浅谈工业电缆隧道火灾救援与灭火研究

　　引言

    工业电缆是一种重要的电力传输设备，现代工业企业的生产，离不开电能，而电力的输送则是由大量的电缆来完成的。电缆隧道火灾事故，危害极大。它不但会烧毁大量电缆及其它设备，迫使大型工厂停机，造成大面积停电，而且由于电缆往往集中敷设，一旦起火，影响范围广，修复时间长，造成的损失大。

    一般的电缆敷设方式有电缆沟和电缆隧道，电缆隧道适合大量的电缆长距离传输，因此它的安全性至关重要。

    1.隧道火灾特点：

    电缆是以爆燃形式起火燃烧的.电缆着火后,火势顺着电缆线呈线形燃烧，出烟浓火小速度慢，如果隧道内有多层电缆或电缆交叉叠放,就会形成立体燃烧。呈现以下特点：

    1.1隧道气流速度大，加之燃烧释放出的热量不易散发，起火后热量迅速积累，隧道内温度骤升，导致火势迅猛发展。

    1.2通道狭长，大量烟气难以排出，人员疏散困难。

    1.3隧道纵向的坡度较大，一旦起火，很容易形成烟囱效应，温度和烟会迅速传播。

    1.4火灾扑救困难。

    1.5火灾损失大。[1]上海供电局2001年因电缆中间头过热引起电缆隧道火灾，大面积电缆被烧损，导致市区大面积停电事故；1999年牡丹江第二发电厂因电缆沟火灾，导致全厂停电事故，直接、间接损失达近千万元。

    1.6易复燃,扑救时间长[2]在电缆隧道火灾扑救过程中大多数采用喷水灭火，水在高温下会和可燃的电缆绝缘材料小颗粒混合，随着火势蔓延，当遇到明火时，就会马上燃烧起来，给灭火人员带来很大困难。

    2.救援灭火关键

    由于电缆隧道环境恶劣以及发生火灾时产生一些爆炸等连锁反应，破坏了隧道照明设施，因此，在隧道火灾救援灭火工作中，大量烟气的积聚使能见度降低给救援人员带来的很大困难。因大量烟气不容易排出隧道外，积聚的烟气会阻碍救援灭火人员的视线，难以判断火源的位置。另外，大量的烟气所造成的辐射热使得周围温度升高，使消防灭火人员难以接近，救援灭火工作非常困难。

    根据火灾伤亡的统计，火灾条件下人员伤亡的原因大多数是由于烟气（HCl、CO等）中毒、高热、缺氧。[3]

    综上所述，如果能测量、分析发生火灾时，烟气和氧气的浓度以及火焰蔓延情况，找出适合人生存逃亡区域，将会给救援、灭火工作带来很大帮助，大大降低损失。

    3.数值模拟

    3.1数值计算原理

    FDS是以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。进行FDS模拟是为了得到一系列有关烟雾、温度、毒气等相关参数，指导实际设计工程，以保证一旦火灾发生，其烟雾保持在一定的疏散高度之上、毒气浓度在一定的范围内，从而不会威胁到疏散人员的安全。

    3.2数值建模

    1.根据实物，建立模型长×宽×高=6m×2m×2m，取网格参数见表1。

    表1网格参数

轴	Min	Max	网格数
X	0.0	6.0	60
Y	0.0	2.0	20
Z	-0.4	1.6	20

　　2.根据实际的铜芯橡胶绝缘电缆线，按铜：塑料=6：4进行电缆材料配比。

    3.在实验中取点火源（红色小立方体0.1m×0.1m×0.1m），热功率为1500KW。

    4．根据实际电缆隧道中电缆尺寸，在网格中建立电缆模型（3列×2排），，模型左侧设计为空旷即是通气的，在右侧设置，面积2×2（米），风速0.5m/s的抽风机一个，具体模型结果见图5。

 

图5：电缆隧道火灾模型

    上述是建模的主要步骤，完成建模后，设置参数后，进行3600S模拟计算。

    3.3数据处理和分析

    （一）烟气

 

 　　图2：烟气纵向分布曲线      　　　　　图3：1058.4秒燃烧情况    　　　图4：518.4s烟气纵向分布情况

    研究烟气分布对于火灾救援非常重要，尤其是环境比较恶劣的场所，在电缆隧道火灾模拟中，对实验数据分析，绘图比较，发现随着时间增加，隧道由于通风不佳，烟气大量积累，在273.6秒（4.56分钟）时，烟气只存在于0.5米高，到了1058.4秒（17.64分钟）时（如图3），其能见度已经很小，而在此时，可燃物还在剧烈燃烧，烟气还在积累，人员几乎不可能生存。

    从图6中可以看出，当612秒（10.2分钟）时，烟气的浓度达到最大值。

    通过绘图比较可以发现以下规律：

    1.隧道电缆发生火灾时，烟气从着火源即燃烧较剧烈的一侧，向燃烧程度低的区域延伸。

    2.烟气由于火羽流热作用，先上升至顶部，而后顺着墙面向下延伸。

    3.烟气延伸速率很快。根据实验数据，在518.0秒（8.64分钟）时，距离地面1.0m以上的空间已经充满烟气。如图4。

    因此，在火灾现场，消防灭火人员应该顺着燃烧剧烈程度较低的一侧，弯腰前进，那些在火灾中逃亡者也应该如此，或者爬到地上脸朝下，等待救援人员的到来。同时，消防人员可以根据烟气分布初步判断着火源的大概位置，便于实施灭火和救援工作。

    (二)火焰蔓延情况

 
图5：1580.4秒燃烧情况

    在实验中，可以看到在10.8s时，火焰开始在垂直方向迅速蔓延，到达414.0s（6.9分钟）时形成顶棚射流，加剧了火焰的蔓延，在529.0s（8.81分钟）时，火焰开始在水平方向蔓延，到698.4s（11.64分钟）时，火已经蔓延到左侧上层电缆，到1580.4s（26.34分钟）时，火焰已经充满了整个隧道模型。

    分析可知，火从阴燃到剧烈燃烧，只用了500s（8.33分钟）。在现实中，电缆隧道一旦发生火灾如果自动灭火系统不能在8.33分钟内自动灭火，火焰就会蔓延，引燃整个隧道电缆，向两端蔓延。在模型计算中，6米长隧道，火焰蔓延只用了860s（14.33分钟）。在实际现场，电缆隧道火灾时由于有烟囱效应，风速一般为0.5m∕s[4]，加速了火焰蔓延，火焰蔓延速度更快。

    (三)氧气浓度:（黑色代表氧气分布，越黑，氧气浓度越大）

 

 图6：468.0秒氧气分布情况 　　　　　    图7：1699.2秒氧气分布情况

    通过上述数据分析和作图比较，可以看出，在电缆开始燃烧时的262.0s时，火焰开始加速蔓延，火羽流上升碰到顶棚时，快速形成顶棚射流，沿顶棚以水平方向运动。在264.0s（4.40分钟）时火羽到达左侧，在288.0s（4.80分钟）时火羽到达右侧。在288.0s时，距地面1.7米以上的氧气浓度明显下降，到468.0s（7.80分钟）时，距地面1.7米以上的氧气已经被完全消耗。由于在右侧放置了一个风速为0.5m／s的抽风机，所以在火羽蔓延上风方向，燃烧剧烈，氧气浓度降低较迅速。当在1432.8s（23.88分钟）时，距离地面0.4米以上的空间形成短暂无氧区域。到1699.2s（28.32分钟）时，由于燃烧将尽，左侧为通风面，氧气浓度开始回升，而右侧氧气浓度回升不明显。

    4.数值模拟结论与建议

    根据隧道的火灾原因和火灾隐患，以及上述关于隧道火灾中烟气和氧气分布，以及火焰蔓延速速特性的分析，提出以下建议：

    4.1提高隧道耐火等级。

    隧道发生火灾时，其顶部温度高达1000℃。（在模拟实验中1.9米处温度探头测得最高温度972℃）。应该采取其他保护措施，比如,在壁面涂防火涂料，以提高其耐火等级，防止隧道内钢筋混凝土在火灾中迅速升温而降低强度，避免混凝土炸裂，衬内钢筋破坏失去支撑能力而导致隧道垮塌。

    4.2在防火分区设置火灾应急广播。

    在《火灾自动报警系统设计规范GB50116-98》第5.5.2条明确规定，每个防火分区至少应设一个火灾警报装置，其位置宜设在各楼层走道靠近楼梯出口处。警报装置宜采用手动或自动控制方式[5]

    4.3加强日常巡视和检修。

    隧道火灾如果发现不及时，灭火工作动作不迅速，后果是很严重的。同时，如果加强日常巡视和检修，也能大大降低发生火灾的可能性，从根本上起到了防范作用。

    5.结束语：

    电缆隧道火灾灾害，后果严重。本人通过实验检测到烟气中含有HCl气体，以及通过FDS软件模拟电缆隧道火灾实验数据分析，得出一些结论和建议，希望能对现场的实际防火防爆工作有意义。

    电缆隧道火灾的防范不仅仅要有先进技术，还要有合理有效的日常管理制度和健全的法律制度。

    参考文献:

    [1]张喆,马占．一起隧道火灾模拟及灭火行动中的排风干[J]．《新西部》,2007,10(1):：1-2页．

    [2]张霄,刘凯．浅析地下电缆隧道火灾的扑救[J]．广西民族大学学报(自然科学版)，2006（S1）：19-21．

    [3]任大海，主编．《防火防爆安全便携手册》[M]．北京：机械工业出版社.，2006，140．

    [4]邵刚，杨培中，金先龙．FDS中非矩形边界隧道的自动建模[J]．计算机工程与应用,2005，36．

    [5]覃文清，李风．隧道火灾与防范[J]．《消防科学与技术》，2004，23（1）54-59．

    [6]中华人民共和国公安部，50116-98ISBN号:1580058.401，《火灾自动报警系统设计规范GB50116-98》出版社:中国计划出版社，1999年5月，第5.5.1条．