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        T形電纜隧道中電纜火災(zāi)蔓延及溫度分布分析

        2022-12-09 08:57:16任廣振姜文東余斌呂洪坤張曉龍陳斌劉安文
        浙江電力 2022年11期
        關(guān)鍵詞:頂棚火源熱電偶

        任廣振,姜文東,余斌,呂洪坤,張曉龍,陳斌,劉安文

        (1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014;3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司浙江紹興供電公司,浙江 紹興 312000)

        0 引言

        地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道[1]。由于大量的工業(yè)與民用電纜安裝在公用隧道(以下簡稱“電纜隧道”),電纜由于存在各種缺陷極易引發(fā)火災(zāi)等安全事故[2-3],綜合管廊內(nèi)電纜艙室發(fā)生火災(zāi)的概率與危險性很高[4]。我國多數(shù)電纜的絕緣材料是聚氯乙烯或交聯(lián)聚乙烯等碳?xì)浠衔?,具有較強的可燃性[5]。一旦發(fā)生火災(zāi),不僅會破壞電纜和電氣設(shè)備,也會導(dǎo)致整個城市電力和通信的中斷及癱瘓,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[6];還會產(chǎn)生大量有毒煙氣,如一氧化碳、氯化氫等[7],對人體造成嚴(yán)重傷害。

        國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對電纜隧道的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了大量研究。彭玉輝[8]用FDS(火災(zāi)動力學(xué)模擬工具)模擬研究了隧道電纜火災(zāi)中熱釋放速率、隧道內(nèi)縱橫向溫度以及隧道煙氣濃度的變化。李文婷[9]通過建立不同環(huán)境下電纜隧道電纜火災(zāi)模型來分析電纜火災(zāi)蔓延特性。趙永昌等[10]建立了比例為1∶3.6的小型電纜隧道模型,通過實驗和數(shù)值模擬分析了火災(zāi)發(fā)生后溫度場分布和煙氣運動特征。孫大根[11]利用FDS 軟件分析了不同進(jìn)、排風(fēng)量對電纜火災(zāi)發(fā)展和火災(zāi)危險性的影響,并發(fā)現(xiàn)適度通風(fēng)可以減小電纜火災(zāi)危險性,但是通風(fēng)量增加過多也會增強燃燒效率,加快火災(zāi)的發(fā)展。王明年等[12]認(rèn)為艙室凈高是影響電纜火災(zāi)的發(fā)展速率及熱釋放速率峰值的重要參數(shù),而通道寬度對電纜火災(zāi)的影響較小。Zavaleta等[13]研究了密閉和通風(fēng)條件對阻燃電纜火災(zāi)的影響,研究表明密閉條件會導(dǎo)致火災(zāi)增長速率、熱釋放率峰值降低。MATALA 等[14]利用FDS 電纜隧道內(nèi)水噴霧對電纜隧道火災(zāi)的影響,得出了水噴霧條件下電纜火災(zāi)的蔓延特性。周彪等人[15]利用FDS 模擬分析了無豎井時T 形隧道電纜火蔓延特征,研究發(fā)現(xiàn)電纜火災(zāi)首先蔓延至上層電纜,繼而向另外一側(cè)蔓延,然后充滿整個空間,無豎井時,頂棚溫度長時間保持高溫狀態(tài),開口處出現(xiàn)了氣流和環(huán)境壓力的波動。

        上述研究主要分析了常規(guī)電纜隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的分布特征和火災(zāi)蔓延速度等特征參數(shù)演化特性,少數(shù)工作涉及T 形電纜隧道的電纜火災(zāi)蔓延特性。然而,針對工程中常見的豎井,在其影響下的T 形隧道電纜火災(zāi)火蔓延和溫度分布特征關(guān)注度較低,其行為特征規(guī)律尚不明晰。因此,本文開展了豎井影響下的全尺寸T 形結(jié)構(gòu)電纜隧道火災(zāi)FDS 模擬,闡明了電纜敷設(shè)數(shù)量和豎井位置對電纜隧道內(nèi)溫度分布和火蔓延特征的影響。

        1 FDS軟件及模型介紹

        1.1 FDS簡介

        FDS 是由NIST(美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)開發(fā)的一款CFD(計算流體動力學(xué))軟件。FDS 可以顯示包括溫度變化、煙氣運動和火蔓延在內(nèi)的各種詳細(xì)結(jié)果,并將計算結(jié)果可視化,是研究火災(zāi)的有效工具之一。由質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒三大定律建立的方程是FDS 的基本思想。與其他CFD模型相比,F(xiàn)DS模型具有較少的假設(shè)數(shù)據(jù)和更堅實的理論基礎(chǔ),能在較大范圍內(nèi)準(zhǔn)確模擬火災(zāi)現(xiàn)象,且具有較小的模擬偏差,更貼近實際,是適用范圍較廣的火災(zāi)模擬軟件。

        1.2 T形隧道模型

        根據(jù)T 形地下電纜隧道及有關(guān)隧道尺寸的規(guī)定,本文建立了T 形電纜隧道模型,如圖1 所示。隧道橫截面寬2 m,高2.5 m,一區(qū)長8 m,二區(qū)長6 m,隧道內(nèi)部采用6層電纜豎向并排敷設(shè)。電纜形狀簡化為橫截面邊長0.1 m的長方體,電纜豎向間距為0.1 m。隧道兩個區(qū)域軸線交叉處的頂棚上設(shè)置截面為邊長1 m的正方形,高度為1 m的豎井,為充分模擬計算結(jié)果,豎井上方存在2.5 m高的計算區(qū)域。

        圖1 T形電纜隧道模型及測點布置示意圖

        1.3 火源位置及測點設(shè)置

        模擬的火源類型采用t2 非穩(wěn)態(tài)火災(zāi),此類模型更接近實際火災(zāi)發(fā)展規(guī)律?;鹪次挥诙^(qū)中心靠近左墻處,尺寸為1 m×0.1 m,模擬火源功率默認(rèn)為4 MW,火源燃燒360 s 后關(guān)閉火源。熱電偶樹T1—T12 布置在隧道頂棚軸線處,位置為一區(qū):X=0 m、1.5 m、3 m、4 m、5 m、6.5 m、8 m,二區(qū):Y=2 m、3.5 m、5 m、6.5 m、8 m。熱電偶自上而下0.25 m 等間距布置,每個熱電偶樹有10個熱電偶。T形隧道模型模擬參數(shù)見表1。電纜材料設(shè)置如表2所示。

        表1 T形隧道模型模擬參數(shù)設(shè)置

        表2 電纜材料設(shè)置

        1.4 網(wǎng)格獨立性驗證和模型有效性驗證

        網(wǎng)格尺寸是模擬計算中的重要參數(shù)。FDS中,D*δx的范圍應(yīng)在4~16,其中δx為網(wǎng)格邊長,D*根據(jù)式(1)計算:

        式中:為熱釋放速率;ρa和Ta分別為環(huán)境空氣密度和溫度;cp為空氣比熱容;g為重力加速度。

        本文中火源移除后的穩(wěn)定燃燒熱釋放速率均在1 500 kW 以內(nèi),對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸在0.068~0.28 m。由于電纜尺寸的限制,取網(wǎng)格尺寸0.05 m 和0.1 m進(jìn)行建模運算,得出單排電纜排布時的熱釋放速率如圖2所示。

        圖2 不同網(wǎng)格尺寸時的熱釋放速率

        因此,本文模型經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證,所采用的網(wǎng)格尺寸為0.1 m。此外,模型中的參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)[16]保持一致,所得模擬結(jié)果相近。

        2 T形隧道數(shù)值模擬分析

        2.1 T形隧道內(nèi)電纜火焰蔓延分析

        電纜截面長寬為10 cm×10 cm,橫向間距10 cm,豎向間距10 cm,豎井高度為1 m,中心點位于x=4.0 m,y=1.0 m。電纜敷設(shè)情況依次為每層1~4 根,因在1 080~3 000 s 時電纜火焰已熄滅,基本沒有變化,為簡化分析,本文只分析300~1 080 s的火焰蔓延現(xiàn)象。如圖3所示,當(dāng)t=300 s時,因火羽流碰到隧道頂部,產(chǎn)生頂棚射流,隧道頂棚輻射反饋給頂層電纜;此外,電纜燃燒產(chǎn)生的火焰對頂部電纜加熱使其燃燒加速,頂棚射流現(xiàn)象加?。换鹧嬉剂藢γ嬉粋?cè)電纜;此時,火勢達(dá)到最大,進(jìn)入充分燃燒階段。t=420 s 時,火源上方電纜燃盡,向兩側(cè)蔓延,火勢逐步減弱,且在不同電纜敷設(shè)情況下,火源對面一側(cè)只有最上層及最外層電纜發(fā)生燃燒。t=1 080 s 時,火源對面一側(cè)火焰熄滅,火源上方電纜火勢也進(jìn)入衰減熄滅階段。因電纜隧道是狹長的受限空間,火災(zāi)一旦發(fā)展到一定程度,火焰會撞擊頂棚和側(cè)壁,形成頂棚射流,導(dǎo)致火焰向兩側(cè)擴展。電纜受到來自火焰、頂棚等多種因素產(chǎn)生的輻射加熱,導(dǎo)致輻射加強,引起火焰蔓延加速。而底層電纜受到的火焰加熱和輻射強度往往較弱,因此火焰蔓延速度較慢。此外,火源對面一側(cè)的電纜燃燒時是由頂部至底部蔓延,主因是頂棚射流現(xiàn)象導(dǎo)致火焰橫向拓展,頂棚溫度升高迅速,高溫火焰和煙氣所產(chǎn)生的強輻射、強對流迅速引燃頂層電纜,其后,高溫區(qū)逐漸下移,引燃低層電纜。

        圖3 不同電纜敷設(shè)情況下火災(zāi)蔓延發(fā)展現(xiàn)象

        2.2 T形隧道內(nèi)溫度分布

        隧道內(nèi)溫度分布分為豎向溫度分布和水平溫度分布。圖4(a)所示為當(dāng)電纜橫向分布每層2列,豎向6 層時,T 形交點處(水平位置為圖1(b)中位置4 時)的熱電偶樹所測溫度隨時間變化曲線。可以看出,前60 s 火源未點燃時,各熱電偶溫度維持在20 ℃。在60 s 時火源開始點火,熱煙氣從火源位置上升,撞擊到頂棚后形成頂棚射流并沿頂棚向水平方向傳播,所測溫度逐漸上升。由于熱煙氣聚積在隧道上部并逐漸變厚,因此熱電偶最高溫度隨高度增加而增高。隨著熱煙氣厚度的增加,隧道下部溫度逐漸緩慢上升。然而,在360 s之前測得的溫度主要為火源燃燒時的溫度,且最高溫度隨火源功率增加而升高,隨距火源距離增加而降低。由于模型設(shè)置為360 s 時火源被移除,熱釋放速率及熱電偶溫度很快降低至電纜燃燒的溫度,隨后開始緩慢降低并進(jìn)入一個溫度相對平穩(wěn)的燃燒階段(對應(yīng)于圖4 中約370~900 s 的時間范圍)。在分析電纜排布數(shù)量對隧道內(nèi)溫度分布的影響時,采用該階段的平均溫度。圖4(b)所示為水平方向溫度變化曲線,可以看出,水平方向高溫階段集中在360 s 之前,后期溫度分布較為雜亂,主要是因為水平方向電纜火蔓延所致。

        圖4 豎向和水平方向溫度隨時間變化情況

        2.2.1 豎直方向溫度分布

        隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,高溫?zé)煔庖驘岣×ψ饔蒙仙?,在隧道頂部形成高溫?zé)煔鈱樱虏縿t是溫度相對較低的冷空氣層。上部熱煙氣層與下部冷空氣層之間有較為明顯的分層現(xiàn)象,溫度斷層明顯,因此不同位置處即使熱電偶高度相同,溫度也存在差異。

        圖5所示為無豎井時不同電纜排布下的各熱電偶樹溫度變化曲線。電纜敷設(shè)數(shù)量越多,頂棚最高溫度越高,但頂棚最高溫度的上升與電纜敷設(shè)數(shù)量的增加不成比例,而是隨著電纜數(shù)量增加,頂棚最高溫度的上升速率逐漸減小。同時,電纜數(shù)量越多,隧道內(nèi)整體溫度也越高,各熱電偶樹所測得的高溫?zé)煔鈱雍穸仍黾?,且近火源處煙氣層厚度增加量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)火源處。

        圖5 無豎井時不同電纜排布下各熱電偶樹溫度曲線

        2.2.2 水平方向溫度分布

        受限空間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,熱煙氣從火源處上升,撞擊到頂棚后向四周擴展,因此在同一工況條件下,近火源處頂棚下最高溫度比遠(yuǎn)火源處頂棚下最高溫度更高。如圖6 所示,當(dāng)電纜排布為1×6無豎井時,二區(qū)內(nèi)10號熱電偶樹處于火源位置處,整體上來說溫度相比其他位置更高;9號熱電偶樹所測得的溫度分布和11 號熱電偶樹所測得的豎直溫度分布基本相同,即對于火源位置是對稱的;由于12 號熱電偶樹位于隧道開口處,測得的溫度明顯低于8號熱電偶樹所測得的溫度;一區(qū)內(nèi)各位置處溫度是關(guān)于4號熱電偶樹對稱的,并且離4號熱電偶樹越遠(yuǎn),溫度越低,其余不同電纜敷設(shè)數(shù)量下豎直方向溫度分布趨勢呈現(xiàn)出類似的對稱性。

        圖6 電纜排布1×6的水平溫度分布

        2.3 豎井對火災(zāi)熱釋放速率的影響

        由圖7 可知,不同電纜數(shù)量時豎井位置對HRR(熱釋放速率)的影響較為明顯,在每層電纜數(shù)量較少(3 條及以下)時,HRR 幾乎正比于電纜數(shù)量。但隨著電纜數(shù)量繼續(xù)增加,無豎井時電纜隧道內(nèi)HRR 的增長速度有所減緩。主要原因是:隧道屬于狹長空間,內(nèi)部空氣有限,當(dāng)可燃物較多時,燃燒需要大量氧氣,火災(zāi)由發(fā)生至發(fā)展階段,其燃燒將由燃料主控過渡到通風(fēng)主控,若狹長通道內(nèi)空氣比例降低,則電纜的HRR將大大降低。因此,電纜數(shù)量達(dá)到一定程度并繼續(xù)增加時,將降低HRR的增加速率。

        圖7 豎井對不同電纜數(shù)量時熱釋放速率的影響

        2.4 豎井對電纜隧道溫度的影響

        2.4.1 豎井對頂棚最高溫度的影響

        圖8給出了電纜隧道發(fā)生火災(zāi)時豎井對隧道頂棚溫度的影響??梢?,在敷設(shè)不同數(shù)量電纜的情況下,豎井對一區(qū)頂棚溫度的影響較為明顯。其中,豎井正下方靠近頂棚處的溫度變化最明顯,此處溫度范圍為25~45 ℃,接近環(huán)境溫度。主因是當(dāng)豎井高度大于臨界吸穿高度時,豎井內(nèi)高溫?zé)煔庖鸬臒焽栊?yīng)較為明顯。隧道下層的新鮮空氣被吸入豎井,降低了豎井自然排煙的效率,降低了豎井底部的平均溫度。

        圖8 豎井對頂棚溫度的影響

        在一區(qū)內(nèi)除豎井底部外的隧道頂棚處,溫度相較于沒有豎井的情況均下降明顯,且距豎井越遠(yuǎn)降溫效果越明顯。二區(qū)隧道內(nèi)的電纜燃燒時產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔鈱⒀厮淼蓝^(qū)向兩端傳播,一部分由C 口排出,另一部分由豎井排出。高溫?zé)煔馔ㄟ^豎井排出隧道,同時因排煙產(chǎn)生壓差,將導(dǎo)致大量新鮮空氣由隧道A 口、B 口進(jìn)入電纜隧道,形成與火焰蔓延方向相反的氣流運動,降低隧道內(nèi)溫度并降低電纜火災(zāi)的蔓延速度。

        近火源處電纜的火勢較大,燃燒的電纜對周圍環(huán)境的熱輻射較強,并產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?。豎井位于一區(qū),距離較遠(yuǎn),因此氣流運動對二區(qū)頂棚射流影響較小,二區(qū)頂棚的溫度變化較小。

        2.4.2 豎井對隧道內(nèi)豎向溫度分布的影響

        選取圖1 中的典型位置3 和9,圖9 是以電纜敷設(shè)數(shù)量4×6為例的各熱電偶樹的溫度分布情況??梢钥闯觯嗤叨忍幍臏囟染兴陆?,說明豎井對于電纜隧道內(nèi)不同高度處的溫度均有一定的降低作用。在二區(qū)隧道內(nèi),由于火勢較大、且氣流運動對本區(qū)域影響較小,隧道內(nèi)溫度變化較弱。而在一區(qū)內(nèi),因煙氣大部分由交叉處豎井排出,同時大量新鮮空氣補充進(jìn)入隧道內(nèi),因此溫度下降較為明顯。因此,增加豎井可以為救援人員提供更充分的作業(yè)空間和時間,同時也能降低電纜和設(shè)施的受損程度,對電纜隧道火災(zāi)的撲救作業(yè)和隧道內(nèi)設(shè)備的保護(hù)具有積極意義。

        圖9 豎井對豎向溫度分布的影響

        3 結(jié)論

        針對豎井影響下的T 形隧道電纜火災(zāi)火蔓延和溫度分布特征,本文開展了豎井影響下的全尺寸T 形結(jié)構(gòu)電纜隧道火災(zāi)FDS 模擬,分析了不同電纜敷設(shè)數(shù)量下,豎井位置變化對隧道內(nèi)溫度分布和HRR的影響。研究結(jié)論如下:

        1)火源側(cè)電纜起火后產(chǎn)生的火羽流撞擊隧道頂棚后形成反浮力壁面射流,造成最上層電纜被點燃的長度遠(yuǎn)大于次上層,電纜燃燒形成倒三角形狀向兩側(cè)蔓延。

        2)電纜數(shù)量越多,頂棚最高溫度越高,隨著電纜數(shù)量增加,頂棚最高溫度的增加值逐漸減慢。電纜數(shù)量越多,隧道內(nèi)整體溫度升高,同時高溫?zé)煔鈱雍穸仍龃螅医鹪刺師煔鈱雍穸仍黾恿窟h(yuǎn)大于遠(yuǎn)火源處。

        3)無豎井時電纜隧道內(nèi)HRR的增長速度有所減緩。主要是因為電纜數(shù)量越多HRR越大,且增長幅度較大,因此可以推測火源附近被燒失的電纜也越多。當(dāng)可燃物過多時,逐漸轉(zhuǎn)化為通風(fēng)控制型火災(zāi),受制于通風(fēng)條件,而電纜數(shù)量較多時,存在豎井的電纜隧道火災(zāi)的HRR 低于無豎井的情況。

        針對電纜隧道內(nèi)易發(fā)生火災(zāi)的重點保護(hù)區(qū)域,需要結(jié)合豎井對熱釋放速率和溫度分布的影響進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn),并基于溫度分布等參數(shù)設(shè)計消防滅火噴頭等設(shè)施的布置。

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