烟草火灾危害后果定量评价研究

陈永锋，李　朵，朱振宇，杨　皎

(西安建筑科技大学, 陕西 西安 710055)



烟草火灾危害后果定量评价研究

陈永锋，李朵，朱振宇，杨皎

(西安建筑科技大学, 陕西 西安 710055)

摘要:为准确评价烟草仓库失火烟气危害，在借鉴能见度、热辐射、N-GAS和FED模型的基础上，提出综合考虑热辐射、烟气毒性和能见度的烟气危害评价模型TVH(Toxicity，Visibility，Heat)。采用PyroSim软件模拟的方法，以某失火烟草仓库为原型，构建接近于真实的虚拟火灾现场。通过模拟烟气运动规律及烟气危害评价因子随时间变化曲线，分析得出位置不同，烟气危害的效果也不同。定量计算三个模型烟气危害指数，分析得出热辐射是造成人员伤亡的重要原因，TVH模型比N-GAS和FED模型多考虑了热辐射和能见度的影响，更全面评价烟草火灾危害后果，最后提出TVH模型的应用前景。

关键词:烟草火灾；能见度；热辐射；TVH模型；PyroSim模拟

烟草作为可燃物，不仅发生有焰燃烧，还能发生阴燃，烟草中的钾元素，更增强了烟草的阴燃持火力，加之烟草仓库可燃物多，堆放集中[1]，发生火灾后烟气浓度大、毒性高，所以烟草仓库比其他建筑物更容易发生火灾，危害性更大。据2013年NFPA发布的一份报告显示，2011年美国烟草引发的火灾事故约90 000起，造成540人死亡，6.21亿美元的财产损失，由此可见烟草火灾发生的频繁性和危害后果的严重性。关于火灾危害性的研究，我国学者主要以商场、住宅楼等[2]人群密集的场所为研究对象，采用概率曲线、模糊评价等方法[3-5]定性分析火灾造成的人员伤亡和财产损失，这些研究理论上丰富了火灾危害的研究，但没有定量计算。相关研究表明，火灾中高达70%的人员死亡是因为吸入大量有毒气体[6]，烟草的特殊性更加重了烟气的危害。因此，笔者将烟气作为火灾危害的主要对象，建立TVH(Toxicity，Visibility，Heat)模型，定量评价烟气的危害后果。

1常规评价模型

定量评价火灾危害的主要模型有N-气体模型和FED模型，N-气体模型考虑了CO、CO2等气体及缺氧条件的烟气毒性，其计算见式(1)：

(1)

该模型考虑了CO2和CO的耦合毒性，使用方便，但仅适用于气体体积随时间变化很小或恒定的情况。FED模型在此基础上，运用换气过度因子VCO2考虑了CO2对人呼吸的影响，其计算见式(2)：

(2)

FED模型比N-气体模型的计算结果更接近实际，但两模型均只考虑了烟气毒性的作用。火灾烟气是由烟草燃烧产生的气体、固态颗粒和液滴3类物质组成的云状混合物[7]，具有较高温度。一般烟气的危害主要体现在毒性上，但烟草燃烧产生的大量烟气具有强烈遮光性，降低了能见度，烟气热量向周围辐射，造成灼伤。热辐射和能见度的双重效果延长人群疏散时间，不利于逃生，因此有必要将热辐射和能见度纳入烟草火灾危害评价因子，综合考虑烟气毒性、能见度和热辐射的危害后果。

2TVH模型

笔者在能见度模型、热辐射模型、N-GAS和FED模型的基础上建立TVH模型，充分考虑了时间对热辐射、能见度的影响，更全面地体现了烟草火灾危害的后果。

2.1 　烟气毒性和能见度模型

烟草燃烧的烟气中有3 000多种有毒物质，谢剑平等[8]筛选出含CO在内的7种最具代表性的有毒成分。考虑到CO是唯一被证实的造成人员大量伤亡的有毒气体，也为简化计算，我们选取CO为本次研究的对象。研究毒气的衡量指标，最常用的有半数致死体积分数LC50和半数失能体积分数IC50。两指标相比，IC50相对保守，适用于常规火灾，LC50更能体现烟草火灾烟气的毒性及特殊性，因此选择LC50为本次烟气毒性评价指标，预测更准确。

烟草燃烧产生的大量烟气，降低了火场能见度。没有火灾烟气存在的情况下，正常的极限视程是30m。在防火性能设计中，大空间的临界能见度是10m。能见度影响被困人员的行走速度和火灾现场的疏散时间。火灾烟气能见度与被困人员行走速度的关系可拟合为：

(3)

式中：D为能见度(m)；V(D)为能见度为D条件下人员的行走速度(m/s)。当疏散路径一定，疏散速度与疏散时间可表示为：

(4)

式中：L为疏散路径长度(m)。经计算可知，不同能见度条件下，人的行走速度和疏散时间可相差300多倍。能见度模型给出能见度随时间变化的定量关系，用式(4)可计算得出不同能见度条件的疏散时间。

2.2　热辐射模型

烟草燃烧的表面温度达300 ℃，燃烧中心烟气温度可达900 ℃，通常的火灾现场温度多高达600 ℃。李山岭等[9]指出，距火源半径10m的辐射圈范围内，120 ℃的环境中人体可忍耐15min左右；175 ℃的高温环境中，人体只能忍耐1min。高温环境下的人体极限忍耐时间和温度之间存在如下关系：

(5)

式中：T为环境温度(℃)；tc(T)为极限时间(min)。

式(5)表明温度跟人体极限忍耐时间存在负相关关系，温度升高，人体极限忍耐时间快速减少。一般采用热通量对热辐射的危害程度进行评价。NFPA59A标准规定，人体承受的最大安全辐射热通量为5kW/m2。因此，本次模型以5kW/m2为安全评价标准。热辐射模型给出了高温热辐射随时间变化的定量关系和安全评价指标，为后续热辐射的定量计算提供依据。能见度模型中的tD和热辐射模型中的tc(T)，应取两者中的较小值计算火场疏散时间。

2.3　TVH模型

基于谢建平等人[8-11]的研究成果，我们构建了综合考虑烟气毒性、能见度和热辐射的烟草火灾烟气危害定量评价模型TVH，其计算见式(6)。

(6)

(7)

TVH模型运用环境温度T和疏散时间tD将烟气毒性、能见度及热辐射联系起来，构建了三者共同作用下的烟草烟气危害后果评价模型。研究表明，TVH的评价值为0.8，表示火灾烟气对人的危害较小，不危及生命安全；TVH的值为1.0，表示火灾烟气有可能危及人的生命安全；TVH的值为1.3，表示人员的生命安全受到严重威胁。

3实证分析

3.1　背景概况

2014年5月某卷烟公司仓库突发大火，车间存放的烟草致使火势迅速蔓延，烟气弥漫，造成多人受伤。考察得知，该仓库体积为50m×38m×15m，共17排37列货架，存放5 700箱卷烟。南、北、东方向共3个门，且均处于开启状态，其位置如图1所示。

图1　仓库及门位置平面图

3.2　模型建立及初始化

根据《民用建筑防火排烟技术规程》的规定，应取仓库火源热释放量为4MW[12]。基于火源位于仓库中心最大火灾危险性的考虑，笔者将火源设置在仓库中心第9排18列货架，火源尺寸为箱体表面，开始热释放量为5MW。本次模拟采用均一网格，确定网格划分为(共计230 000个)，门及火源模拟相应的坐标值如表1所示。CO、O2、CO2浓度及能见度探测点设置在3个出口处，以便及时获取数据。

表1　FDS模拟中相对应的坐标值　m

根据背景介绍、网格划分及表1中的坐标值，利用PyroSim软件模拟出烟草仓库火灾现场的立体图，如图2所示。

图2　火灾现场模拟立体图

4模拟结果分析

4.1　火灾发展过程

火灾模拟过程体现了各物理量随时间的变化，烟气填充图展示了火灾的蔓延过程，如图3所示。

由图3可看出，热烟气在浮力的作用下形成羽流垂直上升，在t=35 s时撞击顶棚，受顶棚限制的烟气改变流动方向朝四周蔓延；在t=61 s时撞到两侧的墙壁，受墙壁限制的对称烟气以相同的速率向仓库下端填充。在t=84 s时，四角的烟气迅速沉降，受下方冷空气的影响，烟气动量不足停止下降并在26 s后于顶棚上端形成烟气层。不断卷入的空气让烟层逐渐增厚，在t=225 s时烟气填充了房间近2/3的空间，415 s时整个空间充满烟气。

图3　正常情况下仓库烟气填充图

4.2　烟气毒性和能见度分析

火灾中CO致死的人数占死亡总人数的40%以上[13]。黎强等[14]研究了火灾烟气中有毒气体体积分数的分布与危害。研究指出，当CO体积分数为0.05%时，人在1 h内不会有什么症状；当CO体积分数达到0.1%，人在1 h内会头痛作呕不舒服；当CO体积分数达到0.5%，人在0.5 h内会窒息而亡；当CO体积分数超过1%，人在2 min内中毒死亡。根据CO不同浓度时的危害症状，笔者取0.1%作为危险点进行分析。通过温度分布、能见度分布等重要参数，模拟出这些参数随时间的变化，如图4、图5、图6所示。

图4　CO体积分数时间变化图

由图4可知，前200 s，2号门有少量的CO，1、 3号门几乎没有； 200 s后，2号门的CO体积分数上涨至0.12%，超过CO浓度危险点，1、3号门的CO体积分数分别呈波动性和持续性上涨，但均没有超过人体危险值，处于2号门附近的人会头疼作呕，而1、3号门附近的人受毒气影响不大，1 h内无症状。

图5　能见度时间变化图

由图5可知，在t=405 s、95 s、297 s时，1、2、3号门的可见度在疏散临界值10 m范围内。在t=100 s时2号门的能见度降至5 m以下， 而1、3号门的能见度在275 s内基本不受影响。在t=400 s时，烟气充满整个空间，t=500 s时1、2、3号门的能见度基本都在2.5 m以下。随着时间的推移，500~900 s的观测时间段内烟气遮光效果明显，能见度趋于0。结合图3和图5可知，在t=400 s左右，烟气充满整个房间，能见度达到极低值，不利于人员疏散。

4.3　热辐射分析

由图6可知，2号门的温度最先上升，在t=150 s出现峰值，达到最大热辐射3.5 kW/m2，随后温度下降并在2.4 kW/m2上下波动；1、3号门在100~250 s时间内热辐射曲线几乎重合，随后两条曲线均呈现先上升后稳定的趋势，两条曲线几乎同时在t=375 s时达到峰值，1号门的热辐射值始终在3号门之上。分析可知，火灾发生后，2号门附近的热辐射伤害最大，其次为1号门和3号门，它们的热辐射平均值分别为2.4 kW/m2，1.8 kW/m2，1.4kW/m2，虽没有超过热辐射的安全警戒值，但长时间高于皮肤平均温度的热辐射容易造成二级烧死。

图6　热流量时间变化图

4.4　H值分析

从小火发展为大火，烟气危害指数(H)随时间的推移而变化。笔者取t=35 s、225 s、414 s、670 s四个不同的时间作为发现火灾的时刻，分析不同能见度条件下烟气的危害。在t=35 s、225 s、414 s、670 s时，仓库平均能见度分别26 m、21 m、7 m、3 m。1、2、3号门到火源中心的长度分别为25 m、26.4 m、26.4 m，根据式(4)和式(5)，四种不同能见度下，1号门的疏散时间分别为22 s、22.5 s、39 s、83 s；2、3号门的疏散时间分别为23.6 s、23.8、41.3 s、88 s。分析数据可知，仓库能见度直接影响着疏散时间。t=35 s和t=225 s的疏散时间差距不大，但t=414 s 的疏散时间几乎是t=225 s的2倍，t=670 s后的疏散时间呈倍数增长。根据式(6)，表2给出了3个门不同时间段内热辐射、CO毒性、能见度及H值。

表2　不同出口各时间段内参数平均值

烟气毒性的衡量值是1.1[15]。由表2可知， 2号门在225 s左右时，CO毒性超过1.1并持续增大，1、3号门的毒性一直处在安全范围内；2号门在200 s内高温辐射迅速增大，能见度急速降低，1、3号门在400 s后高温辐射增长明显且稳定，能见度迅速降低至4.5 m左右。总体而言，2号门的H值始终高于同一时间段的1、3号门，2号门附近的人员受到的烟气危害更大。

基于N-GAS、FED和TVH模型计算得出平均烟气危害指数，结果如表3所示。

表3　不同模型烟气危害性指数H值对比

由表3可知，TVH模型计算出的H值比N-GAS模型和FED模型计算的H值都大。在t=414 s时，TVH模型的H值是另外两个模型的2.5倍，这种差异性主要体现在热辐射上。TVH模型考虑了热辐射的影响，而N-GAS、 FED模型没有考虑，因此计算的烟气危害指数差异较大。从结果来看，N-GAS模型和FED模型的H值一直小于0.8，说明烟气毒性对人体伤害不大，但TVH模型计算出的H值在414 s后超过1.3，人的生命安全受到严重威胁，可见在烟草火灾中，热辐射是造成人员伤亡的重要原因。

5结论

利用PyroSim软件进行的模拟，展示了不同时间段烟气的运动，受烟气运动规律的影响，距火源位置差异不大的3个出口，烟气危害效果不同，2号门的烟气危害指数和热辐射明显高于1、3号门，不利于逃生。火灾发生200 s后CO的毒性让人头疼作呕，热辐射在测量时间段内没有超过安全警戒值，N-GAS模型和FED模型计算出的H值也一直小于安全值，说明单独某个因素的作用对人的生命安全不构成威胁。但烟气的遮光性降低能见度，增加人员的暴露时间，延长了烟气对人体的危害，t=414 s时TVH模型计算出的H值超过1.3，三因素的综合作用对人体生命安全构成严重威胁，其中热辐射占主要作用，能见度间接影响热辐射和烟气毒气的作用时间。TVH模型计算出的烟气危害指数比N-GAS模型和FED模型计算的危害指数都大，更全面地体现了烟草火灾的危害后果。TVH模型的提出为日后火灾危害研究提供了新的思路。

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Quantitative Evaluation Research of Harmful Consequences of Tobacco Fire

Chen Yongfeng, Li Duo, Zhu Zhenyu and Yang Jiao

(Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Abstract:In order to evaluate the fire hazard of flue gas in tobacco warehouse, based on models of visibility, heat, FED and N-GAS, TVH (Toxicity, Visibility, Heat) model is proposed. Using the method of PyroSim software simulation, taking a fire tobacco warehouse as the prototype, the virtual fire scene close to the real is built. Through simulating the movement law of the smoke and the variation curve that hazard evaluation factors of flue gas change with time, it is concluded that the effect of flue gas of different position is different. According to the flue gas hazard index the three models quantitative calculate, the conclusion heat is an important cause of casualties is analyzed. Considered the effect of heat and visibility, the evaluation hazard of TVH model is more comprehensive than that of N-GAS and FED model. Finally, the application of TVH model is put forward.

Key words:tobacco fire; visibility; heat radiation; TVH model; PyroSim simulation

作者简介：陈永锋(1961-)，男，陕西乾县人，教授，主要从事风险评估理论、建模与方法、企业信息化方面的教学和科研工作. E-mail：634971466@qq.com

基金项目：国家自然科学 “陆上油气管线风险评估技术研究”(61271278)；陕西省重点学科建设专项资金资助项目(E08001)

收稿日期：2015-07-10修回日期：2015-09-11

中图分类号：TB；X4

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0050-05

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.011