陳鵬云 查顯順 謝方祥

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

水運(yùn)通道一般為地面敞開空間，其通風(fēng)排煙通過(guò)自然方式進(jìn)行。而水運(yùn)通航隧洞為地下空間，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較少，我國(guó)在烏江構(gòu)皮灘樞紐建成了第1個(gè)船舶通航隧洞，長(zhǎng)度300 m 以上，可通航500 t 級(jí)船舶［1］；在浙江建設(shè)了富春江七里瀧航道通航隧道工程［2-3］。水運(yùn)通航隧洞橫截面積較公路隧道大得多，其通風(fēng)排煙對(duì)隧洞內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量、船舶安全運(yùn)行至關(guān)重要。大型水運(yùn)通航隧洞內(nèi)船舶噸位大，隧洞長(zhǎng)，船舶尾氣排放后積聚，如不及時(shí)排出會(huì)導(dǎo)致污染物累積，影響人員舒適度，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅生命健康。汪瑞等［4］采用數(shù)值模擬對(duì)通航隧洞尾氣排放擴(kuò)散進(jìn)行了研究，指出機(jī)械通風(fēng)對(duì)降低隧洞內(nèi)船舶尾氣的污染物濃度效果明顯。一旦船舶在隧洞發(fā)生火災(zāi)，需及時(shí)排出煙氣，為人員疏散逃生創(chuàng)造條件，滿足火災(zāi)情況下人員逃生與財(cái)產(chǎn)保全的需求。劉柳［5］利用FDS 建立全尺寸通航隧洞模型，模擬研究了火源位置、火源熱釋放速率、排煙口間距以及排煙速率等因素控制下的多種火災(zāi)工況對(duì)應(yīng)的隧洞溫度以及煙氣蔓延規(guī)律。

目前對(duì)船舶通航隧洞通風(fēng)排煙尚無(wú)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可循，同時(shí)其與公路隧道、鐵路隧道差別較大，因此亟待建立船舶通航隧洞的通風(fēng)排煙控制標(biāo)準(zhǔn)，其通風(fēng)排煙系統(tǒng)需維持大型水運(yùn)通道隧洞良好的環(huán)境空氣質(zhì)量，滿足船舶及人員的正常安全通行需求，確保排煙系統(tǒng)能夠迅速排出煙氣，保障人員及時(shí)疏散。本文分析并提出了大型水運(yùn)通航隧洞通風(fēng)排煙控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)通航隧洞的污染物排放特性和排煙特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并結(jié)合通風(fēng)排煙控制標(biāo)準(zhǔn)分析了大型水運(yùn)通道隧洞環(huán)境空氣質(zhì)量及火災(zāi)煙氣狀況。

1 通航隧洞平時(shí)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及需風(fēng)量

目前通航隧洞的平時(shí)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)沒有可依據(jù)的規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)，也無(wú)類似工程的文獻(xiàn)供參考。根據(jù)通航隧洞結(jié)構(gòu)、船舶運(yùn)行和隧洞維護(hù)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，參照《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTGT D70/2-02—2014）［6］和《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）［7］，確定大型通航隧洞通風(fēng)指標(biāo)如下：①隧洞內(nèi)煙塵允許質(zhì)量濃度不大于0.3 mg/m3；②隧洞內(nèi)CO 允許體積濃度不大于30 cm3/m3；③NO2允許質(zhì)量濃度不大于0.2 mg/m3；④隧洞空間最小換氣頻率不低于3 次/h；⑤隧洞換氣風(fēng)速不低于0.5 m/s。

三峽新通道水運(yùn)通航隧洞按雙線雙洞布置，隧洞段航槽凈寬25.0 m，長(zhǎng)度為1 800 m。隧洞橫截面巨大，以最低通航水位時(shí)計(jì)算，通航空間最高凈高55.5 m，其橫截面積約為1 350 m2。1 個(gè)中等規(guī)模四車道的公路隧道截面積約為90 m2，水運(yùn)通航隧洞面積約為四車道公路隧道的15.0 倍［8］。通過(guò)隧洞的最大通航規(guī)模按6 艘單船5 000 t 級(jí)干散貨船舶考慮，雙機(jī)功率為1 500 kW，船舶在隧洞中航行速度不超過(guò)10 km/h。根據(jù)《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》（GB 15097—2016）中的有關(guān)船機(jī)排氣污染物第二階段的排放限值，對(duì)應(yīng)CO 的排放速率為5 g（/kW·h），HC+NOx的排放速率為6.2 g（/kW·h），PM（顆粒物）排放量不超過(guò)0.14 g（/kW·h）。根據(jù)船用柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的不同，氮氧化物排放限值要求也不同［9-10］，如表1 所示。

表1 MARPOL 附則VI 規(guī)定的NOx 排放限值

船舶柴油機(jī)排氣中的氮氧化物90%以上是NO，少量是NO2及其他氮化物，NO2/NOx體積濃度比值在加裝了尾氣脫硝裝置后約為5.0%［11］，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［12-14］分析取NO2占含氮化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%。

稀釋煙塵、CO、NO2的需風(fēng)量分別按式（1）—式（3）計(jì)算。

式中，Qreq（V1）、Qreq（CO）、Qreq（NO2）分別為隧洞稀釋煙塵、CO、NO2需風(fēng)量，m3/s；QV1、QCO、QNO2分別為船舶主機(jī)的煙塵、CO、NO2排放量，g/s；K分別為煙塵、CO、NO2的允許質(zhì)量濃度，mg/m3。

根據(jù)水運(yùn)新通道隧洞通風(fēng)指標(biāo)及以上分析，計(jì)算得到最大通航規(guī)模下的需風(fēng)量如表2 所示。

表2 最大通航規(guī)模下的需風(fēng)量

取表2 中計(jì)算需風(fēng)量較大者作為選型需風(fēng)量，通航隧洞通風(fēng)量按稀釋NO2需風(fēng)量確定，約為7 796 250 m3/h。通風(fēng)方案選用射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)同時(shí)兼排煙系統(tǒng)，隧洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)轉(zhuǎn)為排煙工況運(yùn)行排出煙氣。

2 CFD 模擬計(jì)算及通風(fēng)特性

在隧洞內(nèi)每間隔100 m 設(shè)置1 組射流風(fēng)機(jī)，共17 組，每組10 臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)量為50 m3/s。隧洞射流風(fēng)機(jī)剖面布置示意如圖1 所示。

圖1 隧洞射流風(fēng)機(jī)剖面布置示意（單位：m）

針對(duì)隧洞射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)方案建立計(jì)算模型，為簡(jiǎn)化模型，取消隧洞連通的交通洞，僅對(duì)隧洞單洞建模。邊界條件設(shè)置為：洞內(nèi)環(huán)境溫度20 ℃；隧洞主體采用混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)船舶通行方式，通過(guò)隧洞共6 艘單船5000t 級(jí)船舶，雙機(jī)功率為1500 kW。計(jì)算模型按每間隔250 m 設(shè)置1 個(gè)船舶煙囪，共6 個(gè)。計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 隧洞射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)數(shù)值模型

圖3 （a）和圖3（b）分別為模擬計(jì)算得到的CO和HC+NOx的體積濃度分布云圖。通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)中NO2設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度不大于0.2 mg/m3，根據(jù)體積濃度比值換算，HC+NOx的設(shè)計(jì)體積濃度不大于10 cm3/m3。從圖3 可以看出，污染物依靠隧洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)散，通風(fēng)入口處擴(kuò)散較慢，污染物濃度較高；在射流風(fēng)機(jī)的作用下，污染物體積濃度逐漸降低，出口處最低。在船舶的煙囪周圍，污染物有一定的積聚。

圖3 通航隧洞污染物分布

隧洞內(nèi)絕大部分區(qū)域能滿足通風(fēng)指標(biāo)中CO體積濃度小于30 cm3/m3和NO2質(zhì)量濃度小于0.2 mg/m3的要求，只有船舶煙囪排氣口正上方小部分區(qū)域不滿足CO 和NO2的濃度要求。

3 通航隧洞火災(zāi)排煙控制標(biāo)準(zhǔn)

通航隧洞內(nèi)船舶發(fā)生火災(zāi)時(shí)，逃生人員需要在火災(zāi)熱煙氣下方緊急遠(yuǎn)離火源。因此，必須保證逃生方向的環(huán)境安全，主要包括控制逃生路徑上人員高度處煙氣溫度、煙氣CO 體積濃度和煙氣能見度。參照《美國(guó)固定軌道運(yùn)輸與客車系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》（NFPA 130—2020）［15］和世界道路協(xié)會(huì)PIARC 標(biāo)準(zhǔn)［16］的推薦值，結(jié)合水運(yùn)隧洞船舶火災(zāi)和逃生通道布置等實(shí)際情況，本文提出以下火災(zāi)排煙控制標(biāo)準(zhǔn)［17］：①人員高度處CO 體積濃度不超過(guò)500 mL/m3；②人員高度處能見度不小于10 m；③在逃生路徑上人員高度處煙氣溫度不超過(guò)60 ℃。

4 CFD 模擬計(jì)算及排煙特性

針對(duì)射流風(fēng)機(jī)方案建立模型，對(duì)排煙進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算模型在隧洞內(nèi)每間隔150 m 設(shè)置1 組射流風(fēng)機(jī)，共12 組，每組10 臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)量為35 m3/s。數(shù)值模擬采用火災(zāi)場(chǎng)模擬軟件 FD S。采用大渦模擬，亞尺度模型為Smagorinsky。為簡(jiǎn)化模型，取消隧洞連通的交通洞，僅對(duì)隧洞單洞建模。邊界條件設(shè)置：隧道內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，隧道主體結(jié)構(gòu)采用混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)置火源為面火源，火災(zāi)位置按最不利情況取隧洞的中部航道中央，熱釋放功率為50 MW［5，18-19］；隧道出口無(wú)風(fēng)，處于自然開放狀態(tài)。計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 隧洞射流風(fēng)機(jī)排煙數(shù)值模型

圖5 為模擬排煙工況下的縱剖面煙霧擴(kuò)散情況。從圖5 可以看出，煙霧首先上升至隧洞頂部，并被射流風(fēng)機(jī)氣流引至隧洞排煙一側(cè)。以火源位置為界，非排煙側(cè)煙霧被阻擋，只在小范圍內(nèi)擴(kuò)散后就停止不前，而排煙側(cè)煙霧在射流風(fēng)機(jī)抽排作用下擴(kuò)散迅速，火災(zāi)發(fā)生400 s 后煙霧彌漫隧洞排煙側(cè)。

圖5 射流風(fēng)機(jī)排煙工況縱剖面煙霧擴(kuò)散

圖6 （a）、圖6（b）和圖6（c）分別表示模擬排煙工況下疏散路徑上人員高度處CO體積濃度分布、溫度分布和能見度分布。從圖6 可以看出，疏散路徑上人員高度處CO 體積濃度在排煙側(cè)不斷升高，但均不超過(guò)500 mL/m3；溫度在排煙側(cè)也不斷升高，但均不超過(guò)60 ℃，滿足火災(zāi)控制標(biāo)準(zhǔn)要求。在火災(zāi)發(fā)生100 s后隧洞排煙側(cè)就出現(xiàn)了人員高度處能見度小于10 m 的區(qū)域，之后范圍不斷擴(kuò)大，火災(zāi)發(fā)生400 s 后排煙側(cè)全部區(qū)域的人員高度處能見度均小于10 m，排煙側(cè)均不能滿足火災(zāi)控制標(biāo)準(zhǔn)；非排煙側(cè)因?yàn)闆]有煙氣擴(kuò)散進(jìn)入，能見度處于初始狀態(tài)，可以滿足人員逃生疏散要求。

圖6 射流風(fēng)機(jī)排煙工況人員高度處安全因素分布

5 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)大型通航隧洞通風(fēng)排煙特性及控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

1）在稀釋煙塵、CO、NO2、換氣頻率、換氣風(fēng)速這5 個(gè)通風(fēng)指標(biāo)中，三峽新通道水運(yùn)通航隧洞的需風(fēng)量由稀釋NO2需風(fēng)量確定。

2）射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式下，通風(fēng)入口處擴(kuò)散較慢，污染物濃度較高，沿著隧洞污染物濃度逐漸降低，出口處達(dá)到最低。隧洞內(nèi)基本上能滿足CO 體積濃度小于30 cm3/m3和NO2質(zhì)量濃度小于0.2 mg/m3的要求，只有在船舶煙囪排氣口的附近小范圍不滿足CO和NO2的濃度要求。

3）以火源位置為界，排煙側(cè)煙霧在射流風(fēng)機(jī)抽排作用下擴(kuò)散迅速，非排煙側(cè)煙霧被阻擋。隧洞疏散路徑上人員高度處CO 體積濃度和溫度均能滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)，能見度是影響人員逃生的主要控制因素。