带式输送机封闭通廊火灾特性研究

刘永泰，方文韬，黄宇，李有标，钱金超，刘祖德

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

目前，冶金企业为满足环保要求而将露天的带式输送机进行封闭改造，改造后形成的封闭通廊发生火灾后因其特殊的结构会造成严重的人员伤亡和财产损失。例如：2019年5月24日，龙成煤综合利用有限公司传送带煤粉自燃，导致整个封闭通廊发生火灾、垮塌，造成2死6伤的严重后果；2019年10月24日，河北兴华钢铁有限公司在停止作业过程中高温烧结矿料，致使带式输送机冒烟起火，引发带式输送机封闭通廊火灾、坍塌，造成7人死亡的严重后果。

以上两起事故发生的主要原因均是带式输送机停机后仍存积在封闭通廊的输送料着火，火灾初起征象不明显；经过一段时间后火势变大，在通廊“烟囱效应”“隧道效应”的影响下，火势更加迅猛，并伴随大量的烟气；最后高温使得封闭通廊钢结构发生形变进而造成坍塌。输送带加装封闭通廊后发生的火灾具有火灾初期不易被发现、火灾蔓延迅速、封闭通廊内部温度高且烟气浓度大、易垮塌、人员疏散困难等特点。

胶带火灾是国内外学者重点研究的课题。如Yuan等通过全尺寸实验与数值模拟相结合的方法对矿井巷道中的传送带火灾进行了研究，给出了火焰在传送带上蔓延的主要特征;Lowndes等探究了不同风速条件对胶带火灾的影响；Teacoach等对矿井胶带火灾的灭火系统进行了改进研究，主要分析了风速和灭火系统启动温度对灭火效果的影响；季经纬等利用锥形量热计测出输送带点燃温度，这对判断输送带火灾蔓延情况具有一定的实际意义；齐庆杰等应用数值模拟技术，研究了风速、火源功率对矿井胶带火灾蔓延的影响;苏墨等以申家庄煤矿运输巷为研究对象，模拟了胶带火灾发生时巷道内温度、烟气和能见度的变化情况，分析了影响人员逃生的因素，以为矿井胶带火灾救援及逃生提供参考。

上述研究主要是针对矿井运输巷道皮带机胶带火灾的蔓延规律，而针对冶金企业带式输送机封闭通廊胶带火灾方面的研究较少，且封闭通廊发生火灾后，钢结构在高温下易发生垮塌，会造成严重的人员伤亡和财产损失，这是封闭通廊火灾展现出的新特点。鉴于此，本文将以某钢铁企业厂区内一条运煤的全封闭带式输送机通廊为研究对象，运用数值模拟的方法，模拟分析了不同风速条件下带式输送机封闭通廊内火灾烟气蔓延、温度和CO浓度的分布情况及其影响因素，并对封闭通廊侧壁开窗和设置喷淋系统后的封闭通廊内火灾温度分布的影响进行了模拟分析，以为降低封闭通廊火灾的影响提供一定的依据。

1 模型建立与工况设置

1.1 模拟软件简介

本文选用FDS模拟软件对某企业带式输送机封闭通廊火灾特性进行数值模拟研究。该软件是由美国国家标准技术局开发的一款基于大涡模拟原理的火灾动态模拟软件，经过了大量全尺寸火灾实验的验证，其计算结果与实际情况比较吻合，在火灾安全工程领域的应用十分广泛，其计算求解过程包括连续性方程、能量守恒方程和动量守恒方程等。

1.2 模型建立

本次的模拟对象为某钢铁企业厂区内一条运煤的全封闭带式输送机通廊。该封闭通廊全长100 m、宽4.2 m、高3.5 m，距地面30 m；封闭通廊内的皮带机组全长75 m、宽1.8 m、高1 m，与封闭通廊一端出口相距10 m，距离封闭通廊一侧壁1.2 m；在封闭通廊两侧壁每隔8 m设置一个长1.5 m、高1 m的窗户。该封闭通廊外部示意图和正视图如图1和图2所示。

图1 某企业带式输送机封闭通廊外部示意图

图2 某企业带式输送机封闭通廊正视图

根据该封闭通廊尺寸，确定计算区域为100 m×4.2 m×3.5 m，整个封闭通廊结构采用耐火钢构件，输送带材质为PVC材料。火源位于输送带的中心线上，位置偏左，依据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251—2017)，本次模拟设置火源的热释放速率为20 MW，火灾类型为快速火，火灾增长系数为0.044 kW/s；模拟初始温度为30℃，模拟时间为800 s；火灾发生时，在封闭通廊一端出口有纵向通风，另一端出口与外界相连。该封闭通廊内部的侧视图如图3所示。

图3 某企业带式输送机封闭通廊内部侧视图

利用FDS软件进行模拟计算时，网格尺寸的划分决定了模拟结果的精确性和稳定性。已有研究表明，网格尺寸为火焰特征直径的1/4～1/16较为合适，一般情况下网格尺寸选取火焰特征直径的1/10。火焰特征直径

D

的计算公式如下：

(1)

式中：

Q

为火源的热释放速率(MW)，取20 MW；

ρ

为空气密度(kg/m)，取1.2 kg/m；

C

为空气比热[kJ/(kg·K)]，取1 kJ/(kg·K)；

T

为环境空气温度(K)，取303 K；

g

为重力加速度(m/s)，取9.81 m/s。

另外，网格尺寸的划分也要考虑计算机的性能，网格尺寸越小,模拟计算的时间越长。基于以上两个方面的考虑，最终将网格尺寸设置为0.35 m×0.35 m×0.35 m。

1.3 数值模拟验证

为了验证建立的带式输送机封闭通廊火灾数值模型的准确性，将封闭通廊内火源正上方温度的模拟结果与该企业进行应急疏散演练时在封闭通廊内实际测量得到的温度值进行了对比分析，其结果见图4。

图4 封闭通廊内火源正上方温度模拟值与实际测量值的对比

由图4可见，该封闭通廊内火源正上方温度的模拟值与实际测量值的变化趋势基本一致，两条温度曲线平均相对误差为12.65%，且误差在20%以内，可以认为能较好地模拟实际的火灾场景。初始温度测量值较高，这是由于模拟时设置的环境温度为30℃，而在进行应急演练时封闭通廊内的温度在34℃左右。上述模拟结果表明，该封闭通廊火灾数值模型具有一定的可靠性，能较好地模拟实际状况。

1.4 模拟工况设置

在带式输送机封闭通廊火灾中，产生的浓厚烟气将严重降低封闭通廊内部的能见度，缩短可视距离，增加了火灾救援及人员逃生的难度，一些有毒有害气体会对人员构成威胁。高温一方面对人体有较大的危害，另一方面会使得钢结构发生形变甚至倒塌。采取合理的通风方案将有助于烟气向外排放，热量向外扩散。可考虑如下措施:在封闭通廊侧壁设置窗户将有利于烟气向外排放，提高封闭通廊内的能见度；在封闭通廊内设置喷淋灭火系统对降低火灾的影响将具有重要的意义。封闭通廊内火灾模拟工况的设置情况，见表1。

表1 封闭通廊内火灾模拟工况的设置

2 模拟结果与分析

2.1 火灾烟气蔓延分析

不同工况条件下该封闭廊道内火灾烟气蔓延情况的模拟结果，见图5和图6。

图5 工况1和2下封闭通廊内火灾烟气蔓延情况

图6 工况3和4下封闭通廊内火灾烟气蔓延情况

由图5和图6可以看出：

(1) 当风速为0 m/s时，火灾烟气由火源处向封闭通廊两端出口蔓延；随着风速加大，火灾烟气蔓延所受的影响随之增大，在风力的作用下，火灾烟气被斜吹到封闭通廊顶板，然后向火源下游蔓延。

(2) 随着时间的延长，4种工况下封闭通廊内部火灾烟气越来越多，当模拟时间为150 s时，工况1下封闭通廊顶部几乎充满了烟气，并逐渐下沉，下降到接近皮带的高度；工况2下火源下游火灾烟气下降到皮带高度，而上游则出现火灾烟气逆流现象，逐渐向火源上游蔓延；工况3下火灾烟气朝火源下游蔓延，无烟气逆流；工况4为开窗条件，与工况2类似，由于一部分火灾烟气从窗口排出，封闭通廊内皮带附近的火灾烟气浓度低于工况2，但逆流距离要大，说明受风力的影响较小。

(3) 当模拟时间为300 s时，工况1、2、4下封闭通廊内基本充满了火灾烟气，能见度非常低，而工况3下封闭通廊内火源上游依然没有火灾烟气，说明较大的风速能抑制火灾烟气向火源上游蔓延。

不同工况下火灾烟气蔓延至封闭通廊内火源上游出口与下游出口所需的时间，见表2。

表2 不同工况下火灾烟气蔓延至封闭通廊内火源上、下游出口所需的时间

由表2可知，随着风速的增大，火灾烟气蔓延至封闭通廊内火源下游出口所需的时间越短；当风速为3.2 m/s时，其所需的时间为45 s，当风速为1.6 m/s时，封闭通廊内开窗条件下所需的时间比不设窗户增加了40 s。可见，火灾烟气蔓延至封闭通廊内火源上游出口所需的时间随着风速的增大而增加，但当风速为3.2 m/s时，火灾烟气将不会向封闭通廊内火源上游蔓延。

在封闭通廊两端出口1.5 m高度处设置了探测器(见图3)，用来监测封闭通廊内火源上、下游出口能见度的变化情况，其结果见图7和图8。

图8 封闭通廊内火源下游出口能见度随时间的变化曲线

由图7可见：工况1、2、4下分别在100 s、218 s、240 s时，封闭通廊内火源上游出口能见度大幅度下降，而与表2对比可知，3种工况下火灾烟气由封闭通廊顶部下降到1.5 m高度所需的时间分别为43 s、38 s、40 s，且随着火势的增长，风速对封闭通廊内火源上游出口火灾烟气蔓延的影响变小；在150 s时，工况1下封闭通廊内火源上游出口能见度低于3 m，在大约259 s时，工况2、4下封闭通廊内火源上游出口能见度下降到3 m；工况3下封闭通廊内火源上游出口能见度一直保持不变，说明没有火灾烟气蔓延至封闭通廊内火源上游出口，这与上文所述结果一致。

图7 封闭通廊内火源上游出口能见度随时间的变化曲线

由图8可见,大约在80 s时，工况3下封闭通廊内火源下游出口能见度率先出现大幅度下降，工况1下封闭通廊内火源下游出口能见度出现大幅度下降所需的时间最长，为150 s左右，工况2、4下所需的时间分别为80 s、109 s。可见，风速对封闭通廊内火源下游出口火灾烟气蔓延有较大的影响，风速越大，火灾烟气蔓延越快；同时，工况4比工况2所需的时间延长了大约30 s，说明封闭通廊两侧开窗对封闭通廊内火灾烟气的扩散有积极作用，提高了封闭通廊内的能见度，增加了人员逃生与救援的时间。

综上可知，风速对封闭通廊内火灾烟气蔓延有较大的影响，当纵向风速为3.2 m/s时，虽然会抑制火灾烟气逆流，保证封闭通廊内火源上游的能见度，但火灾烟气蔓延加快，使封闭通廊内火源下游的能见度快速降低，不利于人员疏散与救援；封闭通廊两侧设置窗户能加快火灾烟气排放，对人员疏散与应急救援可起到积极的作用。

2.2 温度分布分析

在火灾引起的高温环境下钢材的强度和刚度会显著降低，造成钢结构损伤、严重破坏甚至倒塌。根据《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)，该封闭通廊结构为钢构件，采用钢构件最大强度的临界温度作为判断依据，确定其临界温度为663℃。

以输送带的中心线为轴线设置竖直切面，模拟了不同工况条件下封闭通廊顶部达到钢结构临界温度时的火灾温度分布情况，其模拟结果见图9。

图9 不同工况下封闭通廊顶部达到钢结构临界温度时的火灾温度分布

由图9可见，在无风条件下，在火源上方的封闭通廊顶部达到了临界温度；而在纵向通风条件下，封闭通廊顶部达到临界温度的位置向火源下游发生了偏移，且风速越大，偏移距离越大。

不同工况下封闭通廊顶部达到钢结构临界温度时所需的时间对比图，见图10。

图10 不同工况下封闭通廊顶部达到钢结构临界温度时所需的时间对比

由图10可见：当风速为3.2 m/s时，封闭通廊顶部达到钢结构临界温度所需的时间最长，大约为400 s；当风速为1.6 m/s时，封闭通廊两侧开窗与否对封闭通廊内温度上升的影响基本相当，两种条件下封闭通廊顶部达到钢结构临界温度时所需的时间大约相差15 s，原因有可能是窗户的位置或窗户尺寸不合理。

在距封闭通廊顶板0.5 m的水平方向上，以火源为中心每隔3 m布置一个热电偶，共设置15个热电偶(见图3)，模拟不同工况下封闭通廊顶板附近的温度分布，其模拟结果见图11。

图11 不同工况下封闭通廊顶板附近的温度分布

由图11可见：在有纵向通风的条件下，封闭通廊顶板附近最高温度的位置发生了偏移，工况2、3、4下其偏移距离达到了5～10 m，与图9的偏移情况相一致；在无风条件下，封闭通廊顶板附近的最高温度超过了800℃，而在有纵向通风的条件下，其最高温度有所下降，当风速为3.2 m/s时，封闭通廊顶板附近的最高温度接近750℃。由此可见，风速也是影响封闭通廊内温度分布的因素，可以延缓升温速率，降低最大温度值。此外，在火源下游区域，随着距火源距离的增加，封闭通廊顶板附近的温度下降幅度较大，但当距火源的距离大于35 m时，封闭通廊顶板附近的温度下降幅度较为平缓。

以输送带中心线为轴线设置竖直切面，模拟分析了加装喷淋系统后对封闭通廊内火灾温度的影响，得到工况2、5条件下封闭通廊内温度分布的模拟结果，见图12和图13。

图12 工况2下封闭通廊内温度分布

由图12可见，工况2下火势有进一步蔓延的趋势，且封闭通廊内火源上游温度也较高。而由图13可见，加装喷淋系统后对火势有明显的抑制作用，阻止了火势的蔓延，封闭通廊顶部的温度没有达到钢结构的临界温度，而且火源周围与封闭通廊内其他地方的温度也较低。

图13 工况5下封闭通廊内温度分布

2.3 CO浓度分布分析

人体能够承受的CO最大浓度为50 ppm(1 ppm=10)，当CO浓度超过50 ppm时，人体会出现头晕、乏力等中毒症状；当CO浓度超过400 ppm时，人体则面临生命危险。在距地面1.5 m处设置水平切面，选取3个不同时刻模拟了两种工况条件下封闭通廊内CO浓度分布，其模拟结果见图14。

图14 两种工况下封闭通廊内CO浓度的分布

由图14(a)可见：当模拟时间为100 s时，封闭通廊内只有火源附近的CO浓度较高，随着火灾的发展，封闭通廊内CO浓度逐渐增加，但主要集中在火源及火源上游部位，这是由于火灾烟气克服了风的阻力向火源上游蔓延，火灾烟气中的CO向火源上游流动，同时有部分火灾烟气在风力作用下向火源下游飘散，使得CO向下流动，阻止了CO从火源上游出口排出，并堆积在火源至上游出口的位置；当模拟时间为300 s时，封闭通廊内火源上游附近的CO浓度基本达到了65 ppm。由图14(b)可见：火灾烟气在风力作用下向火源下游蔓延，封闭通廊内CO主要集中在火源下游附近；当模拟时间为300 s时，火源下游附近CO浓度超过了50 ppm。

3 结论与建议

通过对某冶金企业厂区内的带式输送机封闭通廊火灾特性进行数值模拟与分析，得到以下结论,并提出了一些建议：

(1) 封闭通廊内火灾的烟气蔓延受风速的影响较大，当风速为3.2 m/s时，能有效抑制火灾烟气逆流，但封闭通廊内火源下游能见度低于3 m大约只需150 s；当风速较小时，在火灾初期对火灾烟气蔓延有较大的影响，当出现火灾烟气逆流现象后，风速的影响越来越小。

(2) 封闭通廊内升温速率随风速的增大而下降；封闭通廊顶部附近最高温度的位置发生了偏移，偏移距离与风速成正比。

(3) 封闭通廊内开窗对火灾烟气和热量向外扩散有积极的作用，开窗条件下封闭通廊内能见度降到3 m以下所需的时间比无窗时多30 s，封闭通廊顶部达到钢结构临界温度时所需的时间增加了15 s左右，但对火灾的抑制作用不是很明显；在封闭通廊内设置喷淋装置对火灾的抑制作用较为明显，封闭通廊内除火源附近的温度较高外，其他位置的温度均较低。

(4) 封闭通廊内在火灾发生300 s后CO浓度会超过50 ppm，若不及时疏散将会使封闭通廊内的人员面临生命危险。当风速为3.2 m/s时，CO主要分布在火源下游附近的封闭通廊内；当风速为1.6 m/s时，CO主要分布在火源上游附近的封闭通廊内。

(5) 全封闭的带式输送机通廊应将火灾作为安全管理的重点防范对象，平时要反复进行应急消防演练，使员工熟悉封闭通廊内的疏散路线及其他应急措施；同时，要加大对封闭通廊内带式输送机的故障排查，降低火灾事故发生的概率，并合理设计通风方案，发生火灾后能快速向外排烟、排出热量，增加人员逃生与救援的时间；此外，对封闭通廊的钢结构要严格采用耐火钢构件，提高其耐火极限，并在封闭通廊内加装喷淋系统，以减小火灾事故的损失。