管廊电缆火灾CO浓度分布规律研究

刘钟薇

摘要：利用FDS软件，对管廊发生火灾时隧道中线纵断面上不同高度处的CO浓度分布和隧道横截面上的CO浓度分布进行了三维数值模拟，研究分析了火灾时烟气浓度的变化规律，得到了以下结论：管廊电缆火灾中，CO浓度分布与管廊通风系统开启情况有关。当通风系统未开启，电缆着火向两端蔓延时，CO浓度逐渐下降，且随着时间积累，CO浓度逐渐增多；当通风系统开启，CO迅速向下风向扩散，积累量逐渐增高，上风向CO浓度逐渐降低。管廊电缆火灾蔓延时，CO浓度并最高处不在火源正上方，而位于正上方两侧，这是由于烟气蔓延过程中发生了水跃现象，CO浓度最高点在火源两侧。

关键词：管廊电缆；CO浓度；分布规律

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.094

综合管廊是指安置多种市政管廊的地下建筑，英文名为“utility tunnel”，翻译为地下管道综合走廊。在日本，综合管廊被称为共同沟，在台湾则被称为共同管道，而根据我国规范，则应称为综合管廊。虽然综合管廊名称多样，但其本质均是指收容两种以上市政管廊的高效利用地下空间的现代化构筑物。国内建设的综合管廊工程中，在综合管廊内敷设的管线主要有电力电缆、通信光缆、上水管道、中水管道以及热力管道等市政管线设施，此外还有部分自用的缆线设施。从综合管廊内纳入的管线种类可以看出，在综合管廊内的各种管线中，主要是电力线路具有自身起火的可能性。管廊电缆火灾中，CO以其产生量大和所具有的毒性，对检修人员的安全构成了严重的威胁。本文以某综合管廊为对象，利用CFD软件FDS，对管廊发生火灾时隧道中线纵断面上不同高度处的CO浓度分布和隧道横截面上的CO浓度分布进行了三维数值模拟 ，研究分析了火灾时烟气浓度的变化规律。

1管廊介绍

电缆隧道数值模拟模型截断面如图2所示，模型尺寸长1200 m，宽5.4 m，高2.4 m。隧道内部有16根电缆，长度与隧道长度相等，截面包含两种尺寸，分别设为A类：截面为0.4 m×0.4 m；B类：截面为0.3 m×0.3 m。电缆截面如图1所示。

2火源设置

模型火源设置为一表面热源，火源按照固体热解模型设置，表面温度为3000 oC，模擬过程中点火源存在900 s，其尺寸为长1m，宽0.8m，位置设在隧道中心处。防火区间划分主要以火源中心为参照，分别向两边设置间距为500m三种长度类型的防火区间，如图2所示。每个防火区间以防火墙隔开，防火墙上有两个等尺寸的防火门，防火门尺寸为高1.7 m，宽0.9 m。

3模型重要参数说明

如表1所示，本项目电缆采用铜芯橡胶绝缘电缆线，按照铜：塑料=6：4进行电缆材料配比。铜的密度为8940 kg/m3，比热容为0.38 KJ/（kg·K），热导率为387 W/（m·K）；塑料的着火点为330℃，密度为1500 kg/m3，比热容为1.5 KJ/（kg· K），热导率为0.2 W/（m· K），燃烧热为2500 KJ/kg。隧道内初始环境温度为40℃，初始压力为标准大气压。边界墙体材料为混凝土，墙体厚度0.2 m，混凝土密度为2280 kg/m3，比热容为1.04 KJ/（ kg·K），热导率1.8 W/（m·K）。电缆托盘材质为钢板，密度7850 kg/m3，比热容为046 KJ/（ kg·K），热导率45.8 W/（m·K）。

4模型工况设计

模型管廊通风区段划分主要以两个工作井内相应的两个通风机房之间的一段隧道作为一个通风区段。根据本项目综合管廊区间通风采用通风及排烟系统形式。通风系统针对每段通风区域采用单号井端送双号井端排的纵向通风方式，火灾时主要采用隔绝灭火的方式，即按照事故后排风，火灾时关闭防火阀和风机，待燃尽后开启风机进行事故后通风换气。为了测试在该区段内设置不同的防火分区及相应防火分区情况下不同时间段进行通风排烟的效果，模型设置为500m防火分区，开启排烟时间为300 s。

利用LES计算方法模拟火灾的燃烧问题，模拟对网格尺寸必须小于一定的尺寸才能使得次格点尺度计算模式较为精确计算出来流场的粘滞力。综合考虑网格尺寸与火源功率的关系，FDS的计算区域设置1200 m×5.4 m×3 m，各个方向网格个数分别为1200、27和15，模拟时间1500 s。

4.1一氧化碳浓度分布云图

如图3所示，在管廊防火间距200m，300 s开启防火门进行通风的情况下，开启防火门之前285s的一氧化碳浓度分布云图如图2（a）所示，此时该段内一氧化碳浓度分布为中间低，向两侧逐渐升高，然后再降低。此时，管廊通风系统还未启动，管廊内CO浓度分布在火源两侧是对称的，均经历了先升高再降低的过程；门打开后350 s时刻的一氧化碳浓度分布如图（b）所示，由于通风的作用，一氧化碳主要集中在下风向，此时CO在管廊上部几乎分布为0，在火源上方有少许，而CO浓度最高处位于管廊内火源下游100m处，且有逐渐向右移动的趋势。当1100 s后，区域内基本没有一氧化碳，整个管廊内CO均已排出完全。通过上图分析，此管廊的通风系统，即上部通风，下部排烟的设置是完全合理的，可以较好的排出管廊电缆火灾的烟气，减小火灾的损失。

4.2各测点一氧化碳浓度随时间的变化曲线

如图4所示为C组管廊方向靠近火源层（C-9～C-17）一氧化碳浓度随时间变化的曲线。由图可见，C组中间防火区域的一氧化碳浓度较高，其中C-13火源上方的一氧化碳浓度在火灾发生后快速上升，然后下降，在300～400s之间小幅波动，这是因为C-13就在火源的上方，当打开防火门进行通风后，CO浓度迅速扩散，因而又快速下降。C-12和C-14为火源上方左右的点，这两点的一氧化碳浓度在200s左右时快速上升，表明火焰从中间向两边传播。当300s打开防火门后，这两点的曲线在下降，说明CO浓度不断降低。C-15为下风向另一个防火区间的点，600s之前一氧化碳浓度为零，当打开防火门后，一氧化碳浓度瞬间上升，经历了一段时间后下降。不同测点的曲线峰值在不断后延，说明CO受到空气流动的影响向下风向运动。

5结论

该管廊通风区段划分主要以两个工作井内相应的两个通风机房之间的一段隧道作为一个通风区段。根据综合管廊区间通风采用通风及排烟系统形式。通风系统针对每段通风区域采用单号井端送双号井端排的纵向通风方式。利用FDS软件，对管廊发生火灾时隧道中线纵断面上不同高度处的 CO 浓度分布和隧道横截面上的 CO 浓度分布进行了三维数值模拟 ，研究分析了火灾时烟气浓度的变化规律，得到了以下结论：

（1）管廊电缆火灾中，CO浓度分布与管廊通风系统开启情况有关。当通风系统未开启，电缆着火向两端蔓延时，CO浓度逐渐下降，且随着时间积累，CO浓度逐渐增多；当通风系统开启，CO迅速向下风向扩散，积累量逐渐增高，上风向CO浓度逐渐降低。

（2）管廊电缆火灾蔓延时，CO浓度并最高处不在火源正上方，而位于正上方两侧，这是由于烟气蔓延过程中发生了水跃现象，CO浓度最高点在火源两侧。

（3）该综合管廊通风系统可以较好的排出管廊火灾的烟气，减小火灾的危害性。

参考文献

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