基于FDS的电点火器件制造车间火灾危险性研究

许 彬，郭 耸，范 鑫，汤振东，贡 颢

(1.上海市徐汇区消防救援支队，上海 200030；2.南京理工大学化学与化工学院，江苏 南京 210094)

当前，以电点火器件为代表的民用爆炸物品(即简称民爆产品)已成为我国国民经济发展建设的基础性产品，其在矿山、建筑工业、能源工业、交通建设、地质勘探等行业得到了广泛的应用。由于民爆产品自身具有极高的危险性，其在足够热量刺激下极易发生火灾爆炸，一旦意外释放将会造成难以挽回的损失。据统计，“十二五”期间我国民爆行业共发生安全事故7起，造成64人死亡。因此，研究如何保障民爆产品的安全性，尤其是高温作用下的热安全性，显得尤为重要。目前，国内外学者对民爆产品及其制造车间火灾风险开展了大量的研究工作。如王力争[1]通过对我国民爆行业安全监管和管理现状进行调研分析，发现我国民爆行业安全管理的研究仅停留在安全评价、危险性评估等方面，而利用数值模拟手段对民爆场所火灾危险性的研究较少，但数值模拟手段已广泛应用于各种火灾灾害的研究中；王凌云[2]利用ANSYS/LS-DYNA对储存库周围防护屏障抵消爆炸冲击波的作用进行了模拟研究，从而验证了设置安全防护技术屏障的必要意义；聂起峰[3]对民用爆炸物品安全生产风险评价方法进行了研究，通过对民爆物品和安全生产各环节进行客观分析，较好地评估了民爆产品安全生产的风险大小；李松元等[4]分析了民爆行业近十年发生的安全生产事故原因，并采用集值迭代法与层次分析法构建了安全管理改进体系，对民爆生产企业安全管理效果进行了评级分析；陈宁等[5]根据雨淋消防系统的灭火机理，并针对其存在的问题，提出了可有效提高雨淋消防系统在民爆工厂火灾事故中作用的方法；高娜娜等[6]研究了典型民用爆炸物品所产生的火灾应急救援措施，将民用爆炸物品火灾事故发生因素分为内因、外因两种因素，一是外因起火，最常见的有车辆交通事故、发动机着火、油箱着火、爆胎着火、车轮毂与护栏等摩擦发火、人为带进火种等，二是内因起火，主要为因药剂自身不稳定受到环境温度升高、通风不畅等影响而发火。FDS是以大涡模拟(LES)为基础的三维计算流体动力学软件，可以模拟火灾湍流流动过程，在火灾科学领域已得到广泛的应用[7]。如邹馨捷等[8]使用基于FDS模拟的Pyrosim软件计算了高校发生火灾时安全出口处可见度和温度等的变化规律；陈立林等[9]通过FDS软件分析了典型地铁车站不同场景下发生火灾时的烟气蔓延过程,建立了最有可能出现的危险场景人员疏散模型；Hostikka等[10]采用FDS软件的蒸发模型对直径为0.1～1 m的燃气和甲醇池火蔓延情况进行模拟，发现可体现出尺度效应，但预测值和实验值差别较大，而采用给定燃烧速率进行模拟得到的预测值与实验值符合较好；McGrattan等[11]利用FDS软件对室内火灾蔓延情况进行模拟，发现只有网格尺寸设置足够精确才可准确地模拟室内火灾的蔓延规律;Liew等[12]的研究认为当网格尺寸设置适当时，不仅能提高计算结果的精确度，而且能缩短计算时间，提高了计算效率。

归纳已有研究发现，未见结合具体实际场所案例定量计算模拟电引火元件制造车间火灾影响的研究文献。因此，本文运用火灾动力学模拟软件FDS，对某民爆产品生产企业的电点火器件制造车间进行了数值模拟研究，分析了其烟气流动以及火灾产生的高温热辐射对制造车间内其他易燃易爆物质的影响，并在此基础上辨识火灾发生后的危险地点和相对安全的人员逃生路线。

1 建模与参数设置

1. 1 电点火器件制造车间的建模

本次以某民爆产品生产企业的电点火器件制造车间为原型建立1∶1模型，该模型中，制造车间为单层建筑，总长91 m、宽26.5 m、高5.04 m，共有17个房间，其中4个房间存储电点火器件，右侧为电点火器件暂存间，左侧为电点火器件制造、干燥工位，中间区域为电点火器件脚线对焊工位。此外，制造车间内分布有多个电点火器件制作工位，在正常工作时也会存放少量易燃易爆物质。所建模型如图1所示。

图1 某民爆产品生产企业电点火器件制造车间模型图

1. 2 条件设置

根据公式Q=Φ·m·ΔH计算电点火器件的热释放速率[其中，Φ为燃烧热效率因子，由试验测得该民爆产品燃烧时发烟量低、残留物少，故认为其燃烧热效率较高，因此Φ取0.85；m为电点火器件的燃烧速率(g/s),由试验测得该种电点火器件的燃烧速率m约为496 g/s[13]；ΔH为电点火器件的热值(kJ/g)，该电点火器件热值ΔH取10 kJ/g[14]]。经计算，该电点火器件的热释放速率Q为4 216 kJ/s。通常，当网格尺寸约为0.1D或0.2D时(D为火源特征直径)，使用FDS软件能取得较好的火灾模拟效果。采用计算公式计算得到本条件下火源特征直径D为1.658 m，考虑到建模的准确性，网格尺寸应尽量是1的因数，因此设置网格尺寸为0.25 m×0.25 m×0.25 m。

假设制造车间内部及其周围环境温度为20℃，火源热释放速率模型选用非稳态t2模型[15]，电点火器件的燃烧属于极快型燃烧，火灾发展时间t为150 s。在着火房间、走廊以及逃生地点共布置20个热电偶(以THCP加编号表示)用于测温，主要布置在每个出入口和工位处，布置高度均为1.6 m，具体位置如图2所示；此外，因为CO浓度对人员逃生有着至关重要的影响，所以在通道出入口布置了13个CO浓度探测器(以CO加编号表示)，布置高度均为1.6 m，具体位置如图3所示。

在高度为1 m、1.6 m、 2.5 m、5 m的z平面上设置了探测火灾温度、能见度、热释放速率、CO浓度以及烟气速度矢量的2D切片用于结果显示。

图2 某民爆产品生产企业电点火器件制造车间内热电偶位置分布图

图3 某民爆产品生产企业电点火器件制造车间内CO浓度探测器位置分布图

2 模拟结果与分析

在电点火器件制造车间内，出入口是火灾条件下每位员工都必须经过的位置，因此当火源位于出入口时将会直接限制人员的安全疏散，并对可用安全疏散时间也会产生直接的影响，是火灾危险点。基于该火灾危险点，本文将重点分析有风和无风两种条件下人员可用的安全疏散路径。

2. 1 无风条件下火灾蔓延趋势和逃生路径分析

无风条件下电点火器件制造车间内1 m高处火灾蔓延过程中的温度切片云图,以及1.6 m高处各测点温度和5 m高处各测点CO浓度随时间的变化曲线，见图4、图5和图6。

图4 无风条件下电点火器件制造车间内1 m高处火灾 蔓延过程中的温度切片云图

图5 无风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处 各测点温度随时间的变化曲线

图6 无风条件下电点火器件制造车间内5 m高处 各测点CO浓度随时间的变化曲线

由图4至图6可知：0 s时电点器件制造车间内1.6 m高处的温度全部处于室温20℃，在之后的几秒内，因为右侧车间内的电点火器件受热而起火；当时间达到60 s时，起火房间内整体温度已达到400℃以上，热电偶THCP10和THCP11两个测点的温度明显增大，但由于墙壁阻隔效应，因此仅在门口位置局部有小范围高温区出现，这表明火焰即将通过门蔓延出起火房间，传播到车间其他部位；当时间继续增至90 s时，发现在30 s的时间范围内火焰就蔓延至整个车间区域，整个车间内温度普遍达到400℃以上，且热电偶THCP02、THCP07、THCP10和THCP11测点为代表的局部区域温度已高达900℃，尤其在起火房间外部区域，以及车间1/2处区域，这是因为起火房间外部高温区主要是由于火焰经过起火房间的整体燃烧产生大量的可燃气体的影响，受到房间限制短时间无法外逸，一旦火焰作用下房门处形成传播出口，可燃气体会迅速扩散至起火房间外部区域，并与外部空气充分混合，形成猛烈燃烧，同时由于高处区域内各工位存放有少量电点火器件，高温作用下一并燃烧，进而形成900℃以上高温，而车间1/2处的高温区更多来源于区域内工位上电点火器件的作用以及传播通道变窄的影响，使得可燃气体局部浓度更高，有利于局部猛烈燃烧；当时间达到150 s后，热电偶THCP12、THCP13、THCP14测点长时间持续高温，高温火焰区在局部窄通道内得以持续蔓延；当时间达到200 s时，随着火灾的进行高温区主要集中在车间的门窗入口处，这是因为随着燃烧时间的增加车间内空气浓度下降，混合气体的燃烧逐步趋近于其燃烧上限，造成燃烧不充分，而门窗入口处由于外部空气的卷吸补充，可燃气体可以与其更充分地混合，该区域得以继续维持高温，各门窗入口测点处存在高温峰或高温平台充分说明了这种现象；通过观察CO浓度随时间的变化曲线可以发现，多数CO浓度测点处该曲线存在一个“凹陷”区，且随着时间的增长“凹陷”区由车间的右侧起火房间处逐步向左侧推进，这可以理解为充分燃烧区域的推进过程，而通过与温度切片云图对照可以看出，充分燃烧高温区逐步向左侧推进的过程完全可以对应CO浓度“凹陷”区的移动过程；当时间达到300 s时，燃烧逐步结束，车间内温度逐步下降。

此外，从图4温度图像可以看出：前60 s时，制造车间内整体温度基本正常，只有车间右侧起火点位置温度上升，因此车间右侧的逃生通道不是优选，会有潜在危险；在110 s左右，车间大部分位置达到最高温度，此时车间右侧整体被高温覆盖；当时间为90 s、150 s时，车间下侧和右侧的温度明显居高，所以逃生路径应该选择车间左侧或上侧。

无风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处火灾蔓延过程中的能见度切片云图，见图7。

图7 无风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处 火灾蔓延过程中的能见度切片云图

由图7可以看出：在90 s到120 s之间，制造车间内的能见度迅速降低，因此最佳的逃生时间应该是前120 s；从60 s和90 s能见度图像可看出，车间左侧出入口②、③处能见度较高，这是由于其处于隔间中，烟气扩散速度较慢，但房屋外侧能见度迅速降低，同时车间能见度上方出入口①处能见度也较高，但因为车间左侧出入口处均为隔间，工作人员通过其逃出需要经过多个内门，所以在无风条件下电点火器制造车间内起火发生火灾时工房上方出入口①处为最佳逃生出口。

2. 2 有风条件下火灾蔓延趋势和逃生路径分析

有风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处各测点温度和5 m高处各测点CO浓度随时间的变化曲线，见图8和图9。

由图8可以看出：有风条件下电点火器件制造车间内各测点的温度变化趋势和规律与无风条件下基本一致，说明有风条件下的火灾蔓延趋势与无风条件下大体一致，但在风速的影响下，各测点到达最高温度的时间明显提前，仅需50 s左右温度就会达到400℃，员工就会出现危险，说明风的影响加速了火灾的蔓延。人体一般可以承受的CO浓度临界值为0.003 75 kg/m3，由图9可知：除去特殊民爆产品工作点因为产品燃烧产生的CO急速堆积后造成CO浓度上升外，其他测点CO浓度需要100 s才可达到临界值，所以在设计逃生路线时主要参考温度。

有风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处火灾蔓延过程中的火灾单位体积热释放速率切片云图，见图10。

由图10可以看出：车间上方②、③、④和下方③、④出入口处火灾单位体积热释放速率明显过高，导致热辐射高，因而这些位置不适合作为逃生路径。

图8 有风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处各 测点温度随时间的变化曲线

图10 有风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处火灾 蔓延过程中的火灾单位体积热释放速率切片云图

故本文结合能见度切片云图确定最佳的逃生路径。有风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处火灾蔓延过程中的能见度切片云图，见图11。

图11 有风条件下电点火器件制造车间内1.6 m高处 火灾蔓延过程中的能见度切片云图

由图11可以看出：制造车间内能见度因为火灾迅速发展而几乎为零，因此只能通过25 s能见度切片云图来确定最佳的逃生路径。火灾发生25 s时，车间左侧②、③出入口处于隔间中，火灾烟气扩散速度较慢，所以能见度较高，车间上方①出入口处能见度也较高，但因为车间左侧出入口均为隔间，工作人员通过其逃出会经过多个内门，而车间上方①出入口处因为有风原因，火灾单位体积热释放速率高于车间左侧，所以工作人员应该从车间上方①出入口处和车间左侧出入口处分散逃生，且应快速逃离。

3 结 论

本文运用火灾动力学软件FDS，针对局部空间电点火器件制造车间内在有、无风条件下火灾烟气的蔓延情况进行了数值模拟研究，得出以下结论：

(1)电点火器制造车间内发生火灾时人员逃生时间因有、无风条件而有所差别，具体在25 s至50 s时间范围以内。

(2)当风速越大时，火灾烟气扩散速度越快，维持CO浓度峰值的时间越短；有风时火灾燃烧速度明显提高，火灾烟气产生和扩散速度也增加，工作人员受到的危险性增大，对人员逃离速度的要求更高。

(3)有、无风条件对电点火器制造车间内发生火灾时人员逃离路线有一定的影响，这是因为有风条件下的空气对流会导致火灾烟气蔓延方向和扩散速度发生一定的改变，因此在有、无风条件下发生火灾时人员应该选择不同的逃生路线。