综合管廊电缆桥架火灾的温度场分布特性

黄萍， 秦亮， 余龙星， 陈珊娜， 林煜垚， 黄璐妍

(福州大学环境与资源学院， 福建 福州 350108)

0 引言

作为城市“生命线”的地下综合管廊是包含一个或多个设施的隧道空间， 在提高城市综合运载能力和保障民生基本需求上具有重要作用. 但由于管廊内设有电力舱室， 当电缆发生火灾时， 不仅会对管廊设施造成破坏， 还会对城市的正常运行产生影响， 造成巨大的经济损失[1-2]. 例如， 2012年， 在广东省东莞市某综合管廊内发生的电缆火灾所导致的爆炸事故， 造成的经济损失惨重； 2016年发生在重庆市的某综合管廊电缆火灾事故则造成了周边街道的大面积停电.

许多学者通过实验研究和数值模拟， 对特定受限空间场景下的电缆桥架火灾特性及烟气温度场分布进行了较为深入的探索. 实验研究方面： 唐凯旋[3]基于二氧化碳生成原理和氧气消耗原理， 建立用于预测发生在通风受限空间中电缆火灾热释放速率的模型； 陶海军等[4]在1∶3.6的小尺寸管廊模型中分别对电缆火灾产生的纵向、 竖向和横截面弧度温度场进行分析， 结果发现, 烟温会在火源位置与水平方向的夹角大于45°处发生大幅度的升高； Beji等[5]利用视频火灾分析技术对电缆桥架火灾中的火焰蔓延进行实时监测， 并测出整个过程的热释放速率分布； Huang等[6]通过对比电缆松散布置和紧密布置的实验结果， 发现这两种布置方式在燃烧和火焰蔓延特性上的差异， 即松散排布的电缆更利于火焰的向上传播， 而紧密排布的电缆则更利于火焰的水平蔓延； Zavaleta等[7]通过实验发现, 相比于完全开放的场景， 密闭和机械通风条件会减缓电缆桥架火灾的质量损失速率和热释放速率； Huang等[8]采用一种考虑烟流界面高度影响的非稳态能量平衡模型， 对由电缆桥架火灾造成的封闭室内温度进行估算. 数值模拟方面： 韦岩[9]利用FDS软件模拟全尺寸综合管廊不同的断面形状对排烟及其烟温分布的影响， 得出较小的断面高宽比有利于提高排烟效率的结论； 安伟光等[10]运用FDS软件研究T型构造的综合管廊电缆火灾火蔓延情况， 并对火源处于不同位置时的温度变化进行分析； 李政等[11]通过FDS数值模拟探究有无防火隔板对电缆火的蔓延影响， 并分析了温度场分布情况.

综上所述， 目前对于受限空间电缆桥架火灾的研究多集中在火焰燃烧及蔓延特性、 烟流特性和简单的温度场分析， 且全尺寸模型实验多采用数值模拟的方式. 基于此， 本研究搭建截面尺寸为1∶1的综合管廊电力舱实验平台， 重点研究电缆桥架火灾造成的受限空间温度场分布， 包括烟温的垂直分布规律、 顶棚纵向烟温变化规律以及建立顶棚最大温升预测模型， 以期为综合管廊电缆火灾防护提供基础依据.

1 综合管廊电缆火灾实验

1.1 实验平台

本次实验的综合管廊电力舱模型的墙体采用混凝土制成， 顶棚则由防火板和钢板组成， 总长度为15 m， 内部空间的净宽和净高分别为2.6和2.9 m， 模型的截面尺寸符合文献[12]的相关规定. 管廊的一端口被防火板完全密封(封堵端)， 而另一端口则保持敞开状态(贯通端)， 如图1所示.

图1 综合管廊模型Fig.1 Utility tunnel model

1.2 内部场景布置

管廊内部实验场景如图2所示， 一个等层间距的三层电缆桥架模型, 截面尺寸设计符合文献[13]的相关规定， 桥架距侧壁0.05 m. 一个油盘放置在第一层桥架下方0.2 m处的正中位置， 作为实验用的点火源. 一台电子天平放于桥架下方， 用于记录燃烧过程中电缆的质量损失(对质量损失随时间变化曲线求一阶导可得出质量损失速率). 实验过程中放置两台摄像机， 位于桥架正面的摄像机用于记录火灾的发展过程， 位于桥架侧面的摄像机用于截取火焰高度图像， 通过二值图像法可得到油池火源稳定燃烧时的平均火焰高度(Lf)， 及电缆桥架火灾的火焰高度， 如图3所示. 热电偶布置见图4所示， 一根用于记录垂直温度场的热电偶树放置于离桥架2 m处， 热电偶树上共装有19个K型热电偶， 从上至下依次被命名为T1～T19； 电缆桥架上方的顶棚处(距顶棚0.04 m)设有13个以火源为中心沿管廊纵向对称排布的热电偶(T20～T32)， 其中T26位于火源中心位置正上方.

图2 管廊内部实验布置Fig.2 Internal experiment layout of utility tunnel

图4 热电偶布置 (单位： m)Fig.4 Thermocouple arrangement (unit: m)

1.3 油池火源

通过对文献[5-8]中的电缆桥架火灾实验火源设置方式进行总结后， 采用4个深度均为10 cm的方形油盘作为点火源， 内装有纯度为97.5%的正庚烷(燃烧热为44 560 kJ·kg-1； 燃烧效率为0.92)液体燃料. 火源功率的计算公式如下式， 火源基本参数见表1所示.

表1 火源基本参数

Q=η·m′·ΔH

(1)

式中：Q为火源功率， kW；η为燃料的燃烧效率；m′为燃料的平均质量损失速率， kg·s-1； ΔH为燃料的燃烧热， kJ·kg-1.

1.4 电缆燃烧热测定

实验中所用的电缆为综合管廊电力舱常用的型号为YJV 3-16 (10 kV)电缆， 其燃烧热采用锥形量热仪进行测定. 把电缆样品按规定要求制备好， 并用铝箔纸包裹好放入测试台中， 设定热辐射强度为35 kW·m-2[14]， 实验重复两次， 样品质量(m)和单位面积热释放速率(q)随时间(t)的变化见图5.

图5 电缆样品质量和单位面积热释放速率的变化曲线图Fig.5 Shows the variation curves of cable sample mass and heat release rate per unit area

电缆燃烧热的计算见下式[15]. 两次实验计算出的有效燃烧热分别为11.81和14.73 kJ·g-1， 因此取它们的平均值13.27 kJ·g-1作为电缆的平均有效燃烧热.

(2)

式中：eEHC为电缆的平均有效燃烧热， kJ·g-1；S为试样表面积， m2；q为试样每单位面积的热释放速率， kW·m-2；mTML为试样的质量总损失， g.

1.5 实验工况设计

实验共设计9个工况， 每个工况的电缆层数(N)和数量(n)均不同， 见表2所示. 每层桥架铺设7根电缆， 且考虑了最不利情况， 电缆排布均采用有助于火焰快速向上传播的松散布置形式[6].

表2 设计工况

2 实验结果与分析

2.1 垂直温度场分布

电缆桥架火灾产生的大量热烟气在浮力的作用下上升至顶棚形成顶棚射流， 并向两侧扩散. 烟气在扩散的过程中由于受壁面冷却及对周围冷空气的卷吸效应， 使得热烟气逐渐发生沉降. 图6为不同工况下管廊不同高度处的温度(θ)随时间(t)的变化图， 其也证实了烟气沉降所造成的温度分层现象， 因此， 电缆桥架火灾可将周围垂直空间热环境分为3层： 第一层为顶棚射流层, 第二层为中间热烟气过渡层, 第三层为底部冷空气层. 通过热电偶树法可有效区分层与层之间的分界点， 基于图6可判断出， 顶棚射流层与中间热烟气过渡层的分界点位于热电偶T4～T5之间， 即距顶棚0.20～0.25 m之间； 中间热烟气过渡层与底部冷空气层的分界点位于T12～T13之间， 即距顶棚0.70～0.80 m之间.

图6 不同垂直高度处的温度变化图Fig.6 Temperature variations at different vertical heights

2.2 顶棚纵向温度分布

不同工况下的顶棚纵向温度分布如图7所示(测点与热电偶T26之间的距离x为负值时表示其位于封堵侧；x为正值时则位于贯通侧)， 可以发现当热电偶测点与火源较近时， 纵向温度的对称分布情况良好， 而当测点远离火源时， 贯通端的温度明显高于封堵端. 这是因为近火源处受外界环境的影响较小， 作为远火源处， 扩散的高温烟气优先向贯通口排出； 另外， 封堵端口会对上下游的烟气流动行为产生巨大影响， 当扩散的热烟气流和周围新鲜空气混合后受封堵面的限制而撞击墙体形成回流时， 热烟气层将变厚， 同时它们之间的剪切运动也会发生改变， 使得端墙附近的烟气损失更多热量， 最终导致其顶棚纵向温度衰减相比于贯通侧更快， 即与火源等距离时封堵一侧的温度更低. 根据Zhao等[16]的研究， 图8为对顶棚纵向温度的无量纲化处理结果， 在对不同工况下的所有数据进行并置拟合后， 得到如下两个温度衰减预测模型.

图7 顶棚温度纵向分布Fig.7 Longitudinal distribution of ceiling temperature

图8 顶棚无量纲温度的纵向分布Fig.8 Nondimensional longitudinal temperature distribution below the ceiling

封堵侧：

(3)

贯通侧：

(4)

式中：x为测点与热电偶T26之间的距离， m； Δθ为在距离x位置处的平均温升， ℃； Δθ0为火源中心正上方处(热电偶T26)的顶棚温升， ℃.

2.3 顶棚最大温升预测模型

图9 火源功率与顶棚最大温升的关系Fig.9 Relationship between fire power and maximum excess ceiling temperature

通过对相关文献的查阅， 尚未发现存在关于水平电缆桥架火灾造成的受限空间顶棚最大温升的预测模型. 但在交通隧道火灾中， 对于顶棚最大温度的研究理论较为成熟. Li等[17]在自然通风情况下提出较为经典的顶棚最大温升预测模型， 如下式：

(5)

式中： Δθmax为交通隧道火灾引起的顶棚最大温升， ℃；Q为火源功率， kW；Hef为有效隧道高度， m.

图10 油池火与电缆桥架火灾对比示意图Fig.10 Comparison between oil pool fire and cable tray fire

(6)

(7)

表3 电缆桥架火灾实验数据

图11为油池火源和电缆桥架火灾分别造成的顶棚温度变化理想趋势图. 从图11分析可知电缆桥架火灾造成的顶棚最大温度由两部分组成， 分别为电缆燃烧导致的顶棚最高温度和单独的油池火产生的顶棚最高温度. 通过改进式(5)获得的顶棚最大温升预测模型见下式(Hef在此次实验中的取值为2.6 m).

图11 顶棚温度趋势图Fig.11 Ceiling temperature trend chart

(8)

图12为实验测量值与通过公式(8)计算得到的预测值之间的比较， 不同工况下的预测误差(ε)见表4， 可发现公式(8)具有较好的预测效果， 对多个工况的预测误差都能维持在37%以内， 其中最小的预测误差为14.73%.

图12 测量值与预测值的比较Fig.12 Comparison of measured and predicted values

表4 不同工况的模型预测误差分析

3 结语

1) 由烟气沉降造成的垂直温度场可划分为顶棚射流层、 中间热烟气过渡层和底部冷空气层， 通过热电偶树法可有效区分层与层之间的分界点.

2) 管廊封堵端口影响着上下游的烟气流动行为， 导致封堵侧的顶棚纵向温度衰减相较于贯通侧更快； 通过对顶棚温度进行无量纲化处理， 分别得到封堵侧和贯通侧的顶棚烟温纵向衰减模型.

3) 火源功率较小的电缆桥架火灾形成的弱羽流顶棚射流， 火源功率与顶棚最大温升满足线性关系； 通过建立顶棚最大温升预测模型， 发现模型的预测效果较好， 实验值与预测值之间的误差在均能维持在37%以内， 其中最小的预测误差为14.73%.