综合管廊电力舱火灾实验平台建设与教学应用

黄 萍， 林夏军， 秦 亮， 余龙星

（福州大学环境与安全工程学院，福州 350116）

0 引 言

地下综合管廊是维系城市运行发展和保障民生的“生命线”［1］，但在管廊系统中，各类管线高度集中，电缆线路发生火灾极易诱发天然气管道泄漏和燃爆，不仅会产生对管廊设施的破坏，还会进一步影响城市的正常运行，造成巨大的经济损失［2］。研究综合管廊电缆火灾中受限空间的温度场分布规律，能够有效保障地下综合管廊的安全运行，同时也对研究地下管廊发生电缆火灾诱发天然气管道泄漏和燃爆的机理具有参考意义。

地下综合管廊电缆占用地上面积少，相关技术也较为成熟［3］，但目前缺乏对现有综合管廊的防火模拟设计实验数据和研究，导致学生对地下综合管廊的受限空间火灾温度场分布及其演变规律的特征较难理解掌握。同时，秉持着向学生传授新知识、新技能的理念，提高学生的创新思维和理解能力，更好地满足高校培养新时代高素质人才的需要，将科研成果融入课堂是一门师生的必修课［4］。在科技创新成为时代发展重点的大背景下，坚持科研育人是高等教育工作的重点内容之一［5］。在现代大学“科教并重，全面育人”的要求下，既要重视科研，同样要重视教学，应将科研成果通过案例形式融入教学中，实现科研与教学合一，向学生更好地传授新知识、新技能［6］。

本文设计了一种用于模拟全尺寸地下综合管廊电缆火灾温度场的实验设备，通过构建等比例尺寸实体试验场所，进行电缆燃烧实验，模拟电缆桥架在地下综合管廊系统中的火灾实际情况。将电缆燃烧实验中的受限空间温度场分布及其演变规律应用于教学中，有效地提升了学生对顶棚射流、热烟气分层、温度纵向和垂直分布等相关知识的理解和掌握。

1 实验平台设计与实验流程

1.1 实验平台设计

综合管廊电力舱实验平台（见图1）用于模拟真实城市地下综合管廊电力舱，主要包括管廊模型及内部的电缆桥架和附属数据采集设备，一端入口采用防火板封闭，另外一端入口处设置可开启移动门，按照实验需求敞开或封闭。综合管廊电力舱模型的总长度为15 m，内部空间的净宽和净高分别为2.6 m和2.9 m，其截面尺寸符合GB 50838-2015（《城市综合管廊工程技术规范》）［7］的有关规定。墙体采用钢筋混凝土结构，顶棚则由防火板和钢板组成。

图1 综合管廊电力舱实验平台

管廊模型右侧内壁上附有采用固定支架结构设置的4层电缆桥架，如图2所示。桥架布置严格按照城市地下管廊的电力工程电缆设计标准执行［8］，每层电缆桥架之间的距离为0.5 m，底层桥架离地面0.5 m，顶层桥架距顶棚0.9 m，桥架的宽度均为0.65 m。桥架上有序铺设型号为YJV 3-16（10 kV）的电缆，电缆护套由聚氯乙烯（PVC）制成，绝缘材料由交联聚乙烯（XLPE）制成［9］。PVC和XLPE的质量分数分别为17.9 %和7.01 %，内置铜芯导体的质量分数为61.2%，每米电缆的重量为0.48 kg。

图2 综合管廊电力舱模型内部布置

管廊墙体预留有气体传感器及温度传感器的小孔，小孔可以根据不同实验内容埋设不同的传感器，传感器可以采集管廊舱室蔓延到顶部的烟气的温度和浓度［10］。在距电缆桥架一侧的侧壁0.2 m处，沿顶棚纵向布置13个K型热电偶，这些热电偶距离顶棚0.04 m［11］；此外，在距离管廊密闭端口9 m处，竖向布置19个K型热电偶（热电偶树）用于测量热烟气的垂直分层情况，具体热电偶布置情况如图3所示。通过对众多研究学者的电缆桥架火灾实验中，对火源设置方式的总结［12-14］，点火源采用纯度为97.5 %的正庚烷油池火（燃烧热为44 560 kJ／kg，燃烧效率为0.92［15］），预实验测得的油盘尺寸为30 cm×20 cm的油池火源在稳定燃烧阶段的火源功率为28 kW。

图3 热电偶布置

1.2 实验流程设计

本装置可用于燃烧学和消防工程课程教学实验中，对研究受限空间中的火灾温度场及其演化规律的相关特性提供科研类教学案例，以地下综合管廊电力舱火灾情景模拟实验为例，实验流程如下：

（1）基于按规定尺寸要求所搭建的综合管廊电力舱实验平台，保持一端口完全密闭，另一端口敞开的状态。

（2）在综合管廊电力舱实验平台中的底层桥架上，松散铺设7根型号为YJV 3-16（10 kV）的电缆。

（3）将装有一定量正庚烷且尺寸为30 cm×20 cm的油盘放置于底层电缆桥架正下方，油盘底部距地面0.3 m，油盘中心点距管廊密闭端口6.5 m。

（4）将上述32个热电偶与外部的数据采集器和电脑相连接，并开启相应的温度采集软件进行调试。

（5）在实验准备就绪后，使用点火器点燃油池，同时启动温度记录软件，实验过程中认真观察一层电缆桥架火灾的发展过程，并确保热电偶所采集的温度数据准确无误。

（6）在油池火源熄灭后关闭温度记录软件，并保存数据。

2 实验结果分析及其教学应用

2.1 实验教学结果——电缆火灾温度场分布规律

电缆桥架火灾会产生大量烟气，在热浮力的作用下上升至顶棚，进而形成顶棚射流沿两侧扩散，在扩散过程中，烟气受到壁面的冷却作用及周围冷空气的卷吸效应，逐渐出现了沉降现象［16］。以典型一层电缆桥架火灾工况（火源功率为28 kW、电缆层数为1层、电缆数量为7根）为例，在进行温度采集的第200 s时刻，竖向布置的热电偶所记录的离地面不同高度h处的温度数据如图4所示。从图中可以观察出烟气的沉降作用将管廊空间的垂直温度场进行了分层，且层与层之间有相对明显的分界点，因此，依照实验结果从顶棚至地面可依次将其划分为顶棚射流层、中间热烟气过渡层和底部冷空气层，同时这部分实验也说明了“热电偶树法”可有效地对受限空间的垂直温度场进行描述。

图4 距离地面不同高度处的温度分布

在顶棚下方烟气纵向温度分布方面，同上述工况，温度分布如图5所示（测点与火源中心正上方处热电偶之间的水平距离x为负值时表示其位于密闭侧；x为正值时则位于敞开侧）。实验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，敞开侧的温度明显高于密闭侧。这主要是因为近火源处受外界环境的影响较小，作为远火源处，敞开侧由于热烟气的流动受助，来自火羽流的高温烟气的主要蔓延方向是流向敞开口排出，因此敞开一端的烟气质量流量大于流向密闭的一端，故敞开侧的烟气沿程温度衰减比密闭侧更小，其整体的烟气层温度也高于密闭侧，图5形象显示了烟气的非对称流动效应导致的温度非对称分布。

图5 顶棚温度的纵向分布

2.2 应用效果

将设计的地下综合管廊电缆火灾温度场实验设备运用于课程教学过程中，可以让学生充分理解电缆燃烧实验中电缆在受限空间中的燃烧情况，对地下综合管廊系统在火灾中的温度场分布情况及其演变规律有清晰的了解，解决以往学生因缺乏对现有综合管廊的防火模拟设计实验数据和研究而产生的理解不到位，以产生更为直观的受限空间燃烧理论模型，为此后的火灾动力学模拟工具（Fire Dynamics Simulator，FDS）数值建模分析、层次分析法（Analytie Hierarchy Process，AHP）证据理论的综合管廊火灾安全评价等步骤提供客观实验数据。在提升学生创新思维和理解能力的同时，也对提高学生实验思路设计和动手能力方面具有指导意义。

3 结 语

为打破以往因客观实验数据条件匮乏而对学生造成的理解限制，研制了一种用于模拟全尺寸地下综合管廊电缆火灾温度场的实验设备应用于燃烧学和消防工程课程教学中，并以电缆燃烧实验过程中的温度场分布情况特征及其演变规律为例，展开科研案例教学法探究工作。发现该装置在提升学生对受限空间火灾温度场相关特征的掌握水平上发挥出了显著效果，并由实践带动理论，提升了学生对相关燃烧知识点的掌握程度，进一步加强了学生的创新实验能力。