王舒寒，張永康，王 玲，湯敏吉，陳艷羚，王 承，臧建彬

（1.國網(wǎng)上海市電力公司電纜分公司，上海 200072； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

電纜隧道具有空間封閉、潛在可燃物多、火災(zāi)撲救難度大等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)造成嚴(yán)重后果，嚴(yán)重威脅城市電網(wǎng)的安全運(yùn)行［1-2］。電纜隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的可能性較小，但其為封閉的地下空間，如果發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)的溫度高、能見度低，并且火源易復(fù)燃，加大了滅火救援的難度［3-4］。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，約30%的電纜隧道火災(zāi)事故源于電纜自身故障，其余約70%的火災(zāi)事故由外界因素引起［5-6］。因此，對于電纜隧道火災(zāi)的仿真模擬具有十分重要的研究價(jià)值。

文獻(xiàn)［3］通過對T 型電纜隧道建立模型，使用FDS 仿真軟件對其進(jìn)行全尺寸模擬，得出了煙氣在電纜隧道中的流動(dòng)先呈層流狀態(tài)，后處于紊流狀態(tài)的結(jié)論；文獻(xiàn)［4］通過應(yīng)用FDS 軟件對電纜隧道火災(zāi)過程進(jìn)行模擬，得出由于隧道內(nèi)持續(xù)高溫狀態(tài)，電纜將會(huì)不斷地燃燒，并且電纜隧道火災(zāi)發(fā)展迅速、救援難度大；文獻(xiàn)［5］通過FDS 軟件分別對端口無封堵、封堵1/8、封堵1/4、封堵1/2 和封堵3/4 五種工況下的隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明封堵的比例越大，煙氣蔓延至隧道端的時(shí)間越快，溫度降低越快，CO 含量越高；文獻(xiàn)［6］利用FDS 進(jìn)行隧道火災(zāi)數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果中的溫度、CO 濃度和能見度作為分析指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)風(fēng)速、火源功率、火源位置對隧道火災(zāi)的影響依次減小。

由于電纜隧道火災(zāi)的特殊性，必須對高壓電纜的燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)，而以往電纜隧道火災(zāi)模擬的數(shù)據(jù)取值有一定的不確定性。本文通過將電纜燃燒試驗(yàn)得到的確切數(shù)據(jù)代入FDS 仿真軟件進(jìn)行電纜隧道的火災(zāi)模擬，使得模擬的結(jié)果更貼近真實(shí)的結(jié)果，以此為電纜隧道火災(zāi)后續(xù)的排煙、救援提供合理有效的指導(dǎo)。

1 電纜燃燒試驗(yàn)

近年來，能夠真實(shí)反映材料燃燒性能的理想試驗(yàn)儀器為錐形量熱儀，真實(shí)火災(zāi)的燃燒環(huán)境和試驗(yàn)環(huán)境極其相似。它通過氧消耗的原理來測定可燃材料在火災(zāi)中的燃燒參數(shù)所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，如熱釋放率、有效燃燒熱、點(diǎn)燃時(shí)間、總釋放熱、煙氣及毒性參數(shù)和質(zhì)量變化等，用以評價(jià)試驗(yàn)材料在火災(zāi)中的燃燒行為。

考慮到試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)用價(jià)值，本試驗(yàn)選取了上海市某電纜隧道內(nèi)廣泛使用的電力電纜進(jìn)行試驗(yàn)，即型號(hào)為ZB-YJLW03-Z 的220 kV 交聯(lián)聚乙烯高壓電纜。試驗(yàn)依照ISO 5660-1 對火反應(yīng)試驗(yàn)——熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失率，第1 部分：熱釋放速率（錐形量熱儀法）進(jìn)行，采用錐形量熱儀對高壓電纜進(jìn)行熱輻射燃燒試驗(yàn)，主要由燃燒室、載重臺(tái)、氧分析儀、煙測量系統(tǒng)通風(fēng)裝置及有關(guān)輔助設(shè)備等六部分組成，并選擇輻射熱引燃的方式，輻射功率為50 kW·m-2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 密度

交聯(lián)聚乙烯電纜密度試驗(yàn)主要通過電子天平和數(shù)顯卡尺測得，測試環(huán)境溫度為23 ℃，濕度為53.1%。通過質(zhì)量與體積的比值得到交聯(lián)聚乙烯電纜的密度，測量4 次并取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 220 kV 交聯(lián)聚乙烯高壓電纜密度檢測結(jié)果

由圖1 可知，電纜的點(diǎn)燃時(shí)間在30 s 左右，此時(shí)的熱釋放率最大，為228 kW·m-2。0～30 s 在持續(xù)的輻射熱作用下，電纜的熱釋放率呈直線式激增；隨后在金屬護(hù)套的阻燃作用下，熱釋放率有所下降，經(jīng)過約150 s 的熱量積聚，電纜內(nèi)部的絕緣層開始燃燒，熱釋放率又開始上升；然后隨著絕緣層的燃燒殆盡，熱釋放率開始緩慢下降至30 kW·m-2，但并未降至0 kW·m-2，可見燃燒結(jié)束后，電纜殘?jiān)廊粫?huì)釋放出少許的熱量。

圖1 電纜燃燒試驗(yàn)熱釋放率曲線

由圖2 可知，電纜燃燒的總熱釋放量一直處于上升狀態(tài)，0～700 s 上升趨勢比較明顯，700 s 后總熱釋放量上升趨勢開始變緩，最終燃燒結(jié)束時(shí)，共釋放熱量151 MJ·m-2。

圖2 電纜燃燒試驗(yàn)總熱釋放量曲線

2.2 熱量釋放

交聯(lián)聚乙烯高壓電纜燃燒試驗(yàn)熱釋放率曲線如圖1 所示，總熱釋放量曲線如圖2 所示，電纜燃燒狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 電纜燃燒狀態(tài)

2.3 質(zhì)量損失

電纜燃燒質(zhì)量損失曲線如圖4 所示。由圖4可知，電纜燃燒的質(zhì)量損失呈下降趨勢，0～700 s質(zhì)量損失速度較快，700～1 800 s 質(zhì)量損失速度變緩。結(jié)合圖2 總熱釋放量來看，二者呈負(fù)相關(guān)，前期電纜燃燒反應(yīng)劇烈，可燃物的損失速度比較快，隨著大面積的絕緣層燃燒殆盡，總熱釋放開始放緩，質(zhì)量損失也因此變慢。

圖4 電纜燃燒試驗(yàn)質(zhì)量損失曲線

2.4 煙氣產(chǎn)量

隧道中的電纜燃燒除了會(huì)帶來明顯的熱危害，電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣同樣威脅著電纜隧道的消防安全。用比消光密度表示燃燒材料在規(guī)定的試驗(yàn)條件下產(chǎn)煙濃度的光學(xué)特性。電纜燃燒試驗(yàn)的煙氣產(chǎn)量曲線如圖5 所示。

圖5 電纜燃燒試驗(yàn)煙氣產(chǎn)量曲線

從圖5（a）比消光密度曲線可以看出，電纜在未燃燒之前一直處于陰燃狀態(tài)，在短短30 s 內(nèi)產(chǎn)生了大量的煙氣，比消光密度達(dá)到了峰值1 500 m2·kg-1，因此可以得出電纜燃燒的大量煙氣主要來自陰燃階段。隨著可燃物的逐漸減少，煙氣量也開始下降，在600 s 時(shí)已經(jīng)不再產(chǎn)生煙氣。

由圖5（b）和圖5（c）可以看出，0～500 s 時(shí)CO和CO2的生成速率具有相同的發(fā)展趨勢。CO2在250 s 達(dá)到峰值0.13 g·s-1后開始緩慢下降，在1 000 s后開始穩(wěn)定在0.02 g·s-1左右。CO 在500 s降至最低點(diǎn)0.000 60 g·s-1，然后開始上升至0.001 25 g·s-1，可能原因?yàn)閷?dǎo)體屏蔽層的材質(zhì)燃燒會(huì)產(chǎn)生CO，導(dǎo)致了CO產(chǎn)生速率的增加，隨著燃燒的繼續(xù)，CO產(chǎn)生速率開始緩慢下降至0.006 2 g·s-1。

2.5 其他氣體及毒性指標(biāo)

通過試驗(yàn)檢測，電纜燃燒除產(chǎn)生CO，CO2氣體外，還會(huì)產(chǎn)生HBr，HCN，NOx，SO2等氣體，如表2 所示。

表2 電纜燃燒氣體生成及含量

3 數(shù)值模擬

本文采用火災(zāi)仿真軟件FDS 建立地下電纜隧道的火災(zāi)模型，F(xiàn)DS 是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所和火災(zāi)研究試驗(yàn)室合作共同研發(fā)的一款基于場模型的計(jì)算火災(zāi)動(dòng)力學(xué)的模擬軟件，其能夠根據(jù)火災(zāi)的燃燒特性，通過直觀的動(dòng)畫展示火災(zāi)的發(fā)展過程，并且能夠?qū)馂?zāi)中的煙氣蔓延、溫度、能見度、CO 含量的變化規(guī)律進(jìn)行分析［7-12］。

3.1 模型建立

電纜隧道模型主要以上海市某電纜隧道的通風(fēng)區(qū)間實(shí)況為參考，由于電纜支架、消防及通信設(shè)備、排水溝等設(shè)施的可燃物質(zhì)較少，對于電纜隧道火災(zāi)的模擬無較大影響，因此建立模型時(shí)予以忽略?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境中，電纜隧道一般長達(dá)數(shù)公里，模擬所需時(shí)間較長，因此按照電纜隧道防火的相關(guān)要求，建立截面直徑為3.5 m 的圓形電纜隧道模型，此模型處于電纜隧道通風(fēng)區(qū)間的末端，左側(cè)處于封閉狀態(tài)，右側(cè)建設(shè)有通風(fēng)井，通風(fēng)井與外界環(huán)境連通。設(shè)置隧道長度為200 m，電纜隧道壁面由混凝土構(gòu)建，厚度為0.3 m；高壓電纜為0.2 m×0.2 m×200 m 的長方體，由內(nèi)部PVC 塑料和外部的聚氯乙烯組成，隧道內(nèi)共設(shè)置3 層電纜，電纜層的高度分別為0.3，1.5，1.9 m。電纜隧道實(shí)況如圖6所示，電纜隧道模型如圖7 所示。

圖6 電纜隧道實(shí)況

圖7 電纜隧道模型

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接決定模擬結(jié)果的正確與否，一般來說，網(wǎng)格越小，計(jì)算精度越高。但試驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)格設(shè)置的不合理將直接導(dǎo)致計(jì)算誤差。因此，為保障模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對網(wǎng)格的正確劃分極為重要［13］。網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗(yàn)值為特征火焰的1/4～1/16 較為合適。特征火焰的直徑直徑采用下式計(jì)算：

式中Q?——火源的熱釋放速率，kW·m-2；ρ∞——空氣密度，取1.2 kg·m-3；cp——空氣比熱，取1 kJ·（kg·K）-1；T∞——環(huán)境空氣溫度，取297 K；g——重力加速度，取9.81 m·s-2。

其中，火源的熱釋放速率取5 MW·m-2，經(jīng)計(jì)算，特征火焰的直徑為3.46，由此可以得出模擬的網(wǎng)格尺寸范圍為0.28～0.86，綜合考慮網(wǎng)格精度和計(jì)算時(shí)間，由于考慮電纜直徑方向的尺寸相對于電纜隧道整體尺寸較小，溫度在電纜的徑向分布梯度比較大，需要對電纜進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.2×0.2×0.1，共計(jì)361 000 個(gè)網(wǎng)格［14］。

3.3 邊界條件

根據(jù)電纜密度檢測和燃燒試驗(yàn)結(jié)果，其密度為1 565.17 kg·m-3，單位熱釋放率為224.89 kW·m-2，燃點(diǎn)為250 ℃。電纜隧道內(nèi)環(huán)境溫度根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)取值25 ℃，火源尺寸為0.45 m×2 m，火源材料采取FDS 軟件資源庫中的庚烷，火源設(shè)置于電纜隧道50 m 處的最底層左側(cè)電纜的底部位置，火源功率設(shè)置為5 MW。電纜隧道在實(shí)際的火災(zāi)發(fā)展過程中屬于t2火模型，其公式可簡化如下：

式中Q——熱釋放速率，kW·m-2；α——增長系數(shù)，kW·s-2；t——時(shí)間，s。

不同類型火災(zāi)的增長系數(shù)如表3 所示。根據(jù)美國NFPA 的分類標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)電纜材質(zhì)的火災(zāi)增長系數(shù)為 0.187 8［15］，t為163 s。

表3 不同類型火災(zāi)的增長系數(shù)

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 火勢發(fā)展及煙氣擴(kuò)散

煙氣擴(kuò)散和火勢蔓延能夠反映電纜隧道內(nèi)火災(zāi)的真實(shí)狀況。X=1.75 m 煙氣擴(kuò)散切片如圖8所示。50 s 時(shí)隧道內(nèi)高壓電纜處于初始燃燒階段的陰燃狀態(tài)，產(chǎn)生了大量的煙氣，此時(shí)的煙氣與隧道內(nèi)的原有空氣存在溫度差，在浮升力的作用下，煙氣近乎豎直地不斷向隧道頂部沖擊，由于隧道壁面的阻撓，便又朝隧道縱向方向迅速蔓延流動(dòng)約40 m。由于二層電纜與底層電纜存在1.2 m 的高度差，底層電纜起火后，火勢并不會(huì)直接向二層電纜擴(kuò)散，而是向著底層電纜的長度方向蔓延。隨著電纜從陰燃狀態(tài)向充分燃燒狀態(tài)過渡，火源的尺寸不斷擴(kuò)大，煙氣蔓延的速度反而呈下降趨勢。這是因?yàn)殡娎|燃燒的火勢不斷變大，所需的氧氣量劇增，而電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣在一定程度上抑制了火源的繼續(xù)發(fā)展。

圖8 X=1.75 m 煙氣擴(kuò)散切片

火勢和煙氣向火源下游蔓延的速度明顯要大于向火源上游蔓延，這是因?yàn)樘幱谒淼郎嫌蔚姆阑痖T在發(fā)生火災(zāi)后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，上游的隧道口近似于封堵狀態(tài)，氧氣含量有限，而下游隧道口與通風(fēng)井相連接，通風(fēng)井與外界空氣連通，因此火勢發(fā)展和煙氣擴(kuò)散向下游的傾向也更大。

4.2 能見度

能見度是在指定的空間內(nèi)人眼可以看到的最遠(yuǎn)的距離。對于密閉空間而言，能見度的高低決定著安全疏散的效率。X=1.75 m 能見度切片如圖 9 所示。在圖9 中，t=50 s 時(shí)，電纜隧道的能見度處于10 m 安全范圍以上，此時(shí)為逃生的最佳時(shí)機(jī)；t=100 s 時(shí)，火源位置附近已經(jīng)出現(xiàn)能見度低于10 m 的區(qū)域，隨著火勢的不斷蔓延，煙氣繼續(xù)下沉，能見度迅速降低；t=300 s 時(shí)，電纜隧道內(nèi)能見度低于10 m 的區(qū)域不斷擴(kuò)大，長度約為120 m。

圖9 X=1.75 m 能見度切片

4.3 溫度變化

溫度是衡量火災(zāi)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。電纜隧道不同時(shí)刻溫度對比如圖10 所示。由圖10 可知，隨著電纜從陰燃到完全燃燒發(fā)展，火源尺寸不斷增大，電纜燃燒所釋放的熱量也不斷增大，隧道內(nèi)的溫度逐漸上升。溫度最高處不在火源位置，而是在火源的下游方向，且距離火源有一定的距離。300 s 時(shí)，火源下游處的煙氣還未蔓延至隧道口，且下游隧道口與外界空氣連接，靠近下游隧道口的煙氣與外界空氣進(jìn)行熱量交換，導(dǎo)致隧道末端120～200 m 處的溫度最低，并且越靠近隧道末端，隧道內(nèi)的空氣溫度也越低。

圖10 電纜隧道不同時(shí)刻的溫度對比

對電纜隧道火災(zāi)時(shí)250～300 s 的平均溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對1.4，2.0，3.2 m 高度處的隧道溫度進(jìn)行對比。電纜隧道不同高度處的溫度對比如圖11 所示。由圖11 可知，在隧道火災(zāi)的初始階段，火源的溫度明顯高于隧道的初始溫度，二者明顯存在一定的密度差，因而在火源處會(huì)產(chǎn)生壓力差，煙氣與隧道空氣發(fā)生熱量傳遞后形成火羽流，煙氣在浮升力的作用下向隧道頂部不斷沖擊，導(dǎo)致隧道頂部的溫度最高。隨著火源的繼續(xù)發(fā)展，火災(zāi)煙氣縱向影響距離不斷擴(kuò)大，同時(shí)高溫?zé)煔庠趯λ淼理敳窟M(jìn)行沖擊之后有一定程度的下沉，導(dǎo)致電纜隧道在高度方向上的溫度呈上升趨勢。

圖11 電纜隧道不同高度處的溫度對比

4.4 CO 生成量

當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的CO 含量達(dá)到臨界值4×10-4mol·mol-1時(shí)，煙氣中的CO 與血紅蛋白結(jié)合，人體會(huì)在45 min 之內(nèi)眼花、惡心，2 h 內(nèi)失去知覺，難以正常逃離隧道，因此研究CO 的濃度分布對于人員逃生和救援具有重要意義。不同時(shí)刻電纜隧道的CO 含量對比如圖12 所示。由圖12 可知，在100 s 時(shí)，只有火源附近產(chǎn)生了少量的CO，隨著火源向隧道兩端蔓延，300 s 時(shí)上游隧道口CO 含量達(dá)到2×10-4mol·mol-1，下游隧道口與外界空氣直接接觸，稀釋了隧道末端120～200 m 處的CO含量，隧道80 m 處CO 含量達(dá)到峰值1.52×10-4mol·mol-1，但均在臨界值以下，不會(huì)對人員疏散造成嚴(yán)重威脅。

圖12 不同時(shí)刻電纜隧道的CO 含量對比

5 災(zāi)后排煙

電纜隧道結(jié)構(gòu)狹長，一旦內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，造成的后果將難以估量。因此，在保證人員安全的前提下，采用電纜隧道本身配置的縱向通風(fēng)的方式排出隧道內(nèi)煙氣是較為有效的方法。而臨界風(fēng)速是隧道縱向排煙的重要因素。隧道臨界風(fēng)速是指當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，保證火災(zāi)所產(chǎn)生的煙氣不發(fā)生逆流的最小通風(fēng)速度。

Thomas 提出了臨界風(fēng)速的概念，并給出了臨界風(fēng)速與火源功率三分之一的關(guān)系，再考慮隧道坡度的影響，進(jìn)一步提出了如下的臨界風(fēng)速計(jì)算公式：

式中Vc——臨界風(fēng)速，m·s-1；Kg——坡度修正因數(shù)；K——常數(shù)，0.61；g——自由落體加速度，9.8 m·s-1；H——隧道截面凈高，m；Q——火源熱釋放速率，W；ρ——隧道內(nèi)空氣密度，1.2 kg·m-3；Cp——空氣比定壓熱容，1 kJ·（kg·K）-1；A——隧道通風(fēng)截面積，m2；Tf——熱空氣溫度，K；T——環(huán)境溫度。

以上各項(xiàng)參數(shù)取值為：H=3.5 m，A=9.6 m2，Kg=1，Q=5 MW，T=298 K。經(jīng)計(jì)算，此電纜隧道火災(zāi)排煙的斷面臨界風(fēng)速為1.4 m·s-1。

6 結(jié)語

本文采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過FDS 軟件建立了電纜隧道末端模型并對電纜燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，所得火勢及煙氣擴(kuò)散規(guī)律、溫度變化規(guī)律、能見度變化規(guī)律和CO 含量變化規(guī)律具有一定的可信度。

（1）隧道火災(zāi)的初始階段，由于高溫?zé)煔馀c隧道內(nèi)的空氣存在溫差，煙氣在浮升力的作用下不斷沖擊隧道頂部，而后開始在隧道內(nèi)縱向蔓延。在這個(gè)過程中煙氣又會(huì)有一定程度的下沉，導(dǎo)致在高度方向上的隧道溫度呈上升趨勢。

（2）由于電纜隧道末端一般建有通風(fēng)井與外界連通，隧道內(nèi)的火勢發(fā)展及煙氣擴(kuò)散呈現(xiàn)出向隧道末端方向發(fā)展的趨勢，并且越靠近隧道末端處的溫度和CO 含量越低，越有利于人員逃生和消防救援。

（3）電纜隧道末端火災(zāi)的煙氣溫度和CO 含量的峰值并不在火源位置處，而是在火源下游處且距離火源有一定的距離。

（4）電纜隧道末端火災(zāi)發(fā)生后，災(zāi)后排煙的斷面臨界風(fēng)速為1.4 m·s-1，以防止煙氣回流。