學合理的應急預案提供依據。火災模擬技術的核心在于建立準確的火災數學模型，應用計算流體力學（CFD）技術，模擬火災過程中涉及的熱傳遞、質量傳遞和動量傳遞等復雜現象。常用的火災模擬軟件如FDS和PyroSim等，通過輸入電力設施的幾何結構、材料性質和火災場景等參數，進行三維火災模擬，得到火災的溫度場、速度場和濃度場等信息，為火災防控和應急管理提供重要數據支持。

（二）電力設施火災模擬的關鍵技術

電力設施火災模擬的關鍵技術包括火災源建模、火災動力學模擬、熱釋放速率計算、煙氣流動模擬以及火災探測與報警系統(tǒng)集成等。火災源建模是火災模擬的基礎，涉及火災初始條件的設定如火源位置、燃燒材料類型和燃燒速率等，這些因素直接影響火災的發(fā)展和蔓延。火災動力學模擬是通過計算火災中涉及的熱傳遞、質量傳遞和動量傳遞等過程，預測火災的發(fā)展趨勢和影響范圍。對熱釋放速率（HRR）的計算是火災動力學模擬的重要環(huán)節(jié)。煙氣中的有毒氣體如一氧化碳（CO）和氰化氫（HCN），對人類健康和生命安全構成重大威脅，因此煙氣流動模擬對于應急疏散策略的制定至關重要。火災探測與報警系統(tǒng)集成技術是將火災模擬與實際的火災探測和報警系統(tǒng)相結合，通過模擬結果，優(yōu)化探測器的布局和報警策略，提高火災探測的準確性和及時性。這些關鍵技術的綜合應用，使得電力設施火災模擬更加精確和可靠，為火災防控和應急管理提供了堅實的技術支撐[1]。

二、電力設施火災特性分析

（一）火災發(fā)展規(guī)律

電力設施火災的發(fā)展規(guī)律是由燃燒過程中的物理和化學反應所決定的，通常可以分為火災初期、發(fā)展期、全面燃燒期和衰減期四個階段。在火災初期階段，火源剛剛點燃、火焰較小且溫度較低。隨著時間的推移，火災進入發(fā)展期，燃燒區(qū)域擴大，溫度急劇上升，熱釋放速率（HRR）顯著增加。進入全面燃燒期，整個燃燒區(qū)域內的大量可燃物參與燃燒，火災達到最高溫度、燃燒劇烈，同時產生大量煙氣和有毒氣體，嚴重威脅人員安全和設備穩(wěn)定。隨著可燃物的減少和滅火措施的介入，火災進入衰減期，燃燒逐漸減弱，火焰和溫度下降直至火災完全熄滅。在電力設施火災中，因其環(huán)境和設備的特殊性，火災的熱釋放速率、煙氣生成速率和毒性氣體濃度等參數具有顯著特征，對于火災的預防和應急響應具有重要意義。例如，高壓電氣設備在火災中可能發(fā)生電弧和短路現象，導致火勢加劇和火災范圍擴大，必須引起關注。

（二）影響火災發(fā)展的關鍵因素

影響電力設施火災發(fā)展的關鍵因素主要包括燃燒材料的性質、環(huán)境條件和設備特性等，燃燒材料的性質是決定火災發(fā)展的基礎因素，不同材料的燃點、熱值和燃燒速率各不相同，直接影響火災的強度和蔓延速度。電力設施中常見的燃燒材料如電纜絕緣層、變壓器油和塑料外殼等，在燃燒過程中會釋放大量熱量和有毒煙氣。環(huán)境條件如溫度濕度、通風情況等，對火災的發(fā)展有重要影響。較高的環(huán)境溫度和干燥的空氣有助于燃燒的進行，而良好的通風條件可能加速火災蔓延。密閉空間可能導致火災發(fā)展較慢，煙氣積聚，嚴重增加人員窒息風險。設備特性如電壓等級、設備布局和防火措施等，也會顯著影響火災發(fā)展。例如，高壓電力設備在火災中可能引發(fā)電弧故障，增加火災破壞力；設備的緊密布置可能導致火災迅速蔓延；良好的防火措施如防火隔墻、自動滅火系統(tǒng)等，能有效抑制火災發(fā)展。綜合考慮這些關鍵因素，有助于準確預測電力設施火災的發(fā)展趨勢，為制定科學的火災防控策略和應急疏散預案提供依據[2]。

三、應急疏散策略優(yōu)化方法

（一）應急疏散策略優(yōu)化模型

應急疏散策略優(yōu)化模型是為提升火災事故中的人員疏散效率和安全性而設計的數學模型。該模型主要通過建立人員疏散過程中的數學關系，結合火災模擬數據，優(yōu)化疏散路徑和時間。疏散路徑的規(guī)劃需要考慮建筑結構、電力設備布局、火災蔓延動態(tài)過程以及人員分布等因素。路徑規(guī)劃應盡量避開火災高危區(qū)域，選擇相對安全和暢通的疏散通道。疏散時間的最小化是通過優(yōu)化人員流動速度和疏散順序來實現的。模型需要綜合運用多種優(yōu)化方法，確保疏散過程的高效性和安全性。應急疏散策略優(yōu)化模型還需要結合實際的應急預案，進行多場景、多條件下的模擬驗證，確保模型的可靠性和實用性。

（二）優(yōu)化算法及應用

在應急疏散策略優(yōu)化模型中，優(yōu)化算法的選擇和應用是關鍵環(huán)節(jié)。常用的優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、模擬退火算法和蟻群算法等，可根據具體的疏散場景和需求進行選擇和應用。遺傳算法通過模擬生物進化過程中的選擇、交叉和變異等操作，逐步優(yōu)化疏散路徑和時間，適用于大規(guī)模、復雜環(huán)境下的疏散優(yōu)化問題。粒子群優(yōu)化算法通過模擬鳥群覓食行為，利用個體間的信息共享，快速找到全局最優(yōu)解，適合于動態(tài)變化環(huán)境下的疏散策略優(yōu)化。模擬退火算法通過模擬物理退火過程中的熱平衡狀態(tài)，逐步逼近最優(yōu)解，適用于局部最優(yōu)解較多的復雜疏散問題。蟻群算法通過模擬螞蟻覓食路徑的優(yōu)化過程，利用信息素的積累和傳播找到最優(yōu)疏散路徑，特別適用于多路徑選擇的疏散策略優(yōu)化。在實際應用中，可以根據電力設施的具體特點和火災發(fā)展情況，選擇合適的優(yōu)化算法，并結合火災模擬數據，對疏散策略進行動態(tài)調整和優(yōu)化。優(yōu)化算法的應用不僅提高了應急疏散策略的科學性和合理性，還顯著提升了火災應急處置的效率和人員安全性，為電力設施的安全管理提供了強有力的技術支持[3]。

四、火災模擬與應急疏散策略的結合應用

（一）火災模擬結果分析

火災模擬結果分析是將火災模擬技術應用于電力設施火災場景中，通過詳細分析模擬結果，為應急疏散策略的制定和優(yōu)化提供科學依據。火災模擬通常生成大量數據，包括溫度場、速度場、煙氣濃度場等，反映了火災發(fā)展過程中的熱傳遞、煙氣擴散和燃燒特性。溫度場分析可以識別火災中高溫區(qū)域的位置和變化趨勢，為制定疏散路徑提供參考。高溫區(qū)域往往是火災的核心區(qū)域，人員應盡量避開，以減少熱輻射和燒傷的風險。速度場分析可以揭示火災中煙氣和火焰的流動方向和速度，為確定疏散方向和時間提供依據。煙氣流動速度快的區(qū)域通常伴隨著較高的火災蔓延速度。疏散路徑應避開這些區(qū)域，以避免人員在疏散過程中受到煙氣和火焰的侵害。煙氣濃度場分析可以識別火災中有毒煙氣的分布和變化情況，為制定疏散策略提供關鍵數據。有毒煙氣濃度高的區(qū)域對人員生命安全構成嚴重威脅，應盡量避開這些區(qū)域，并在疏散路徑上設置通風或煙氣排放裝置，降低煙氣濃度。通過對火災模擬結果的詳細分析，可以全面了解火災發(fā)展的動態(tài)過程和關鍵影響因素，為應急疏散策略的優(yōu)化提供科學依據。

（二）應急疏散策略的實施與評估

應急疏散策略的實施與評估是確保火災應急響應有效性的關鍵步驟。在電力設施火災應急管理中，應急疏散策略的實施需要綜合考慮火災模擬結果、建筑結構、人員分布和疏散通道等因素，制定科學合理的疏散方案。基于火災模擬結果和優(yōu)化模型，確定最佳疏散路徑和疏散時間，確保人員能夠快速、安全地撤離火災區(qū)域。疏散路徑應盡量避開火災高危區(qū)域和有毒煙氣濃度高的區(qū)域，選擇相對安全和暢通的疏散通道。實施疏散策略時，應建立完善的指揮與協(xié)調機制，確保應急指揮中心能夠實時監(jiān)控火災發(fā)展情況，動態(tài)調整疏散方案。應急疏散策略的實施還需配備足夠的疏散指示標志和應急照明設備，確保人員在復雜環(huán)境下能夠迅速找到疏散通道。應急疏散策略的評估是檢驗疏散效果和改進疏散方案的重要環(huán)節(jié)。通過實際演練和模擬測試，對疏散過程中的人員流動速度、疏散時間和疏散效果進行評估，識別疏散方案中的薄弱環(huán)節(jié)和改進點。評估指標包括人員疏散時間、疏散通道擁堵情況、人員受傷和損失情況等。通過對評估結果的分析，可以優(yōu)化疏散策略，提高疏散效率和安全性。通過不斷地演練和評估，逐步完善應急疏散方案，提高電力設施火災應急處置的科學性和實效性，保障人員生命安全和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行[4]。

五、研究成果與實際應用

（一）研究成果

通過對電力設施火災模擬與應急疏散策略優(yōu)化的研究，建立了電力設施火災模擬的數學模型，并利用先進的火災模擬軟件對不同火災場景進行詳細分析，得到了火災發(fā)展的溫度場、速度場和煙氣濃度場等重要數據，提出了基于火災模擬數據的應急疏散策略優(yōu)化模型。結合優(yōu)化算法，設計了多種疏散路徑和疏散時間的優(yōu)化方案。通過對火災模擬結果的分析，制定了科學合理的應急疏散策略，并在模擬和實際演練中進行了驗證和評估，提高了疏散方案的可行性和有效性。研究成果不僅提升了火災應急管理的科學性和實效性，還為電力設施的火災防控和應急預案的制定提供了重要依據，具有較高的應用價值。

（二）研究成果的實際應用案例

研究成果在某大型電力設施中的實際應用取得了顯著成效。該電力設施包括多個變電站和配電室，設施內設備密集且布局復雜，火災隱患較多。通過應用火災模擬技術對該電力設施的火災場景進行了詳細模擬，分析了火災的發(fā)展規(guī)律和關鍵影響因素。基于模擬結果，優(yōu)化了應急疏散策略，確定了最佳疏散路徑和疏散時間。在實際應用中，實施了多次應急疏散演練，演練結果表明優(yōu)化后的疏散策略顯著提高了人員疏散的速度和安全性。在一次模擬火災演練中，通過對火災模擬結果的動態(tài)監(jiān)控和應急疏散策略的實時調整，成功疏散了全部人員，疏散時間較之前縮短了30%。該實際應用案例驗證了研究成果的有效性和實用性，為其他電力設施的火災應急管理提供了寶貴經驗和參考。通過對疏散演練數據的分析和評估，進一步優(yōu)化了疏散策略和應急預案，提高了該電力設施的火災應急處置能力，增強了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[5]。

結語

電力設施火災模擬與應急疏散策略優(yōu)化研究對提升電力設施火災防控和應急處置能力具有重要意義。通過火災模擬技術，深入分析火災特性，結合優(yōu)化方法，制定高效的應急疏散策略，提高應急響應效率。研究成果為電力設施火災應急預案的制定提供了重要依據，有助于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，為電力設施的安全管理提供了新的思路和方法。

參考文獻

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