不同通风条件下某水电厂电缆室火灾数值模拟分析

(国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625000)

电缆在电厂电力传输方面具有重要作用，在电厂中应用十分广泛。然而由于设计、施工和运行管理方面等原因，电缆火灾在电厂中时有发生，在带来重大经济损失的同时，也给人员和设备安全带来了威胁[1]。电缆往往成捆设置，因此一条电缆发生火灾极易引燃其他电缆，从而造成火势的迅速蔓延，同时电厂中电缆使用时间往往较长，设备老化等问题也成为了电缆火灾频发的原因之一[2]。通过以上分析可以看出，电缆火灾在火灾后果以及发生概率两个方面均具有较大的火灾危险性，因此采用科学方法对电缆火灾的防控进行分析研究具有重要的意义。

电缆火灾对于人员和设备的威胁主要是高温烟气，发生火灾时，开启排烟和补风设备对室内烟气进行有效控制是减小电缆火灾损失的有效途径，然而分析表明，过大的进、排风量可能会加剧电缆火灾的蔓延，因此合理的通风设置对于控制电缆火灾的发展以及减小其损失都具有重要意义。

基于以上分析，下面以某电厂电缆室中电缆火灾为例，利用美国NIST公司开发的火灾场模拟软件FDS，对不同进、排风量情况下电缆室电缆火灾的蔓延情况以及室内火灾危险性进行了模拟分析，模拟结果对电缆室的排烟系统设计具有定性的指导意义。

1 数值计算原理及模型建立

1.1 模拟软件简介

FDS(fire dynamics simulator)是美国国家标准研究所(NIST)建筑火灾研究实验室开发的模拟火灾中流体运动的计算流体力学软件。该软件采用数值方法求解火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中烟气流动和热量传递过程[3]。

1.2 FDS模型建立

以某水电厂电缆室中的电缆火灾为研究对象。电缆室几何尺寸为7 m(长)×4 m(宽)×3.4 m(高)。在房间内距地面3 m处设有一个7 m长的金属电缆槽，电缆槽上铺设了若干松散的电缆。电缆室通过一扇1 m(宽)×2 m(高)的门与外界相连，在火灾情况下假设此门是开启的。电缆室及室内电缆模型示意如图 1所示。

表1 模型中各种材料热物性参数[4]

表2 模拟工况设计表

图1 模型示意图

模型中在电缆上方5 cm处布置了一排热电偶，通过热电偶的测量温度来分析电缆引燃时间以及火焰熄灭时间。热电偶数量共13个，相邻两个热电偶间距为0.5 m，两端热电偶与墙壁的距离也为0.5 m。

模型中电缆室维护结构材料为混凝土，电缆槽的材料为钢铁，电缆的材料近似设定为塑料与铜的混合物，各种材料的热物性如表1所示。

模型中的起火形式设定为高温热源引燃电缆，高温热源表面温度为1 100 ℃。电缆室内设有两个排烟口和两个进风口，尺寸均为0.4 m×0.4 m，模型中各个进风口和排风口风量及其位置按照模拟工况表中的要求进行设定。

图2 不同模拟工况下热电偶组所测温度随时间变化曲线

图3 不同模拟工况下烟气流动稳定后烟气下沉情况示意图

1.3 模拟工况设定

电缆火灾通过热量和烟气对电缆室内的人员和设备安全造成影响，通风系统作为火灾情况下排出室内热量和烟气的有效途径，是控制电缆火灾影响的有效手段。但是研究表明，通风系统在降低火场温度、排出火灾烟气的同时，也会使得新鲜空气进入火场而造成火势的扩大，因此进行合理的进、排风量设计，对于控制电缆火灾损失具有重要的意义。考虑通风系统中不同的进、排风量，设计模拟工况如表 2所示。

2 模拟结果分析

2.1 火灾持续时间分析

由于模型中电缆室内空间相对较小，且仅通过一扇1 m×2 m的门与外界连通，因此在火灾发展到一定程度后，火焰会因为氧气含量不足而熄灭，而火灾时的通风系统会通过改变火场氧气浓度而对火灾的持续时间产生影响，因此不同工况下火灾持续时间是不同的，可通过电缆上方热电偶组测量温度随时间变化曲线进行分析。工况1至工况5中，热电偶组所测温度随时间变化曲线如图 2所示。

由图 2可以看出，4种模拟工况下，电缆均在约200 s时被引燃。模拟工况1中，由于没有进风和排风，约800 s时，被引燃的电缆由于火场氧气不足而熄灭，此时火灾为通风控制型；在模拟工况2中，由于增加了进风和排风，直至1 200 s热电偶所测温度开始下降，即火灾开始熄灭，同时增大进风量和排风量(模拟工况3和模拟工况4)，电缆火灾仍在约1 200 s时开始熄灭，与模拟工况2相比几乎没有差异，这说明，模拟工况2至模拟工况4中，火灾类型变为了燃料控制型。通过对图 2(a)～图2(c)的分析可以看出，随着进、排风量的增大，尽管火灾持续时间没有明显变化，但是起火点处的热电偶在熄火稳定后所测得的温度出现了较为明显的降低。

2.2 烟气蔓延情况分析

火灾烟气具有高温、毒性、遮光性等特性，是对火场内最具威胁性的火灾产物，因此火灾后烟气的蔓延和沉降情况对于灭火和火灾对于人员和设备的损伤具有很大影响。下面以4个模拟场景中，烟气流动稳定后烟气下沉情况示意图以及烟气层高度随时间变化曲线如图 3和图 4所示。

图4 不同工况下烟气层高度随时间变化曲线

由图3可以定性看出，随着通风系统中进、排风量的增大，电缆室内的烟气稳定时的沉降高度逐渐升高。在模拟工况1中，由于没有进、排风，烟气层最终稳定在门的上沿处，而在模拟工况2～4中，由于增加了通风系统，因此烟气层高度基本稳定在排烟口处，并且排风量越大，稳定后烟气层位置越高。

图5 不同工况下1 000 s时电缆处温度分布

由图 4的曲线图可以看出，在工况1中，1 000 s左右时，烟气层稳定在距地面约2 m位置处；在工况2至工况4中，300 s左右时，烟气层高度分别稳定在距地面约2.8 m、2.9 m和3 m的位置处。

由以上分析可以看出：在有通风系统的工况中(工况2、3、4)烟气层高度明显高于无通风系统的工况(工况1)，同时，由工况2、3、4的模拟结果可以看出，随着通风系统中进、排风量的增加，烟气层高度逐渐升高，即火灾危险性降低。

2.3 电缆室内温度分析

起火房间内温度是表征火场危险程度的一个重要参数。火场中的高温不仅会影响人员逃生和灭火行动，同时还会对起火房间内其他可燃物带来威胁。当火场温度达到一定值时，可能会导致起火房间内的所有可燃物全部燃烧，此时则达到了通常意义上的轰然状态。本模拟中，不同工况下，1 000 s时电缆所在截面(Y=0.4)处的温度切片如图5所示。

由图 5可以看出，在火灾情况下增加通风系统可以有效降低电缆室内起火电缆下部区域的温度，这对于减小火灾对于人员和设备的损害具有重要意义。同时由图 5(a)～(c)的对比可以看出，随着进、排风量的增大，起火电缆下方温度持续降低。

3 结 论

为分析通风条件对于电缆火灾蔓延情况以及起火后室内火灾危险性的影响，以某电厂电缆室中电缆火灾为例，利用火灾场模拟软件FDS，对4种不同进、排风量的火灾工况进行了模拟分析，结果表明，对于本模拟中此类通风控制型的火灾，增加通风系统会导致火灾时间的增长，但是从烟气层沉降和室内温度角度分析，增加通风系统可以有效降低火灾危险性，同时进、排风量越大，火灾危险性越小。通过前面的分析可以看出，通风系统对于电缆火灾发展及其危险性的影响是较为复杂的，因此，在对电缆室或存放有电缆的房间进行防火设计时，应根据建筑物的实际防火需求设计通风系统。

[1] 任海峰，李树刚，林海飞，等.电缆火灾致因因素分析[J].安庆师范学院学报，2009，15(3)：62-64.

[2] 张红玲.电缆火灾成因及防灭火技术[J].内蒙古科技与经济，2006(16)：106-107.

[3] Kev In Mcgrattan, Bryan Klein, Simo Hostikka, et al. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide, 2010.

[4] F. P. Lncropera, D. P. DeWitt, T. L. Bergman and A. S. Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M]. John Wiley & Sons, 2006.