卷烟配送仓库火灾烟气运动规律与避灾仿真

2020-12-21朱权洁张尔辉张艳林

河北科技师范学院学报 2020年3期

刘衍，朱权洁，张尔辉，周波，罗军，张艳林

(1 湖北省烟草公司十堰市公司，湖北十堰，442000；2 华北科技学院应急技术与管理学院；3 中国烟草总公司湖北省公司)

卷烟配送仓库火灾事故中，烟气、高温、毒性是威胁生命和财产的主要因素。有毒高温烟气不仅容易造成资伤，致人死亡，还会降低火场可见度，给物资疏散和灭火工作增加很大困难。因此，火灾中对火势和烟气进行有效的控制是十分重要的。

研究火势和烟气及其相关规律过程中，数值模拟是一种操作方便、直观准确的研究方法[1～3]。国际上火灾烟气运动数值模拟的方法主要有雷诺平均模拟(RANS)[4]、直接模拟(DNS)[5]和大涡模拟(LES)[6～8]3种。3者模拟精确度无明显差异，而大涡模拟计算量却大大减少，成为火灾烟气运动数值模拟的主流方法[9]。目前，针对卷烟配送仓库火灾的研究主要从实验室分析和数值模拟两方面开展。

现有研究成果集中于仓库火灾的燃烧参数、火势和烟气蔓延规律、温度和CO浓度变化以及火灾扑救等方面。随着技术进步的同时，灭火系统选择与优化布设、人员紧急疏散逃生等问题依然面临着新的挑战。笔者在已有研究的基础上，以湖北省烟草公司十堰市公司卷烟配送中心为研究对象，对其典型的成品卷烟取其烟丝进行热重试验，获取卷烟的着火温度、燃烧特性指数以及燃烧动力学参数等指标，并根据其仓库实体尺寸建立仓库模型，利用数值模拟软件基于LES方法对卷烟配送仓库火灾进行数值模拟，得出了仓库火灾火焰蔓延、火场温度分布、烟气流动状况及其组分浓度等参数随时间的动态变化规律，并对其特性进行对比分析。

卷烟的燃烧特点之一是生成大量的烟气，可燃物的燃烧特性和烟气生成情况直接影响着火灾过程中烟气的发生、发展及蔓延过程。因此，要想有效防治烟草仓库火灾、保证人员及货物的安全，必须正确认识烟草的燃烧特性。为此，笔者运用热重分析联用仪等设备对卷烟样品进行热重试验等，为后续卷烟配送仓库火灾特征分析以及灭火系统优化布置奠定基础，为数值试验参数设置提供依据。

1 成品卷烟燃烧特性及其特征分析

1.1 成品卷烟燃烧试验

热重分析法是根据样品重量变化进行分析研究的一类技术，是热分析技术中的重要方法。利用该方法对样品质量、温度、模量、尺寸等物理量进行测量，并获取其与温度的变化情况，最终获取样品的热特性。本部分拟通过选取相应的试验仪器、卷烟样品，设计相应的设计方法，对样品烟丝的关键热失重阶段进行分析，获取各阶段温度、质量变化等情况。

图1 烟草TG和DSC曲线

试验仪器采用德国生产的同步热重分析联用仪(测量范为0～1 650 ℃)，热重分析系统包括记录天平、加热炉、程序控制温度系统、自动记录仪、液氮系统、真空系统、气体保护系统和热天平恒温系统。该仪器可同时得到样品的热重(TG)、差示扫描量热(DSC)和微分热重(DTG)数据。选取仓库中储存数量最多且卷烟特性最具代表性的某一品牌成品卷烟作为实验对象，取其烟丝，实验过程中将烟丝试样放入热分析仪中，通入流量为20 mL/min的N2，设定升温速率为10 ℃/min，实验温度由室温25 ℃升至1 000 ℃，燃烧结束后得到样品的TG/DSC曲线。热重实验获得的烟草样品的TG/DSC曲线见图1。

1.2 卷烟燃烧特征参数测定

着火温度、燃烧特性指数以及燃烧动力学参数等指标是反映物质燃烧的难易程度、衡量物质燃烧特性的重要特征参数。测定获取卷烟燃烧特征参数是进行卷烟仓库火灾发生、蔓延的前提，也是进行数值模拟的重要指标。着火温度可以由TG-DTG曲线分界点法确定[10]。

一般来说，物质的燃烧过程是一个缓慢加热的燃烧过程，烟草的燃烧特性指数可以用式(1)计算：

(1)

式中，Sn为烟草的燃烧特性指数；dw/dτ为燃烧速率；Ti为颗粒温度；Th为样品的燃尽温度。其中，Sn值越大，说明烟草的燃烧性能越好。通过计算求得本实验样品烟丝的修正综合燃烧特性指数Sn。

热分析非等温动力学参数的方法主要有积分法和微分法。本次研究采用Coats-Redfren积分法，这种方法可以用于处理恒定升温速率下的反应动力学，通过整个燃烧过程中转化率与燃烧温度的对应关系来求解活化能值。

某一时刻反应的转化率可由热重曲线及数据得到，即：

(2)

式中：a为某一时间样品转化率；m为某一时间样品的质量；m0为样品失水后的质量；m1为反映结束后样品的质量。

动力学机理函数表达形式如下：

(3)

式中：t为时间；k为反应速率常数；f(a)为动力学机理函数。

由式(2),(3)联立升温速率β=dT/dt可得

(4)

Arrhenius方程表达形式为：

k=Aexp(-E/RT)

(5)

式中：A为频率因子；E为活化能，kJ/mol；R为通用气体常数，R=8.314J/(mol·K)；T为热力学温度，K。

对式(5)等号两边进行积分、取对数处理，设f(a)=(1-a)n得到

(6)

根据上述算法和热重试验结果即可计算样品烟丝的活化能E。

2 卷烟配送仓库火灾数值模拟

依据卷烟配送仓库的特点，构建相应的数值模拟模型，并通过设定合理的网格设置、初始条件，并将上述关键参数等引入，进行仓库火灾的精细数值模拟，对火灾发生过程的火焰、烟气等进行观测，获取火灾火焰蔓延、烟气运动规律，并对其特性进行对比分析。

2.1 数值模拟模型构建

以湖北省烟草公司十堰市公司储备仓库为研究对象构建数值模型，总体布局包括仓储区、分拣区、办公区、数字化仓库控制机房、仓储管理办公室、叉车充电区、分拣人员休息区、门厅和卫生间等9个区域。具体特征如下：仓储库长43.2 m，宽36 m，高10 m，其中包括2个大货架和6个小货架，大货架长18 m，宽27 m，高8 m，大货架间距为3 m，每个货架均由一个个黄松堆积而成。模型中可燃物主要参数设置：烟叶的密度为870 kg/m3，烟叶比热为1.83 kJ/(kg·℃),导热率为0.08 W/(m·℃)。北侧各设置6个仓库大门，大门宽3 m，高3 m。四侧墙上各设置一组窗户，窗户尺寸为:宽4 m，高1 m,距离地面6 m高。平时仓库大门和窗户均处于关闭状态，仓库内设有消防水管、灭火器等灭火设施，有自动水喷淋灭火系统。模型结构见图2。本次模拟研究共设置17个烟感点、8个传感器和29个热电偶，共同监测火灾过程中仓库温度、CO浓度和烟气浓度等的变化特征。

图2 烟草储备仓库数值模拟模型内部结构及区域划分

2.2 网格及边界条件设置

FDS数值模拟以网格作为最小计算单位，网格的划分直接关系到计算结果的准确性。理论上网格划分越精细计算结果越准确，但是实践中由于受到计算机性能和计算时间的制约，不可能将网格无限制的取小，一般是在计算精度与计算机性能间取一个平衡点，在合理的计算方式下获得合理的计算结果[11]。本次模拟采用均一网格，设置网格精度为1 m×1 m×1 m，网格数约为7.2万。初始条件：假定流场的初始状态为静止，仓库内外空气温度均为20 ℃，压力为1个标准大气压。边界条件：墙壁材料和地板、桌子直接调用FDS物性参数数据库中混凝土和黄松的物性参数。本模型通过指定热释放率(Heat Release Rate，HRR)来定义1个10 000 kW，1个5 000 kW，1个3 000 kW，和1个1 000 kW的燃烧火焰。利用热释放率来定义燃烧火焰是在火灾安全工程中描述火焰的一种既简单且通用的做法。

为研究火灾情况下仓库的火势蔓延特征，本次模拟共设置4个燃烧器(火源1～火源4),作为4次火灾场景，分别研究仓库不同区域火灾下，仓库火情的演化特征和逃生路线的能见度和温度变化。设置8个传感器(THCP 01～THCP 08)监测仓库各区域的温度变化特征。燃烧器和传感器布置情况见图2。

3 数值模拟结果分析

针对湖北省烟草公司十堰市公司配送仓库火灾的模拟仿真研究，共设置4个燃烧器，实现不同区域火灾情况下的火情特征和人员疏散仿真模拟。限于篇幅，下文仅对火源1的火情特征做详细阐述。

3.1 火势蔓延规律

数值模拟结果显示，在无排烟措施下火灾发展初期火势比较小，在30 s时还只是局限在火源附近(图3)；30～117 s之间火势开始向其他区域蔓延，火势稳步增大；117～238 s之间火势迅速增大，已经很难控制；238～328 s之间火势继续扩大，逐渐向整个仓库扩散；422 s时发生轰燃现象；422～505 s之间火势继续增大，蔓延至整个仓库。

图3 烟草储备仓库数值模拟的火势动态蔓延过程

3.2 温度变化规律

温度变化针对各传感器(THCP表示)所处位置进行分析，传感器布置方式为沿火源正上方间隔1 m顺序布置。其中，THCP01距火源0.8 m。根据传感器监测的温度变化信息，绘制温度变化曲线(图4)和温度区域变化特征(图5)。通过分析温度变化曲线得出结论：(1)8个传感器显示的温度变化趋势一致，火源燃烧初始阶段，温度迅速升高，达到最大值后平缓波动，温度变化趋于稳定状态。(2)离火源位置越近，温度变化范围越大，最高温度越高。(3)离火源较远的传感器显示的温度变化波动较大，离火源越远的传感器间温度相差较小。

数值模拟结果显示，0～10 s，燃烧器开始燃烧，火源位置温度较高，离火源越远，温度逐渐减小(图5)。而在10～50 s，随着火势逐渐蔓延，仓库内温度逐渐升高，多个区域温度已达500 ℃以上。50～150 s，火势继续蔓延，仓库温度持续增加。150～500 s，火势轰然蔓延至整个仓库，此时仓库温度已超出人的耐受极限。500 s以后，火势达到最大，仓库温度达到最高，随着时间的推移及可燃物的耗尽，火势逐渐减小。

3.3 火灾烟气运动规律

数值模拟结果显示，火灾发生后仓库烟气由火源位置产生，在风流和浮力驱动下向仓储区扩散(图6)。0～6 s为火源燃烧初始阶段，烟气主要聚集在火源周围，向仓储区四周逐渐扩散；6～31 s时，整个仓储区、仓储管理办公室、数字化仓库控制机房和仓储区外通道已被烟气填充，分拣区也已进入大量烟气；31～120 s时，整个仓库已被烟气填充，并且烟气已扩散至仓库以外；随着火势的继续增大，烟气继续扩散，烟气浓度也随之增加。181 s后，烟气继续填充整个仓库，仓库外烟气逐渐扩散，浓度逐渐增大。

图4 数值模拟火灾时烟草储备仓库内各传感器记录的温度变化情况

图5 数值模拟火灾时烟草储备仓库内各区域随时间推移的温度变化特征

图6 数值模拟火灾时烟草储备仓库烟气随时间蔓延规律

3.4 能见度变化特征

可燃物燃烧过程中，在燃烧和热解作用下会伴随有大量的固态或液态微粒产生，这些微粒在外力驱动下会扩散至整个火场，致使火灾现场能见度降低，给人员的快速疏散和火灾的顺利扑救带来严重阻碍。数值模拟结果显示，火灾发生后仓库的仓储区微粒分布最密集，仓储区外通道、仓储区办公室、数字化仓库控制机房以及叉车充电区次之，分拣区微粒分布密度相对较稀疏(图6)。

以火源1为例，仓储区发生火情时，为了研究仓库各区域能见度变化特征，选择A，B，C，D点作为研究对象(图7)。通过分析这4个点的能见度变化特征，可以确定仓库各区域的能见度分布情况，确定各区域的危险性和逃生的可行性。数值模拟的能见度变化曲线见图8。

图7 火灾时烟草储备仓库能见度数值模拟的测点布置

数值模拟结果显示，火灾发生初期，仓库各点能见度大约为30 m，随着火势的蔓延，烟气逐渐填充。大约100 s时刻，靠近火源位置的D点能见度迅速降低，其余各点能见度没有明显变化；火势继续蔓延，250 s时刻，C点能见度骤减；350 s时刻，B点能见度骤减；420 s时刻，A点能见度骤减。各点能见度受通风的影响起伏波动变化，随着时间的推移和火势、烟气的蔓延，能见度逐渐降低并趋于0 m。700 s时刻，逃生路线能见度均趋于0 m(图8)。由此表明，火源位置及附近能见度最低，离火源越远，能见度相对较高。随着可燃物的继续燃烧和火势的继续蔓延，整个仓库能见度随时间的推移逐渐下降，因此，在能见度减低到人员能承受的最小值之前，应完成人员的安全疏散和火灾的扑救工作。

图8 火灾发生后仓库各逃生路线数值模拟的能见度变化曲线

4 灭火系统选择及其优化布置

烟草仓库主要是烟草企业储藏和放置成品卷烟及其他物资的场所或建筑物，不但具有普通仓库火灾事故的特点，其存储物资还具有可燃性、价值高等特点，使火灾造成的后果更为严重、经济损失更为巨大。由于卷烟配送仓库内卷烟等堆放密集，且为易燃物，一旦发生火灾，烟火蔓延速度快。因此，卷烟配送仓库的特点，直接影响着该区域火灾的特点和规律：如建筑物具有跨度长、空间大、易塌陷的特征；烟草具有阴燃、聚热特点；仓库内储存可燃物多，如卷烟属于典型丙类可燃物；此外，卷烟燃烧释放大量烟气，影响逃生、产生毒气等。这些因素的作用特性，直接影响火灾的防治方法以及应急疏散路径等环节。本次研究拟通过调研分析卷烟配送仓库的火灾事故原因，进而探讨相应的防范、应急措施，为火灾的发生以及火灾发生后的处置及救援提供依据。

4.1 卷烟配送仓库灭火系统对比与选型

调研发现，卷烟配送仓库自动灭火系统的选型普遍存在设计漏项、系统类型不适用、造价过高等问题。在保证卷烟配送仓库安全、智能、高效的前提下，如何使自动灭火系统简单、环保、成本最低，是目前亟待解决的问题。为此，笔者拟对比分析常见的仓库灭火系统，如水型(湿式自动喷水灭火系统、干式自动喷水灭火系统等)、干粉型(气溶胶自动灭火系统、超细干粉自动灭火系统等)、气体型(高低压二氧化碳气体灭火系统、七氟丙烷灭火系统等)，进行全面对比分析，并结合卷烟配送仓库火灾特点，优选最佳灭火系统。

4.2 灭火系统布置参数设计与优化

除了灭火系统选型，灭火系统自身组成与设计也是重要的环节。一般而言，自动灭火系统由火灾探测传感器、喷头、管网等部分组成。该系统的设计原则可概述为：安全可靠、经济合理。因此，在保证灭火系统作用面积的同时，应尽量减少喷头数量、简化管道、优化系统，达到节能降耗的目的。

探测传感器、喷头数量选取、布置位置以及管网设计等参数是本部分主要研究内容，也是决定着灭火系统可靠与否、效率高低的重要因素。本次研究结合《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084—2001)，对自动灭火系统的参数进行优化设计。

基于上述因素，在布置灭火喷头时考虑火势的蔓延规律、不同区域的燃烧特征及人员疏散安全通道等因素，结合数值模拟结论，最终确定：(1)灭火系统为顶板下喷头系统和货架内喷头系统(图9)。其中喷头选择标准响应、标准覆盖面积、动作温度为68 ℃的洒水喷头；(2)顶板下喷头系统喷头的布置间距3 m，共布置172个喷头。(3)货架内喷头系统沿各层货架布置，喷头间隔3 m，共布置140个喷头。

图9 烟草储备仓库灭火系统布置方式

4.3 灭火效果评价

火情发生时，自动触发灭火系统进行喷水灭火。灭火系统的选择与布置直接关系灭火效果。因此，通过分析灭火效果对上述灭火系统的选型和布置进行评价对保障安全生产具有重要意义。以火源1为例，从温度、能见度等方面进行灭火前后仓库火情特征的对比分析，进而确定灭火系统选型、布置和灭火效果的合理性和及时性。其中，THCP 01～THCP 08传感器位置与显示的传感器一致，A～D点位置与图8所示的4个点一致。数值模拟结果表明，火灾发生后，随着火势的蔓延，靠近火源位置的传感器温度迅速升高，靠近火源位置区域能见度迅速下降(图10(a))；远离火源位置的区域温度缓慢升高，能见度缓慢降低(图10(b))。随着火势进行到100 s时，靠近火源位置最高温度达240 ℃，能见度降低至13 m。此时，触发灭火系统传感器，洒水喷头开始喷水灭火，整个仓库温度开始降低，能见度开始逐渐增大。靠近火源位置区域温度下降明显，能见度升高迅速；远离火源位置区域温度和能见度变化缓慢。随着灭火系统的持续工作，火势被控制逐渐实现完全灭火，仓库温度和能见度逐渐达到稳定值，仓库平均温度逐渐趋于50 ℃，平均能见度逐渐趋于25 m，此时仓库危险性逐渐降低到最低。上述分析表明，本次模拟灭火系统的选型和布置能达到有效灭火的目的，可指导该仓库实际灭火系统构建。

图10 烟草储备仓库灭火系统的灭火效果

5 火灾紧急疏散逃生

5.1 火灾疏散仿真模拟

卷烟配送仓库一旦发生火灾势必威胁仓库内人员的安全，为实现对突发事件的紧急应对策略，提出开展火灾紧急疏散逃生的模拟仿真研究。通过构建卷烟配送仓库数值模拟模型，提出不同起火位置或不同类型火灾的演变情形，并建立针对性的疏散逃生策略，同时以三维可视化的形式进行仿真模拟。数值模拟结果可以对建筑物模型进行区域分解，并通过不同方法同时看到各楼层指定位置人员的疏散过程及逃生路径。

火灾紧急疏散逃生的模拟仿真表明，疏散开始(t=0 s)时，仓库各区域均有工作人员，且分布零散，此时接到火情，准备疏散(图11)。疏散进行到10 s时，分拣区人员已通过门厅出入口完成疏散，仓储区人员部分人员已疏散至分拣区和仓储区外通道，办公区人员已疏散至门厅口，数字化仓库控制机房、仓储管理办公室和叉车充电区的人员已疏散至走道，准备向分拣区疏散。疏散进行20 s时，除分拣区左侧区域人员正在疏散外，其他区域已经全部完成疏散，仓储区还有大量人员未疏散离开仓储区。疏散进行到30 s时，除仓储区工作人员正在疏散外，其他人员已全部完成疏散，仓储区人员大部分已疏散至分拣区、走道和仓储区入口。疏散进行到38 s时，仓储区人员大部分已成功疏散，其余人员也已疏散离开仓储区至分拣区和走道，准备完成疏散。疏散进行到52 s时，仓库所有人员已全部疏散至安全区域，撤离仓库。

由火灾紧急疏散逃生模拟仿真结果可知，当仓储区发生火情时，整个仓库人员在1 min内能完成全部疏散和撤离火区。分拣区人员最容易疏散，其次是办公区人员，数字化仓库控制机房、仓储管理办公室和叉车充电区人员次之，仓储区人员由于距离门厅出口最远，且人员较多，疏散最困难。

5.2 最优避灾逃生线路确定

仓库火情发生时，人员察觉火情后开始疏散，选择最合适的逃生路线对人员安全撤离火区具有重要意义。逃生路线的选择需考虑疏散时间、疏散路线火情(温度、能见度、CO体积分数)等诸多因素。

图12显示了4条逃生路线，综合路线为火灾发生时，人员沿4条路线分散疏散。笔者对仓库的4条单一路线和4条综合路线进行对比分析。模拟仿真结果表明，沿单一路线逃生，耗时相对较长，主要是由于人员拥挤导致疏散困难。此外，靠近火源位置的逃生路线平均温度较高、能见度较低、CO体积分数较高(表1)。综合表1分析结果可以确定，最佳逃生路线为综合路线，即火灾发生时，人员沿最近的路线分散逃生，分散逃生一方面不会造成人员拥挤，节约时间；另一方面，分散逃生安全系数相对较高。由此也证明了上述模拟仿真逃生结果的准确性和有效性。