基于FDS的火源位置对高压电缆沟道火灾的影响研究_贡颢.pdf

21基于FDS的火源位置对高压电缆沟道火灾的影响研究*贡颢郭耸程洋汤振东（南京理工大学 化学与化工学院，江苏 南京 210018）摘要研究通过 FDS 数值模拟，设计一段两端非封闭的电缆沟道模型，模拟研究了火源位置因素对电缆火灾的火势、烟气蔓延情况和温度变化等的影响规律，并研究了自动喷水灭火系统对火灾的抑制作用。结果表明，电缆沟道火灾发生 5.4 s 后，烟气上升至沟道顶部形成顶棚射流。火灾过程中沟道内最高温度达1 000 左右，1.5 m 高处的温度可达 70。火源位置在高处时火焰蔓延速度更快，火源在底层时烟气流动的雷诺数更大，火源在沟道中间时燃烧更快。研究成果可为高压电缆沟道内的消防安全设计提供合理的技术支撑。关键词高压电缆沟道电缆火灾FDS 模拟消防安全Study on the influence of fire source location on high voltage cable trench fire based on FDSGONG Hao GUO Song CHENG Yang TANG Zhendong（College of chemistry and chemical engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210018，China）AbstractBased on FDS numerical simulation，this study designs a non-closed cable trench model at both ends，simu-lates and studies the law of effect of fire source location factors on cable fire，smoke spread and temperature change，and studies the suppression effect of automatic sprinkler system on fire.The results show that 5.4 s after the cabletrench fire，the smoke rises to the top of the trench and forms a ceiling jet.In the process of fire，the maximum tem-perature in thetrench is about1000，and thetemperatureatthe heightof1.5 mcan reach 70.Whenthe firesourceis located at a high place，the flame spreads faster，and when the fire source is at the bottom，the Reynolds number ofsmoke flow is greater.The combustion is faster，when the fire source is in the middle of the trench.The research find-ings will provide reasonable technical support for the fire safety design in the high-voltage cable trench.Key wordshigh-voltage cable trenchcable fireFDS simulationfire safety0引言我国每年发生的多起火灾中，电气原因造成的占比持续居前，造成的人员伤亡和财产损失数量大。目前我国城市的电力设施正在向地下空间大规模聚集发展，电缆逐步进入地下空间。由于地下空间具有复杂性、隐蔽性、封闭性等特征，如若发生火灾，人员逃生和消防救援都将比地面更加困难。在城市地下综合管廊中，有大量用于运输水电气等能源的管道，其中电缆管道最具危险性，再加上地下空间火灾产生的烟气更易聚集的特点，电缆受热分解放出大量有毒有害烟气，空间内温度高，逃生救援也极为困难。因此有必要对地下空间电缆的火灾蔓延和烟气行为及喷淋设备对其影响开展研究。国内外已有研究人员通过实验和模拟手段对电缆火灾特性机理以及电缆沟道火灾进行了大量研究和分析。杨永斌1研究了点火源位于不同水平和竖直位置情况对电缆火灾的影响，阐述了不同情况下管廊内部火场温度随时间的变化规律，总结了火势在不同电缆层间蔓延的趋势。周彪等2通过FDS 软件对 T 型电缆沟道火灾模拟，得出沟道内烟气运动及温度分布情况。王印3使用数值模拟软件，研究了地下建筑机械排烟与喷淋条件下不同情况的烟气运动行为，并且得出适当的排烟口位置可大大延缓火场内烟气蔓延速度，以延长人员可用安全疏散时间。NUIANZIN O 等4则同时采用了实验方法和数值模拟方法，确定电缆沟道发生火灾时其内部最高温度、局部区域火灾持续时间以及达到最高温度的时间与电缆沟道横截面积、火灾荷载等的关系。尽管目前已有很多针对不同条件下的电缆沟道火灾进行的研究，但所研究的电缆沟道火灾的影响因素比较单一，工况缺乏多样性，很*基金项目：国家自然科学基金（51974166）。2023 年第 49 卷第 2 期February 202322少有研究将多种不同情况的影响进行综合分析，因此具有一定局限性。本文将采用 FDS 数值模拟，依托实际应用场景建立高压电缆沟道模型，在以火源位置为变量的多种不同工况下，着重探讨不同的工况条件对电缆沟道火灾的影响，并设计喷淋系统以探究其对火灾防控的作用。1模拟软件及模型本文采用 FDS（Fire Dynamics Simulation）数值模拟方法，FDS 是由美国国家标准与技术研究院所开发的当今主流的火灾数值模拟工具。研究模型采用以某段 110 kV 电缆线路部分为基础，电缆沟道路径总长度为 465m。所模拟的电缆沟道为长度 15m的纵向敞开非封闭空间，电缆沟道剖面如图 1 所示。电缆采用三相接触品字形布置，三芯刚性固定处间距为 4 m，电缆线模型简化为圆柱体 3 层，从外到内分别为外层护套、绝缘层和铜制电缆芯。电缆外层护套和绝缘层材质均为聚氯乙烯（PVC）。表 1 列出了电缆各层尺寸参数。本模拟中电缆热释放速率峰值设定为 128 kW/m2，达到峰值的时间为 65 s。根据国际标准ISO/16733-1：20155，本模拟将高压电缆沟道内的电缆火灾定义为超快速火，并将火源热释放速率设为 8MW/m2。由于电缆接头处容易诱发火灾事故，因此将火源的长度设为接头处绝缘层的长度，为 0.28 m，火源面积为 0.028 m2。通过公式计算和进行网格独立性测验后，本模拟选择将网格尺寸设为0.1m0.1 m0.1m，总网格数为109，350个。分别在横向 0.5、1.0、1.5、2.0、2.3 m 处和竖向火源处设置温度切片，竖向中心面处设置可见度切片。在火源上方及高度为 0.6、1.0、1.4、1.8m处设置热电偶。热电偶的布置情况如图 2 所示。图 1电缆沟道剖面（单位：mm）表 1电缆各层尺寸参数材质尺寸/mm电缆直径 d98.0电缆芯直径 dc铜30.0绝缘层厚度iPVC29.5护套层厚度sPVC4.5图 2温度数据采集装置设置示意2结果与讨论2.1电缆沟火蔓延特性研究图 3 给出了火源在沟道端部底层工况下火灾的火焰烟气蔓延和温度变化情况。火源中心坐标为（0.67，0.5，0.58），沟道内温度为 20。t=10.8 st=29.7 st=299.7 st=639.9 s图 3电缆沟火势蔓延示意由图可知，火源位置在底层电缆处，开始燃烧后火势逐渐变大，电缆释放出少量烟气，并在火源热羽流作用下，t=5.4s 时烟气上升至沟道顶部。随后，电缆受热分解产生 HCl 等可燃挥发性物质，这些物质被点燃后烟气增多，到达沟道顶部形成顶棚射流，向电缆沟道端口扩散。t=10.8s 时，底层电缆燃烧产生的高温烟气使得第 2 层电缆被点燃，火焰蔓延至第 2层。t=29.7 s 时，第 3 和第 4 层电缆被点燃，且烟气扩散至沟道端口y=15m处，此后顶部烟气层缓缓变23厚，且沟道中部烟气厚度略大于端部。约 80s 后，沟道内烟气厚度已到达 1.5m高处，给人员逃生增加困难。约 220s 后沟道中部烟气逐渐变厚，紊流逐渐加剧。至 t=299.7s 时，最顶层的电缆表面出现火焰，此时右侧的 6 层电缆已全部被点燃。约 330 s 后火焰开始向水平方向蔓延，火势持续增大。图 4 给出了电缆沟道火灾温度的变化情况。电缆火灾初期，电缆点燃后所释放的烟气上升至沟道顶部，t=30.6s 时，烟气扩散至沟道端部，此时火源附近的电缆温度快速升高至 400，随后，火源持续燃烧，沟道内的温度也持续上升。600s 后，火源附近最高温度可达 1000左右。约 800s 后，沟道内 1.5m高处的温度达到 70，人体长期处在此温度下将会烫伤。燃烧过程中，火源上方的 12 层电缆附近温度最高，水平方向上距离火源越远，温度越低。由上图可知，电缆沟道内的温度变化主要影响因素为火焰与烟气范围。t=30.6 st=450.0 st=900.0 s图 4x=0 m 处温度云图2.2火源位置对火灾的影响研究设计了 5 种工况分析不同火源位置对高压电缆沟道火灾的影响。具体参数如表 2。表 2不同火源位置工况参数方案序号火源位置所在层数火源中心坐标温度/A0沟道端部第 1 层(0.67,0.5,0.58)20B1沟道端部第 3 层(0.67,0.5,1.28)20B2沟道中部第 1 层(0.67,7.5,0.58)20B3沟道中部第 3 层(0.67,7.5,1.28)20B4沟道中部第 6 层(0.67,7.5,2.28)20表 3 列出了 5 种不同火源位置工况的火势蔓延位置时间对比。表 4 列出了 5 种不同火源位置工况的烟气蔓延情况对比。图 5 为 5 种不同火源位置工况在 t=900s 时的烟气蔓延情况。由对比可发现，火源位置在高处燃烧时，产生的烟气大部分集中在火源到顶层的位置，且 900s内烟气高度未低于 1.5m，但高温烟气聚集导致上层电缆温度更高，火焰蔓延速度更快。火源靠近底层时，产生的烟气多，同时烟气流动的雷诺数大，紊流现象剧烈。火源在沟道两端时，火源附近只有一侧有电缆，而火源在沟道中间时，火源两侧皆有电缆，可燃物更多，因而火源在沟道中间时火势范围更大、燃烧更快、产生烟气更多。火源位于沟道中间的最底层电缆时，产生的烟气最多，运动最快，t=127.8 s 时烟气高度在 1.5 m，人员难以逃生。表 3不同火源位置工况的火势蔓延时间s火势蔓延位置A0B1B2B3B4第 2 层电缆10.810.8第 3 层电缆29.70.020.70.0第 4 层电缆30.610.8137.710.8第 5 层电缆234.918.0313.218.0357.3第 6 层电缆299.723.4379.821.60.0向水平方向蔓延330.0240.0430.0220.05.0表 4不同火源位置工况的烟气蔓延对比sA0B1B2B3B4烟气上升至沟道顶部时刻5.44.55.44.50.9烟气扩散至沟道两端时刻30.631.519.820.723.4烟气高度达1.5m 所需时间347.4423.9127.8639.9未达到A0B1B2B3B4图 5不同火源位置工况 t=900 s 时烟气蔓延对比24图6为各个工况火源处不同高度的温度变化图。（a）A0 工况火源处不同高度温度变化（b）B1 工况火源处不同高度温度变化（c）B2 工况火源处不同高度温度变化（d）B3 工况火源处不同高度温度变化（e）B4 工况火源处不同高度温度变化图 6各工况火源处不同高度温度变化由对比可发现，火源下方由于没有烟气聚集，温度很低，基本保持不变。而火源处并非温度最高处，由于火焰和烟气的作用，温度最高处出现在火源上方 12 层电缆处。因此，竖直方向上，火源在底层时比在中部时高温范围广，火源在顶层时，高温范围只集中在最上层电缆附近。2.3自动喷水灭火系统对火灾的影响鉴于电缆沟道火灾的高危险性，我国电力部行业标准DL/T52212005 城市电力电缆线路设计技术规定6中规定，在电缆进出线特别集中的沟道中，可加设湿式自动喷水灭火、水喷雾灭火或气体灭火等固定灭火装置。本文设计了该电缆模型的自动喷水灭火系统。以A0工况为基础，研究在电缆模型上设置自喷系统对减小火灾危害的有效性，结果见图7图9。根据国家标准 GB 500842017 自动喷水灭火系统设计规范7，喷水强度设为 16L/（minm2），作用面积为 240m2。从 y=0.5m 起，每隔 3m 设置一喷头，喷头活化温度为 68。表 5 列出了有自动喷水灭火系统作用时与无自动喷水灭火系统的 A0 工况火灾情况对比，图 10 和图 11 分别为有无自动喷水灭火系统作用的热释放速率对比图和火源上方 0.1m 处的温度对比图。模拟结果分析如下：t=27.9 st=28.8 st=38.7 st=563.4 s图 7有自动喷水灭火系统作用时的火势蔓延示意t=27.9 st=28.8 st=40.5 st=80.1 s图 8有自动喷水灭火系统作用时的烟气扩散示意25图9有自动喷水灭火系统作用的火源处y=0.5m温度云图表 5有自动喷水灭火系统作用的火灾情况对比对比情况有自喷系统无自喷系统（A0）第3层电缆点燃的时间25.2 s25.2 s顶层电缆是否引燃否是100 s 后沟道顶部烟气最高温度20 864 火源附近最高温度260 1 040 图 10有无喷淋系统作用的热释放速率对比图 11有无喷淋系统作用火源上方温度对比由此可知，沟道内设置自动喷水灭火系统后，火灾燃烧至第 5 层电缆，不再向上蔓延，且 600 s 内火焰未出现水平蔓延现象，证明灭火系统有效阻止了火势蔓延。当有自动喷水灭火系统作用时，热释放速率始终控制在 300 kW 以下，火源上方温度由 350快速降低，随后保持在 220左右，由此可见自喷系统对电缆沟道火灾的抑制作用是有效的。3结论本文通过设置模型网格、测温点和温度切片等参数，设计了一段两端非封闭的电缆沟道模型。通过改变火源位置，设计多种工况进行火灾数值模拟研究。分析了火源位置对高压电缆沟道火灾的火势蔓延情况、烟气扩散运动及温度变化的影响，并研究了自动喷水灭火系统对火灾影响，得到如下结论：1）电缆沟道发生火灾时，t=5.4 s 时烟气上升至沟道顶部，形成顶棚射流。在 30.6s 内火源附近温度极快升高至 400，随后持续上升。火焰和大量烟气使 600s 后，沟道内最高温度达 1000左右。800s 后，沟道内 1.5 m 高处的温度达 70。2）火源位置在高处时，火焰蔓延的速度最快；火源在底层，烟气运动紊流现象明显，烟气高度达 1.5m所需时间更短；火源在沟道中间比在两端时，火焰蔓延更快，产生烟气更多。3）设置自动喷水灭火系统后，火焰未出现水平蔓延现象，且沟道顶部烟气最高温度降至 20，火源附近温度保持在 220 左右。参考文献1 杨永斌 火源位置对城市地下综合管廊电力舱火灾蔓延的影响研究 J 武警学院学报，2018，34（2）：14-192 周彪，江记记，白亚楠 基于FDS的T型电缆隧道火灾探究 J 消防科学与技术，2008（7）：502-5053 王印.复杂地下空间火灾安全数值模拟分析研究 D.上海：上海应用技术大学，2020.4 NUIANZIN O，SIDNEI S，ZAYIKA P，et al.Determiningthe dependence of fire parameters in a cable tunnel on itscharacteristics J.IOP Conference Series：Materials Sci-ence and Engineering，2021，1021（1）：12-23.5 Fire Safety Engineering.ISO 16733-1：2015，Selection ofdesign fire scenarios and design fires Part 1：Selectionof design fire scenariosS.Switzerland：InternationalStandards Organization，2015.6电力规划设计总院 城市电力电缆线路设计技术规定：DL/T 52212016 S 北京：中国计划出版社，2016.7 中华人民共和国住房和城乡建设部 自动喷水灭火系统设计规范：GB500842017 S 北京：中国计划出版社，2017作者简介贡颢（1999），男，硕士，研究方向为热分析与灾害防治。E-mail：。（收稿日期：2022-01-28）