抽水蓄能电站地下厂房防排烟系统数值模拟研究

作者简介：

张楠（1994— ），女，汉族，山东莘县人，硕士研究生，工程师，研究方向：暖通空调设计。

摘要：本文对河北尚义抽水蓄能电站的地下厂房运营期间的排烟系统性能进行了数值模拟预测研究。计算结果表明，地下厂房不同位置发生火灾时的排烟效果以及预留的人员逃生时间各不相同。对发生在主变洞一、二层1MW的火灾，19000m3/h的机械排烟来说，建议逃生时间分别为258s、279s。对分别发生在副厂房四、五、六、八层1MW的火灾，19000m3/h的机械排烟来说，建议逃生时间分别为228s、189s、83s、193s。模拟不同着火情况下，设置机械排烟相比于未设置机械排烟的情况，逃生时间延长了最短6s、最长91s。需要改进机械排烟设施来争取火灾发生时人员逃生的宝贵时间。

关键词：机械防排烟；地下厂房；火灾；数值模拟

引言

抽水蓄能电站是能向上水库抽水蓄能的水电站，一般用于电网的调峰、调频、调相及事故备用^[1]。由于抽水蓄能电站地下厂房建筑深埋地下，建筑本身具有冷热负荷小的优势^[2]。但深埋地下又会导致火灾发生时逃生困难，因此地下厂房建立防排烟措施尤为重要。我国的抽水蓄能电站中现在主要采用自然通风和自然排烟、机械加压送风和机械排烟或两者混合的方式设置防、排烟系统^[3]。需要根据不同厂房的特点选取相应的排烟系统设计，厂房内的各项设备需满足安全运行的标准，以保证各类机电设备的稳定通畅运行^[4]。而火灾产生的烟气通过排风洞的排风道及竖井排至地面。^[5]。本文以河北尚义抽水蓄能电站的主变洞、副厂房为对象展开研究，通过对不同火灾工况下的模拟分析，得到地下厂房内火灾烟气蔓延的规律，从而为该类型地下建筑设计运行方案提供数据参考。

一、研究对象与方法

本次研究对象为主变洞和副厂房。研究采用数值模拟仿真方法对地下厂房烟雾扩散情况、排烟系统排烟情况、人员逃生等进行计算，为地下厂房的防排烟设计提供参考。

（一）物理几何模型

图1为本研究的地下主变洞、副厂房（以第五层为例）的几何模型示意图。

（二）边界条件设置

模拟的火源设置为液态火，火源位置分别位于地下厂房各层处。火源单位面积的热释放速率（HRR）根据现行标准进行确定。查阅《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251—2017），对于房间高度超过8m的厂房按未设置自动喷水灭火系统的厂房建筑计算，火灾达到稳态时的热释放速率为8MW，计算得到单位面积热释放速率（HRR）为8000kW/m2。主变洞走廊和副厂房按设置自动喷水灭火系统的厂房建筑计算，火灾达到稳态时的热释放速率为1MW，计算得到单位面积热释放速率（HRR）为1000kW/m2。

二、结果与讨论

（一）主变洞火灾机械排烟模拟

图2展示了火源位于主变洞一层时，1MW的火灾发生100s后被熄灭，进行19000m3/h的机械排烟900s以及机械防烟，主变洞排烟效果随时间变化的动态模拟，以及与未进行排烟的对比。从图中可以看到火灾发生后，产生的烟雾开始蔓延至楼道并向上层扩散，同时火灾烟雾还沿楼道横向蔓延。火灾发生40s后，烟雾扩散至主变洞二层，火灾发生100s后，火灾烟雾蔓延至一层楼道中部，主变洞二层已经向四周扩散烟雾，此时火灾被熄灭，火灾产生的烟雾则继续蔓延。火灾熄灭约300s后，主变洞顶部基本被烟雾充满。至火灾发生600s后，主变洞一层、二层的整个空间已基本被烟雾填充，同时模拟机械排烟风机未运行的情况，发现机械排烟效果明显。

对于发生于主变洞一层的火灾，逃生人员应从远离火源一侧的楼梯口逃生，在有机械排烟情况下烟雾在火灾发生后40s蔓延至主变洞二层，火灾发生后258s烟雾蔓延至主变洞一层地面处，相比无机械排烟时烟雾扩散慢6s，并且烟雾浓度明显减少，因此人员逃生时间最好不超过258s。

通过模拟结果可知，当火源位于主变洞二层时，1MW的火灾发生100s后被熄灭，进行19000m3/h的机械排烟900s以及机械防烟，主变洞排烟效果随时间变化的动态模拟，以及与未进行排烟的对比。可以看到火灾发生后，产生的烟雾开始蔓延至楼道，同时火灾烟雾还沿楼道横向蔓延。火灾发生26s后，烟雾扩散至主变洞二层顶部，火灾发生100s后，火灾烟雾蔓延至二层楼道中部，此时火灾被熄灭，火灾产生的烟雾则继续蔓延。火灾熄灭约300s后，主变洞二层楼道顶部基本被烟雾充满。至火灾发生600s后，主变洞二层的整个空间已基本被烟雾填充，烟雾一直未扩散至主变洞一层。同时模拟机械排烟风机未运行的情况进行对照，发现机械排烟效果明显。

对于发生于主变洞二层的火灾，逃生人员应从远离火源一侧的楼梯口逃生，由于烟雾在火灾发生后279s蔓延至主变洞一层地面，相比无机械排烟情况下减缓28s，且蔓延到地面时的烟雾浓度明显下降，因此人员

逃生时间最好不超过279s。

（二）副厂房火灾机械排烟情况模拟

图3展示了火源位于副厂房四层时，1MW的火灾发生，19000m3/h的机械排烟以及机械防烟同步进行，火灾100s后被熄灭，机械排烟继续运转900s，着火层的排烟效果随时间变化的动态模拟。从图中可以看到火灾发生后，产生的烟雾开始蔓延至楼道并逐渐通过楼道向其他房间扩散。火灾发生10s后，烟雾由着火房间扩散至楼道，火灾发生34s后，火灾烟雾充满楼道并扩散至楼梯前室。火灾发生约100s后，副厂房着火层基本被烟雾掩盖。火灾熄灭后，烟雾继续扩散，火灾熄灭后机械排烟228s，烟雾蔓延至楼梯间。火灾熄灭后机械排烟1000s后，烟雾基本被排尽。

对于发生于副厂房四层的火灾，逃生人员应从楼梯口逃生，由于烟雾迅速扩散至楼道中，并且火灾发生后228s时烟雾扩散至楼梯间，相比于未进行机械排烟慢94s，因此人员逃生时间最好不超过228s。

通过模拟结果可知，火源位于副厂房五层时，1MW的火灾发生，19000m3/h的机械排烟以及机械防烟同步进行，火灾100s后被熄灭，机械排烟继续运转900s，着火层的排烟效果随时间变化地动态模拟。可以看到火灾发生后，产生的烟雾开始蔓延至楼道并逐渐通过楼道向其他房间扩散。火灾发生10s后，烟雾由着火房间扩散至楼道，火灾发生50s后，火灾烟雾充满楼道并扩散至楼梯间。火灾发生64s后烟雾扩散至楼梯前室。火灾熄灭后，烟雾继续扩散，但始终未扩散至楼梯间，火灾熄灭后继续机械排烟900s，烟雾浓度明显下降。

对于发生于副厂房五层的火灾，逃生人员应从楼梯口逃生，由于烟雾迅速扩散至楼道中，并且火灾发生后189s时楼梯前室已基本被烟雾充满，人员逃生时间最好不超过189s。

通过模拟结果可知，火源位于副厂房六层时，1MW的火灾发生，19000m3/h的机械排烟以及机械防烟同步进行，火灾100s后被熄灭，机械排烟继续运转900s，着火层的排烟效果随时间变化的动态模拟。火灾发生后，产生的烟雾开始蔓延至楼道并逐渐通过楼道向其他房间扩散。火灾发生10s后，烟雾由着火房间扩散至楼道，火灾发生50s后，楼道被火灾烟雾基本充满。火灾发生约100s后，副厂房着火层基本被烟雾遮蔽。火灾熄灭后，烟雾继续扩散，排烟风机继续工作，机械排烟900s后，浓雾下降明显。

对于发生于副厂房六层的火灾，逃生人员应从楼梯口逃生，由于烟雾迅速扩散至楼道中，并且火灾发生后83s时烟雾扩散至楼梯间，人员逃生时间最好不超过83s。

通过模拟结果可知，火源位于副厂房八层时，1MW的火灾发生，19000m3/h的机械排烟以及机械防烟同步进行，火灾100s后被熄灭，机械排烟继续运转900s，着火层的排烟效果随时间变化地动态模拟。火灾发生后，产生的烟雾开始蔓延至楼道并逐渐通过楼道向其他房间扩散。火灾发生10s后，烟雾由着火房间扩散至楼道，火灾发生100s后，火灾烟雾充满楼道并扩散至楼梯间。火灾发生约160s后，副厂房着火层基本被烟雾掩盖。火灾熄灭后，烟雾继续扩散，火灾熄灭后机械排烟900s后，浓雾下降明显。

对于发生于副厂房八层的火灾，逃生人员应从楼梯口逃生，由于烟雾迅速扩散至楼道中，并且烟雾在火灾发生后94s时充满楼道比无机械排烟慢35s，在火灾发生后193s时蔓延至楼梯间比无机械排烟慢94s，因此人员逃生时间最好不超过193s。

结语

本文对河北尚义抽水蓄能电站地下厂房火灾排烟系统性能进行了数值模拟。从模拟结果可以看出，机械排烟系统的设置使逃生时间发生了较大的变化，具体结论如下。第一，主变洞发生1MW火灾，主变洞最短258s烟雾到达主变洞一层地面，建议着火楼层人员逃生时间不超过258s；第二，副厂房发生1MW火灾，副厂房最短83s烟雾到达楼梯间或前室，建议人员逃生时间不超过80s。

参考文献

[1]中国电力企业联合会.抽水蓄能电站基本名词术语：GB/T36550—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[2]李永峰，范克涛.分析抽水蓄能电站电气设备发热量确定[J].科技视界，2012（36）：34.

[3]梁洋.浅谈我国抽水蓄能电站中的防、排烟系统及其电气控制[J].科技展望，2016，26（09）：123.

[4]王静泓，乔琪.春场坝抽水蓄能电站通风空调及排烟设计[J].四川水力发电，2023，42（06）：92-95.

[5]江琦文.仙游抽水蓄能电站的消防设计[C].2014年抽水蓄能学术交流会论文集，2014.