城市综合管廊电缆火灾CFD数值模拟研究

王方舜

(武汉市消防支队，湖北 武汉 430020)

城市综合管廊电缆火灾CFD数值模拟研究

王方舜

(武汉市消防支队，湖北 武汉 430020)

城市综合管廊是城市的生命线工程，一旦发生电缆火灾，不仅会造成管廊结构的破坏，还会影响城市的正常运转。运用CFD模拟技术建立综合管廊模型，对综合管廊内电缆火灾发展过程进行数值模拟，通过分析防火分区间距对电缆火灾的影响，得到不同工况下的管廊内热释放速率、管廊内温度分布、管廊内烟气扩散及一氧化碳浓度分布等情况。所得结论可为城市综合管廊设计及消防决策提供依据。

城市综合管廊；电缆火灾；能见度；温度分布；防火分区

0 引言

城市综合管廊，是建于城市地下可容纳诸多管线的市政公用设施，敷设有电力、热力、给排水等市政管线，可将各类管线统一安装、监测、整合管理，是现代化城市的重要“生命线工程”[1]。管廊内火灾隐患众多，一旦发生火灾，大量电缆管线会导致火势的迅速扩张、烟气迅速蔓延，造成人员及财产损失较大。比如2001年上海市电缆隧道内发生火灾，2008年赤峰市供电隧道内发生电缆火灾，导致市区大面积断电；2012年东莞市纸厂地下电缆爆炸后引发火灾，造成重大经济损失。当前国内综合管廊相关建设标准和规范还不完善，因此，为提高管廊行业发展的安全保障，逐步完善管廊建设标准，有必要对管廊内电缆火灾发展及烟气蔓延规律进行研究。

对于综合管廊内的电缆火灾及防治，国内外学者研究较少，其中多数为数值模拟研究，实体试验相对较少。赵永昌[2]等人采用FDS模拟软件对城市地下综合管廊火灾烟气温度场进行了模拟，得到管廊内的温度衰减规律以及烟气蔓延规律。彭玉辉[3]采用数值模拟方法，研究了典型隧道电缆火灾内烟气浓度和氧气浓度、热释放速率、隧道纵向横向温度变化规律。李文婷[4]建立了各种环境下电缆火灾模型，分析电缆火灾的蔓延过程。戴文涛等[5-6]对电缆隧道及管廊电力舱室的火灾特点，以及相应的探测预防技术进行了分析探讨。苏洪涛等[7-8]对管廊内电缆火灾隐患进行了分析，说明引起电缆火灾的原因主要是电路短路、线路过载等，且目前针对管廊电缆火灾灭火的方法主要为超细干粉灭火系统。

本文采用CFD技术，通过有限元软件FDS建立综合管廊模型，针对管廊内电缆火灾进行全尺寸模拟试验，研究不同长度防火分区条件下，管廊电缆火灾时烟气、温度、火焰蔓延情况。

1 管廊计算模型的建立

1.1 计算模型

为更好地模拟管廊内电缆火灾发展过程，参考某城市管廊工程资料，采用FDS有限元模拟软件，建立综合管廊有限元模型。模型总长度取1 000 m，横截面的宽度和高度分别为4 m、2 m，在三个方向上的网格个数为1 200，20，10，火灾模拟时间共5 000 s。管廊的计算模型截面示意图如图1所示。

图1 城市综合管廊模型截面图

1.2 人员安全疏散时间计算

人员安全疏散的判定标准为：可用安全疏散时间(tASET)>必要安全疏散时间(tRSET)。火灾发生后一般认为人员疏散并不能立刻进行，还要经过报警时间及人员响应时间两个阶段后，人员才开始疏散。因此，在综合管廊火灾中人员必要安全疏散时间计算如下：

式中，tb为预警时间，取60 s；tc为响应时间，120 s；ts为疏散时间。

若人员行走速度为1.2 m·s-1，则计算得到200 m和800 m防火分区的必要安全疏散时间分别为347 s和847 s。

1.3 试验参数设置

1.3.1 火源设置。火源设置为表面热源，按照固体热解模型设置，表面温度为1 000 ℃，其长为0.6 m，宽为0.6 m，位于隧道中心处。

1.3.2 电缆布置。如图1所示，根据管廊内的电缆尺寸，在管廊内部设置16根电缆模型，电缆长度与隧道长度相等，截面包含两种尺寸，分别设为：A类，截面为0.3 m×0.3 m；B类，截面为0.2 m×0.2 m。

1.3.3 工况设置。按照《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)，天然气管线舱室及容纳电力电缆的舱室应每隔200 m设置有防火分区[9]，为探讨防火分区间距对电缆火灾的影响作用并考虑有维修人员的情况，设置4个工况，工况1，2为防火分区200 m，工况3，4为防火分区800 m，具体工况设置情况见表1。

1.4 电缆参数

按国标《电力工程电缆设计规范》(GB 50217—2007)中规定的常用电缆绝缘类型[10]，本文电缆采用交联聚乙烯型挤塑绝缘类型。交联聚乙烯的分解及碳化温度为330 ℃，密度为1 500 kg·m-3，比热容为1.5 kJ·kg-1·K-1，热导率为0.5 W·m-1·K-1，燃烧热为2 500 kJ·kg-1。

表1 模拟工况设置

2 结果与讨论

2.1 管廊内热释放速率分析

图2、图3给出了两种防火分区管廊内的热释放速率变化曲线。为更好地模拟电缆在管廊中自然燃烧传递的情况，在280 s时移除火源。由图可以看出，电缆一旦点燃后管廊内的热释放速率快速上升，800 m防火分区内的上升速率要高于200 m防火区，说明在800 m防火分区管廊内电缆火灾蔓延的速度要更快，原因为不设置防火门的情况下，管廊内空气更为充足。800 m和200 m防火分区内，最大热释放速率分别可达10 MW和7 MW，在达到峰值后迅速下降，但800 m防火分区管廊和200 m防火分区管廊两者下降的原因不同，前者主要为电缆材料的不充分燃烧，后者主要是空气不足导致在900 s时火焰熄灭。800 m管廊内在900 s以及1 300 s时热释放速率有小幅度的上升，是由于未完全燃烧的电缆达到完全燃烧的状态导致，说明防火门可有效阻止电缆火灾的蔓延，并使其尽快熄灭，而800 m防火分区中电缆火灾的蔓延呈现为阶段性区域电缆燃烧，热释放速率呈现波动状态。

图2 200 m防火分区热释放速率曲线

图3 800 m防火分区热释放速率曲线

2.2 管廊内温度分布分析

2.2.1 管廊火灾防火门开启排烟时间的确定

为确定各防火分区管廊内火灾持续的时间，以确保防火门开启时不会发生回燃，本文设定当温度小于100 ℃以下时认为火已经熄灭。当防火分区为200 m时，管廊内火源位置、50 m处以及100 m位置的温度降到100 ℃以下的大概时间是1 600 s，如图4所示。800 m防火分区管廊内火源位置、50 m、100 m、150 m及400 m位置的温度降到100 ℃以下的大概时间是3 600 s，如图5所示。

图4 200 m防火分区防火门开启时间

因此，本文设置200 m和800 m防火分区开门排烟的时间为1 600 s和 3 600 s。在实际的管廊火灾灭火过程中可以在管廊内布置相应的热电偶，根据热电偶的温度判断管廊内火灾情况，为打开防火门进行排烟的时机提供一定的依据。

2.2.2 管廊内温度分布

图6给出了200 m防火分区管廊内温度随时间分布云图，可以反映出电缆火灾的传播发展过程。可以看出，管廊中心处电缆被点燃后，火势迅速向两侧蔓延，沿纵向方向上的电缆被引燃，在管廊中心处的温度最高，随后两侧的温度逐渐升高，火势在防火分区内传播迅速；在400 s时，管廊中心电缆开始充分燃烧，此时热释放速率急剧上升；700 s后火势开始减小，两侧的温度首先降低，中心处的温度最后降低，所对应的热释放速率快速衰减，火焰熄灭，这是空气不足导致的。在200 m防火分区内，电缆火灾在1 700 s内快速经历了火势增长、充分燃烧、急剧衰退三个阶段，防火分区的划分有效抑制了火势的增长，促进了电缆火灾的加速衰减。

图5 800 m防火分区防火门开启时间

图6 200 m防火分区管廊温度分布云图

图7给出了800 m防火分区管廊内温度随时间分布云图。明显可以看出，与200 m防火分区的温度分布有较大差别，火势沿纵向的蔓延速度更快，电缆更易被引燃，所对应的热释放速率上升速度更高。由图3可以看出在600 s左右，热释放速率开始下降，说明管廊中心的火势开始衰退；而从图7所对应时刻的温度云图可以看出，在600 s左右，管廊内最高温度分布区域开始减小，中心区域火势衰退，主要是中心电缆的燃烧进入衰退阶段，两侧被引燃的电缆还未达到充分燃烧所致。如图7中1 000 s后温度云图所示，中心电缆燃烧开始衰减，温度降低，两侧的温度上升，电缆达到充分燃烧状态。电缆火灾呈现出的阶段性区域电缆燃烧的蔓延规律，可以解释800 m防火分区管廊内的热释放速率在急剧下降后的小幅上升波动现象。

图7 800 m防火分区管廊温度分布云图

2.2.3 管廊内最高温度分布分析

图8给出了200 m防火分区和800 m防火分区，有人员疏散及无人员疏散情况下，管廊内1.8 m高度处各测点的最高温度变化曲线，其中测点位置沿管廊纵向方向等距离选取，各测点间距均为50 m，主要以火源中心到一侧一半模型的测点。由图8对比200 m防火分区有人员和无人员疏散情况得到，有人员疏散情况下，管廊纵向1.8 m位置最高温度高于无人员疏散的情况，800 m防火分区也呈现同样的趋势；对比200 m防火分区和800 m防火分区可见，800 m防火分区在各位置的最高温度高于200 m防火分区的情况。

图8 管廊内1.8 m高处测点最高温度变化

2.3 管廊内烟气扩散及一氧化碳浓度变化分析

2.3.1 管廊内烟气扩散分析

图9、图10分别给出了200 m防火分区和800 m防火分区管廊的能见度变化图，可以反映出管廊内部电缆火灾发生后烟气蔓延分布情况。如图9所示，火灾发生后能见度迅速降低，在500 s时烟气充满管廊内部，能见度几乎为零，各个时刻的能见度变化不大，故只选取1 700 s时能见度图，可以看出在烟气扩散到一定程度后，可通过防火门扩散到另一个防火分区。由图10可以看出，800 m防火分区管廊中火灾发生后，烟气充满整个管廊所需时间更长，中心区域的能见度小于两侧的能见度，烟气在管廊中心的聚集浓度大于扩散边缘处的烟气浓度，在1 500 s时管廊内能见度几乎为零，烟气的扩散弥漫较为迅速。通过对比，可以说明防火门的存在有效阻止了烟气的纵向扩散蔓延，在无防火门情况下烟气可迅速弥漫充满管廊内部。

图9 200 m防火分区能见度变化图

图10 800 m防火分区能见度变化图

2.3.2 管廊内一氧化碳浓度分布分析

火灾烟气中的一氧化碳浓度是影响人员逃生的重要参数，为此，本文测试了4个工况下管廊纵向1.8 m高位置处的一氧化碳浓度分布情况，如图11、图12所示。

图11 200 m防火分区管廊内1.8 m高处一氧化碳浓度

由图可知，200 m防火分区的一氧化碳浓度明显低于800 m防火分区。在有人员疏散情况下，一氧化碳的扩散速度比无人员疏散的情况快，所以当管廊内发生火灾时，维修人员要注意防范一氧化碳，抓紧时间逃生。

图12 800 m防火分区管廊内1.8 m高处一氧化碳浓度

3 结论

本文采用FDS有限元模拟软件，建立综合管廊模型，对管廊电缆火灾进行全尺寸模拟，通过设定不同长度的防火分区，研究不同防火分区管廊电缆火灾的温度、能见度和一氧化碳浓度，得到如下结论：

3.1 在管廊内电缆发生火灾后，火势迅速向两侧蔓延，电缆火灾可划分为火灾增长、充分燃烧、急剧衰退三个阶段，在200 m防火分区管廊中主要影响火势发展的为空气，而800 m防火分区中的主要影响因素为燃料，蔓延规律表现为阶段性区域燃烧。

3.2 两种防火分区情况，当火灾发生后有维修人员逃生时，不仅要注意可供人员疏散的必要时间，还要注意管廊内的烟气和一氧化碳对人员的影响，可以在管廊内设置相应的烟感探头。

3.3 管廊火灾主要以窒息灭火为主，但在火灾熄灭时间的判断上需要结合管廊内的温度及一氧化碳浓度的分布情况，可以在管廊内设置温度传感器以判断火灾的熄灭情况，从而进行通风排烟。

[1] 徐奇,续元庆,王丽娟.城市综合管廊应用分析[J].石油规划设计,2015,26(2):35-38.

[2] 赵永昌,朱国庆,高云骥.城市地下综合管廊火灾烟气温度场研究[J].消防科学与技术,2017,36(1):37-40.

[3] 彭玉辉.典型电缆火灾条件下烟气运动规律的数值模拟[J].船海工程,2016,45(2):65-68.

[4] 李文婷.综合管沟电缆火灾数值模拟研究[D].北京:首都经济贸易大学,2012.

[5] 戴文涛.电缆隧道及综合管廊火灾探测报警技术研究[J].消防科学与技术,2017,36(1):89-92.

[6] 刘衍,吴建星.电缆隧道火灾有效灭火技术试验研究[J].中国安全科学学报,2008,18(9):88-92.

[7] 苏洪涛,黎继红,汪齐,等.综合管廊电缆火灾消防系统设计探讨[J].市政技术,2016,34(6):126-129.

[8] 吕高辉.发展地下综合管廊问题剖析与应对策略[J].城乡建设,2016(4):34-36.

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市综合管廊工程技术规范:GB 50838—2015[S].北京:中国计划出版社,2015.

[10] 中国电力工程顾问集团西南电力设计院.电力工程电缆设计规范:GB 50217—2007[S].北京:中国计划出版社,2007.

(责任编辑 马 龙)

Effect of Utility Tunnel Fire Compartment on the Timing of Smoke Exhaust & Servicemen Evacuation in Cable Fires

WANG Fangshun

(Wuhan Municipal Fire Brigade, Hubei Province 430020, China)

Urban utility tunnels are the lifeline engineering of a city. A cable fire inside the utility tunnel will not only cause damage to the structure, but also adversely affect the normal operation of the city. A finite element model of the utility tunnel has been established by CFD to simulate the process of cable fire in the utility tunnel in order to collect the heat release rate, the safe evacuation time of the serviceman, maximum temperature distribution, smoke diffusion, carbon monoxide concentration distribution in the utility tunnel, and analyze the influence of fire compartment distance on cable fire. The conclusions of the simulation can provide the basis for the design of urban utility tunnel and fire protection decision-making.

urban utility tunnel; cable fire; visibility; temperature distribution; fire compartment

2017-05-22

王方舜(1975— )，男，湖北荆州人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2017)08-0014-05