火源位置对一端封闭电缆隧道火灾蔓延影响

吴 执，王 磊，王 琅，彭 璟，张青翔，田 欢，赵培焱，李林杰

(1.国网重庆市电力公司 市南供电分公司，重庆 401336；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.国网重庆市电力公司 武隆供电分公司，重庆 408500)

随着我国经济的发展，电缆在日常生活中应用广泛，尤其是电力工业，电缆隧道输送电力的情况也越来越多，电线电缆的火灾安全性能备受关注[1]。虽然电缆隧道火灾发生的几率不高，但极具危险性，一旦发生，就会迅速燃烧并产生大量的二氧化碳、一氧化碳、氯化氢等有害气体和烟尘，电缆隧道环境恶劣使人工救援困难和灾后修复时间长，造成巨大的影响和损失[2-4]。根据有关资料统计，美国的电气火灾事故中电线电缆火灾占30.5%，日本的电力、钢铁等行业中有75%的企业发生过电缆火灾，而我国近十年来也发生了上百起电缆火灾，累积烧毁电缆40多万m，造成不可估量的损失[5]。由此可见，电缆隧道火灾的危险性不容忽视。

近些年来，国内外相关学者对电缆隧道火灾进行了大量实验和数值模拟研究。周彪等[6]等通过对模拟火灾数据的处理和分析，给出了电缆隧道火灾时的烟气浓度、氧气浓度、纵向温度、火焰蔓延情况以及高温烟气在隧道中水平蔓延规律。吴凤等[7]利用CFD软件建立地铁电缆火灾烟气流动模型，分析地铁隧道发生电缆火灾时的烟气流动规律，并指出纵向风速对电缆隧道火灾中人员疏散和应急救援的影响。MATALA等[8]采用Mont Carlo方法，以火灾动力学模拟软件FDS作为确定性火灾模型进行概率模拟，用一维热解模型对电力电缆的主要火灾荷载进行建模，并根据实验数据对材料参数进行估算。李苗等[9]应用FDS软件对电缆隧道火灾过程进行了计算机模拟,得出火灾具有发展迅速、结构可能严重损伤、烟气量大、有害气体浓度高、扑救困难等特点。李孝湘等[10]建立电力电缆隧道耐火试验升温模型，研究不同类型曲线与电力电缆隧道火灾发生时升温过程的匹配性问题，结果显示市政或交通隧道的 RABT-ZTV曲线可满足其耐火性能试验的要求。也有学者针对电缆隧道结构对火灾影响的程度开展研究，HUANG等[11]使用垂直电缆槽在密闭室内进行全尺寸火灾实验，对最高顶棚射流温度进行研究。周彪等[12]建立T型电缆隧道模型,对电缆隧道火灾进行全尺寸模拟，研究隧道内空气温度及火灾烟雾浓度随时间、空间的分布情况。AN等[13]采用数值模拟方法研究了L形综合管隧道内电缆火灾引起温度分布和CO扩散。

由于电缆隧道发生火灾的位置的不确定性，研究火源位置对电缆隧道火灾的影响及防治措施具有十分重要的应用价值。因此，笔者运用FDS软件建立电缆隧道模型，通过数值模拟的方法研究了一端封闭条件下电缆隧道中不同纵向火源位置对电缆隧道火灾的影响。

1 数值模拟

笔者采用火灾仿真FDS(Fire Dynamics Simulator)软件建立不同火源位置电缆隧道火灾模型，FDS是由美国国家标准研究所(NIST)与火灾研究实验室(Building and Fire Research Laboratory)合作共同研发的一款基于场模型的计算火灾动力学模拟软件，它根据建筑火灾的性质，以简单直观的图像生动形象地展现出火灾发生的过程，并能对火灾烟气蔓延和热传递等相关问题进行研究分析[14-15]。

1.1 模型建立

用FDS软件构建一个水平长方体状的电缆隧道模型，如图1所示。模型电缆隧道长200 m，宽2.8 m，高2.6 m，墙的厚度为0.2 m，如图2所示。隧道采用耐火材料混凝土制成，左端用混凝土挡墙完全密封，另一端则自然通风，其自然通风口的尺寸为2.4 m×2.2 m(长×宽)。隧道的两侧各布置3层电缆，上下层间距为0.5m，同时在电缆正下方设有高度为0.2 m的排水沟。电缆层采用具有优良耐低温性能的材料聚乙烯(PE)，设置聚乙烯电缆材料的单位热释放速率为225 kW/m2、燃点为250 ℃。

图1 电缆隧道模型右视图

图2 电缆隧道模型图

模拟实验的热电偶测点分别布置在隧道侧壁3层电缆正上方0.1 m处以及隧道的顶棚正下方，热电偶测点间距0.2 m，每一层有101个热电偶测点。此外，在隧道和电缆层的轴对称断面上设置有温度、CO浓度以及能见度的切片，实时采集实验过程中的气象数据。同时，为更清楚直观地描述数据和理解火焰烟气的蔓延情况，通过Smokeview软件将数据转换成可视化的三维动态的模拟结果[16]。

1.2 网格划分

在模拟的过程中，网格的大小会影响模拟的准确性，网格越小模拟精度越高，但对计算机性能要求也更高。因此，计算区域内的网格能否被准确地划分，将直接影响计算结果的准确性[17]。为选取适合的网格尺寸，在FDS中，可以采用当量火源直径D*与网格尺寸δX的比值来对网格划分的质量进行评估。D*的公式为：

(1)

式中：Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，取1.293 kg/m3，Cp为空气定压比热容，取1.005 kJ/(kg(K)；T∞为环境的温度，取295 K；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

一般认为，当量火源直径D*与网格尺寸δX的比值介于4～16之间，且数值越大，模拟结果就越精确。火源的热释放速率Q为3 MW，计算得到的当量火源直径D*为1.442，由此可得网格尺寸δX的取值范围是0.090～0.361。选择4种网格尺寸进行网格灵敏度分析，如表1所示。

表1 模型精度检验网格尺寸设置

其网格独立性分析如图3所示。可知当网格尺寸小于0.25 m时，模拟得到的结果变化不大，但是消耗的计算时间会极大增加，所以建模时采用0.2 m的网格，同时考虑到电缆在竖向上的尺寸比较小，并且温度在竖向上的分布梯度比较大，所以网格在竖向上进行了加密，采用了0.1 m的网格，因此，网格的尺寸选择0.2 m×0.2 m×0.1 m。

图3 不同尺寸网格对隧道顶棚下方温度的影响

1.3 火源设置

由于隧道中电缆对称排列，取一侧电缆层进行分析，火源分别纵向布置在电缆隧道的底层电缆层上，尺寸为0.6 m×4 m，燃料选取FDS燃烧物资源库中的庚烷(HEPTANE)，其燃烧特性为FDS数据库默认值。电缆隧道火灾发展过程属于t2火模型[18]，如式(2)所示。

Q=αt2

(2)

式中：Q为热释放速率，kW；α为增长系数，kW/s2；t为时间，s。根据美国NFPA的分类标准，超快速火灾对应的α=0.187 8[19]。火源的单位面积热释放率为1 250 kW/m2,火源面积为2.4 m2，其最大热释放率即火源功率为3 MW。由式(2)可得，此电缆隧道模型达到最大热释放率只需126 s左右，参数如表2所示。数值模拟的时间设置为600 s,环境的初始温度为22 ℃，分别设置火源在底层电缆层纵向50 m、100 m和150 m处3种不同火源位置的工况进行数值模拟，其正视图如图4所示。

图4 不同工况火源布置方式

表2 火源参数

2 模拟结果与分析

2.1 烟气蔓延情况

模型所模拟的电缆隧道火灾的烟气蔓延情况可分为4个阶段，即迅速上升阶段、纵向蔓延阶段、封堵回弹过渡阶段和稳定阶段。通过smokeview软件可得电缆隧道一端封堵条件下火源位置在底层电缆100 m位置处(即电缆隧道底层中部位置)不同时刻的烟气蔓延情况，如图5所示，可知火源开始燃烧后，烟气首先在浮力的作用下持续地向上运动，运动到顶棚位置时形成顶棚射流，随后沿着电缆隧道的顶棚向两端做水平运动，此时烟气主要集中在电缆隧道的上端，160 s左右烟气到达电缆隧道的两端，但烟气运动到电缆隧道右端所用的时间比左端更短，烟气在150 s时运动到右端开口位置，但直到170 s时电缆隧道左端的烟气才到达封堵位置，烟气在撞击电缆隧道左端封堵边墙后，开始沿隧道的中下端向左端的开口处做一维地纵向蔓延，最终达到稳定状态，在隧道的开口位置处形成空气对流。

图5 工况2不同时刻烟气蔓延情况

此外，电缆隧道内不同纵向位置发生火灾后烟气的运动也不一样。火源在不同纵向位置时电缆隧道内烟气达到稳定状态的分布情况如图6所示，可知火源位置距离封堵的位置越近，烟气扩散至充满整个电缆隧道所用的时间越短，火源右端电缆隧道的中下层烟气扩散越难。这是由于电缆隧道内封堵处的空气储存量有限，右端出口处与外界大气压连通，发生火灾后电缆隧道内外产生温差，由温度差引起的压强差加强了空气的对流，受火源与隧道出口距离的影响，火源位置越靠近封堵处，压强差的作用效果越不明显。

图6 稳定状态烟气分布图

2.2 稳定状态温度变化规律

温度是衡量火灾强弱的重要指标之一。笔者统计了不同工况下电缆隧道内烟气达到稳定状态(即500 s～600 s)时的平均温度，如图7所示。可知靠近火源位置的各层热电偶所测得的烟气温度最高，且电缆第3层的烟气温度峰值最高，其次是顶棚或第2层，底层电缆层的烟气温度峰值最低。另外烟气温度峰值并不位于火源位置，而是在火源右边一段距离内，火源越靠近电缆隧道的开口端，这段距离就会减小。原因是烟气主要积聚在电缆隧道的上部，底层的烟气是由于电缆隧道左端封闭从上端扩散而来，所以温度较低。此外，火源左端电缆隧道内的氧气含量有限，而右端的电缆隧道与外界的空气连通，电缆向右端燃烧的倾向更大，但随着火源位置越接近电缆隧道右端开口位置，模拟的工况就会越接近于无封堵情况下的电缆隧道，所以电缆隧道内的燃烧情况就会越接近于通常火灾燃烧的现象。

图7 不同工况烟气温度分布

2.3 火焰分布规律

火焰蔓延情况是反映电缆隧道火灾的重要指标之一。模拟一端封闭电缆隧道不同起火位置情况下的火灾蔓延情况，如图8所示。底层电缆起火以后，火焰迅速增大进而引燃上层的电缆，当触碰到顶层的墙壁后就开始沿隧道顶端向两边蔓延，且火焰沿顶层蔓延的距离最长。当火源达到最大热释放率以后，火焰才沿顶层向两端蔓延，300 s左右火焰蔓延的距离渐渐减小，而后引燃火源右端的电缆向开口端燃烧。3种工况下前期的火焰蔓延情况近乎相同，但越往后期火焰燃烧的情况有明显的区别。工况1火源在底层电缆层50 m处，燃烧后期火焰在火源右边一段距离左右摇摆，但变化的幅度很小;工况2火源在电缆层100 m处，燃烧后期火焰向右端扩散的速度很快，左右摆动变化的幅度非常大，火焰燃烧的区域也相应缩小；工况3火源在电缆层150 m处，后期火焰蔓延情况与前期相比变化较小，300 s后火源两端火焰蔓延的距离骤然减小，而后火焰又向两端慢慢延伸，但向开口端蔓延的距离较向封堵端更远。

图8 不同工况下火焰蔓延情况

实际工程中将电缆的燃点定义为250 ℃，故将温度大于250 ℃的区域，认为电缆层正在燃烧，定义为火焰区域，如图9所示。为研究不同工况下火焰蔓延情况，取各个时间段火焰蔓延速度作为研究对象进行分析。设时间间隔t=100 s，达到电缆燃点温度的区域距离为D，由于电缆层热电偶间距为2 m，只需统计温度大于250 ℃的热电偶数量即可，故可得火焰的蔓延速度公式为：

(3)

式中：Vh为火蔓延的速度；di为下一段火焰距离；di-1为上一段火焰距离；t为火蔓延时间。

根据所测数据，电缆层第3层的温度变化幅度最大，火焰蔓延的现象最明显，故取第3层电缆层的数据进行分析，如图10所示。可知前期火焰蔓延速度情况相近，随着时间的增加，火焰蔓延速度越快，直到火源达到最大热释放率以后，火焰蔓延的速度有所减弱，到300 s左右，火焰蔓延的速度出现了负增长。但不同工况的负增长情况也存在差异，400 s后工况3的火焰蔓延情况在减弱后又有所回升。主要存在以下两方面原因：①隧道内烟气的影响，电缆燃烧产生大量二氧化碳，抑制了火源左端电缆燃烧；②氧气含量的影响，由于隧道左端封闭氧气含量有限，隧道内温度升高在右端开口处形成烟囱效应，为电缆隧道燃烧提供氧气。因此，火源越靠近电缆隧道开口端，火焰蔓延情况越明显，反之，则越不稳定。

图9 火焰区域定义图

图10 各工况下火焰蔓延速度对比

3 结论

笔者采用数值模拟的方法，研究一端封闭条件下电缆隧道不同纵向火源位置的火灾燃烧现象，通过分析不同工况下的烟气蔓延情况、温度变化规律和火焰蔓延规律，得出以下结论：

(1)电缆隧道内不同纵向位置发生火灾时，烟气的扩散效果明显不同。越靠近封堵处的位置发生火灾，烟气扩散至充满整个隧道的速度越快。

(2)电缆隧道火灾的最大温度在火源的右方，并且这段间距随着火源与封堵距离的增大而减小。

(3)火源越靠近电缆隧道封堵位置，其火焰蔓延情况越不稳定。