T型综合管廊电缆舱的火灾烟气蔓延规律

2023-02-02肖峻峰代长青尹诗元胡涛涛

湖北理工学院学报 2023年1期

胡楠，肖峻峰，代长青，尹诗元，胡涛涛

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601)

地下综合管廊中铺设了水、电、气、通信等各种管道和缆线，是城市公共服务的地下隧道，也是现代城市的生命通道。管廊内电缆埋设数量多，极易发生过载、短路、老化、接触不良等问题，甚至使电缆舱室发生火灾[1-3]。电缆燃烧产生的大量烟气加大了火灾救援和抢险维修工作的难度[4]。因此，开展电缆舱室内火灾烟气蔓延规律的研究具有重要的意义。Li等[5]利用PyroSim软件对电弧放电引发的电缆火灾进行了三维模型计算。Martinka等[6]评估了电缆之间的间距和电缆下层材料的导热系数对火灾风险的影响。Tewarson等[7]开创了一种新的电缆火灾传播范围测试标准，制订了不可燃的工业和商业场所中组合电缆的防火指南。Huang等[8]在不同电缆布置方式下进行了火灾实验，提出了垂直电缆火灾射流温度的预测模型。

以上研究大多侧重于相对简单的常规综合管廊，关于特殊结构综合管廊的研究较少。因此，本文利用PyroSim软件建立T型综合管廊模型，研究进风口、排风口及火源位置对管廊火灾前期能见度、温度、CO浓度的影响，以期为优化综合管廊消防设计提供参考。

1 T型综合管廊电缆舱火灾模型

以合肥市高新区某地下T型综合管廊电缆舱为例，利用PyroSim软件建立全尺寸模型，X方向长200 m，Y方向长100 m，连接部位为90°，截面尺寸为3.2 m×3.6 m(宽×高)。电缆舱室采用双侧布置，左右两侧各布置6层10 kV电缆，电缆各层次的间距为0.4 m，底层电缆距地面净距为0.18 m，共设有A，B，C三个端口。电缆舱模型如图1所示。

图1 电缆舱模型

网格尺寸是FDS需要设置的重要参数，一般取特征火焰直径的1/16～1/4较为合适。通过网格敏感性分析验证得出，本模型的网格尺寸设置为0.2 m×0.2 m×0.2 m，沿X,Y方向划分为2部分，网格总数为432 000。

火源尺寸设置为1m×1m，共4个位置，位置1处于Y方向中部中心处，位置2处于X方向靠近A端口50 m处，位置3处于横纵交叉口处，位置4处于X方向靠近B端口50 m处(如图1)。本文设置模拟时间为600 s，约在253 s时火源的热释放速率达到最大值。

综合管廊电缆舱室采用自然进风与机械排风相结合的通风方式，管廊通风口处的出风风速不宜大于5 m/s。在3个端口顶部中间处设置面积为1 m2的进、排风口，风口中心点坐标分别为(100,1.6,3.1)(-100,1.6,3.1)(0，103.2,3.1)，风速为3 m/s。

设置环境温度为20 ℃，相对湿度为40%，环境压力为101.325 kPa，最大能见度为30 m，边界条件为混凝土。

2 模拟工况设置

在管廊宽度中心线上高度为0.6 m处至顶棚布置温度、CO浓度和能见度监测点，并沿管廊长度方向每隔10 m展开布置。研究火源位置和通风方式对T型管廊电缆舱火灾的影响，工况明细见表1。

表1 工况明细

3 模拟结果分析

3.1 火源位置对管廊内温度的影响

t=300 s，沿管廊X方向1.8 m高度处，分别对4种通风方案下管廊内的温度变化进行模拟分析。不同火源位置下管廊内的温度变化如图2所示。从图2可以看出，在a通风方案下，3种工况管廊内的温度变化趋势较为相似。工况1下的最高温度出现在管廊交叉口处，达到60 ℃，是由于交叉口处温度聚集造成的。但是，其左右温度下降都很快，原因是C排风口起到了及时降温的作用。工况2下的最高温度出现在沿管廊纵向长度A到B 50 m处，达到200 ℃以上，靠近A端口温度虽有所下降，但火灾危险性仍较大，B端口相较于A端口火灾危险性较小。对比工况1和3可以看出，火源位置距离交叉口处越近，火灾危险性越大，交叉口处温度高达176 ℃。

(a) a通风方案 (b) b通风方案 (c) c通风方案 (d) d通风方案图2 不同火源位置下管廊内的温度变化

在b通风方案下， 4种工况沿管廊X方向的温度变化形态较为相似，均在火源位置处达到最高温度。工况6的最高温度高于工况4，低于工况5和7，主要原因是C进风口补入了新鲜空气使温度下降；而工况5的最高温度达到194 ℃，高于工况7，是因为B排风口的排风使温度下降。从这3种工况下的温度下降速率可以看出，离排风口越近，温度下降越快。

在c通风方案下，3种工况沿管廊X方向的温度变化趋势相似。火源处于位置2时达到的温度最高。火源处于位置1时的最高温度是在纵横向交叉口处，约50 ℃左右，左右两边急速下降。这是由于C进风口及时补入新鲜空气，经过空气融合快速降温。对比工况8和10可以发现，在c通风方案下，火源位置距离横纵交叉口处越近，火灾危险性越大。

在d通风方案下，4种工况沿管廊X方向的温度变化趋势较为一致，火源处于位置2时的温度最高。对比工况12,13,14可以看出，工况13的最高温度要低于另外2种工况。这是由于C排风口及时排风起到降温的作用。工况13与工况14的温度差并不大(不超过20 ℃)，是因为B进风口补入新鲜空气，降低了温度差。对比工况11和工况13可知，火源位置离横纵交叉口越近，越易造成温度集中，火灾危险性越大。

3.2 火源位置对管廊内CO浓度的影响

在横纵交叉口1.8 m高度处，分别对4种通风方案下管廊内的CO浓度变化进行模拟分析。不同火源位置下管廊内的CO浓度变化如图3所示。从图3可以看出，a通风方案下，工况1管廊内的CO浓度增长趋势较为缓慢，从150 s开始增长，600 s时达到最大值390 mg/L。这是由于火源位置靠近C排风口，能排出一定量的CO，而A，B进风口补入的空气又起到一定的助燃作用。工况2的CO浓度增长速度比工况1要快得多，开始增长的时间也有所提前。这是因为火源位置距A进风口较近，A进风口的补风使CO随空气向前流动聚集在交叉口处。工况3的CO浓度增长速率最快，是因为火源位置处于交叉口处，离进、排风口都有一定的距离，故前期CO浓度增长迅速。对比工况1和3可知，火源距离交叉口越近，火灾救援工作越不易展开。对比工况2和3可知，火源距离A进风口越远，越有利于开展前期救援工作。

在b通风方案下，当火源处于交叉口处时，CO浓度增长开始的最早，且增长速率最大；火源处于位置1和位置2时，CO浓度开始增长的时间和增长速率接近；当火源处于位置4时，CO浓度增长时间和增长速率变化最为缓慢。分析原因可知，火源处于交叉口时，物质燃烧使CO持续增长，且交叉口处烟气容易聚集；火源处于位置1和3时，离交叉口的距离是一样的，且A，C端设有进风口，所以增长速率接近；当火源处于位置4时，虽然B端口能排出烟气，但烟气碰到障碍物有回流现象，所以在交叉口处CO缓慢增加。

在c通风方案下，3种工况CO浓度变化趋势较为一致。其中，工况9开始增长的时间最为缓慢，是因为此时火源距离A排风口位置最近。对比工况9和10可以发现，距离排风口越远CO浓度越大，并在交叉口处易产生聚集。对比工况8和10，工况8的增长速率比工况10快，是因为C进风口补入空气使得CO随空气向交叉口处蔓延。因此，在c通风方案下，火源处于交叉口处是非常危险的。

在d通风方案下，4种工况的CO浓度变化趋势较为相似，都是前期增长、后期缓慢降低。当火源处于交叉口处时，CO浓度增长趋势最大；当火源处于位置4时，距离B进风口较近，CO逐步蔓延至管廊交叉口处；当火源处于位置1和2时，CO浓度增长趋势相当，开始增长的时间也比其他2种工况迟，是因为火源位置1和2与A和C端排风口的距离是一样的，排风口及时排风稀释了CO浓度。

3.3 火源位置对管廊内能见度的影响

t=300 s，X=0 m，Y=1.6 m时，分别对a和b通风方案下管廊内能见度的变化进行模拟分析。不同火源位置下管廊内能见度切片如图4所示。从图4可以看出，a通风方案下3种工况的能见度都出现明显的分层，火源上方能见度最早开始下降。工况1下的烟气涌向排风口，致使排风口附近能见度在6 m左右，其余工况中层能见度约为21 m，下层能见度保持在30 m范围内。其中，管廊交叉口处能见度最小(<3 m)，是因为烟气在交叉口处形成了聚集。对比3种工况可以看出，当火源处于交叉口处时，工况3下的整体能见度都出现了分层。这是因为火源处于交叉口，与进、排风口有一定的距离，空气流动较快。b通风方案下管廊内能见度出现明显的分层。对比工况4和6，可以发现烟气产生了回流。分析原因可知，火源处于位置1时高温烟气与空气混合作用强烈，靠近C进风口上层能见度为7 m左右；火源处于位置3时距离进风口较远，烟气与空气混合作用没有工况4强烈，因而能见度较工况4要高。对比工况5，6，7可以发现，当火源处于位置4时，能见度维持在30 m范围的区间最大，是因为火源靠近B排风口烟气被及时排走，而火源处于交叉口时，烟气逸散的路径宽广使得整体能见度最低。

(a) a方案,X=0 m (b) a方案,Y=1.6 m (c) b方案,X=0 m (d) b方案,Y=1.6 m图4 不同火源位置下管廊内能见度切片

t=300 s，分别对c和d通风方案下管廊内的烟气分布进行模拟分析。不同火源位置下管廊内的烟气分布如图5和图6所示。从图5和图6可以看出，c通风方案下烟气最早出现在火源附近，烟气向上运动触碰到顶棚后开始扩散与空气混合，一部分向前运动，一部分形成回流。随着上层烟气层厚度加大，烟气层出现沉降。d通风方案下管廊内一部分烟气受到火风压的作用出现了向火源上游逆流的现象，另一部分朝着排风口的方向蔓延并出现分层。通过对比发现，在c通风方案下，火源处于位置2时，管廊内相对安全的区域最大；在d通风方案下，火源处于位置1时，烟气蔓延的速度较慢，相对安全的区域最大。