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基于FDS的管廊电缆火灾动态风险评估研究

2024-06-03 96 上传者：管理员

摘要：为解决管廊或管沟内的电缆敷设密度较大，发生火灾极易形成电力系统的连锁事故等问题，采用FDS仿真软件，综合考虑传感器、喷淋系统、通风系统和防火门等安全屏障不同响应情况构建管廊电缆火灾动态风险评估模型，并应用Arrhenius公式将数值仿真结果指标映射为电缆火灾风险值，进而绘制时变的电缆火灾风险曲线，探究火灾情景下管廊电缆风险动态评估及应急决策优化方案。研究结果表明：喷淋系统是管廊电缆火灾风险的最关键影响因素，喷淋系统的安装位置以及动作状态在很大程度上影响管廊电缆火灾风险。研究结果可为地下管廊电缆线路典型事故的预防、处理和恢复提供应用价值。

关键词：
FDS
动态风险评估
火灾模拟
电缆火灾
风险量化
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近年来，随着城镇化的快速推进和电网结构的日益复杂，电缆系统的敷设速度加快、密度加大，从而带来显著的火灾风险。因此，如何在火灾情景下实现综合管廊电缆火灾风险的动态预测，已成为国内外学者关注的焦点[1,2]。电缆火灾一旦发生，不仅会导致大量电缆和设备的损坏，而且修复困难，极易引发城市电力系统的瘫痪，对城市的生命线等重要基础设施构成严重威胁。

在电缆风险评估中，失效时间等关键参数不仅受火灾场景特点影响，还与参与火灾的次要设备特征有关。这些因素可以通过安装缓解屏障和采取应急措施来调整[3,4]。此外，不同类型的安全屏障，如探测器、喷淋设施、防火门和通风设施，也会对同一物理参数产生不同影响[5]。因此，在评估管廊电缆舱火灾风险时，必须充分考虑安全屏障及其动作的影响。

尽管已有学者对电网风险评估进行研究[6,7],例如文献[8]利用FDS软件，模拟不同电缆敷设数量对T形电缆舱中电缆火灾发生和发展的影响。但关注火灾场景下安全屏障对电缆火灾风险影响的却不多。现有研究多集中在单一安全屏障对火灾事故发展的影响，鲜少探讨多种屏障随火灾发展动态耦合对电缆火灾风险演化的影响。

建模方法是开展基础设施动态风险评估的关键[9,10]。数值模拟仿真因其能够分析复杂几何形状中的流体问题并动态计算事故后果而被广泛应用。例如文献[11]基于数值模拟方法模拟池火后果来评估池火协同作用下的多米诺效应，从而降低化学品火灾情景的储罐区风险。上述研究基于数值模拟方法对多场景下的风险评估进行研究，具有一定参考价值。

因此，本文基于数值仿真模拟，构建考虑消防联动系统(包括传感器、喷淋系统、通风系统和防火门等)不同响应情况的电缆火灾动态风险评估模型。通过将FDS模拟结果指标映射为电缆火灾动态风险值，绘制时变的电缆火灾风险曲线，实现动态化电缆火灾风险评估及决策支撑，并通过实际算例验证本文方法的有效性，以期为管廊内部电缆典型事故防控、应急处理和恢复提供技术支持，具有一定的应用价值。

1、管廊电缆火灾动态风险评估模型

本文有机融合情景推演方法在概率分析方面的灵活性优势和数值仿真方法在后果分析方面的精确性优势，提出融合事件树和FDS的管廊电缆火灾动态风险评估模型，如图1所示。此模型主要包括基于情景推演的概率分析和基于数值仿真的后果分析2个模块，每模块各包含2个步骤。步骤1:对传感监测、消防喷淋、防火门启闭、风机通风等消防系统组件动作规则进行建模，构建消防系统联动控制逻辑流程图；步骤2:基于消防系统联动逻辑和管廊舱室布局，构建考虑多级屏障响应的电缆火灾动态事件树，基于专家经验和统计概率计算不同火灾情景发生概率；步骤3:基于所构建的动态火灾情景，应用FDS开展电缆火灾数值仿真模拟，获得温度、烟气体积分数等参数的时空分布；步骤4:应用Arrhenius公式对定量计算各离散点位的高温电缆失效概率，进一步定量计算管廊全域电缆火灾综合风险值。

图1 管廊电缆火灾动态风险评估模型流程

2、管廊电缆舱火灾仿真模拟

2.1 火灾仿真模拟基本理论

由FDS进行的电缆舱火灾的数值模拟，遵循质量、动量和能量守恒方程。使用低速、热驱动的Navier-Stokes控制方程，通过大涡流模拟(LES)的Smagorinsky湍流模型来解决火灾过程中的烟气流动和温度场分布，基本的控制方程如式(1)～(3)所示[12,13]:

式中：μLES为湍流黏度系数，m/s2;Cs为Smagorinsky模型常数；Δ为过滤器宽度，m;

为滤波后的应变率张量，s-1;

为滤波后的速度场散度，s-1;KLES为湍流热导率，W/(m·K);pr为普兰德尔数；Cp为定压比热容，J/(kg·K);(ρD)LES为湍流物质扩散系数，m2/s; Sc为施密特数。

当火灾发生时，采用有限体积法(FVM)的辐射传热模型来计算电缆舱的火灾辐射。用热流矢量表示热传导和热辐射的收益和损失[14],如式(4)所示：

式中：s为强度矢量；Iλ(x,s)为辐射强度，W/m2;k(x,λ)为局部吸收系数；σs(x,λ)为散射系数；B(x,λ)为辐射源项；Φ(s,s′)为扩散系数。

燃烧模型采用混合燃烧控制模型，其控制方程只能指定1种气体燃料，默认主要由C、H、O、N元素组成，涉及的默认方程式如式(5)所示：

式中：X,Y,Z,V为元素C,H,O,N的比例，其决定可燃气体的类型；vO2,vCO2,vH2O,vCO,vS,vN2分别代表O2,CO2,H2O,CO,Soot 和N2的反应方程式化学计量数。

2.2 基本参数设置

某拟建的综合管廊断面尺寸宽度B×高度H为8.0 m×3.7 m(净空尺寸为B×H=6.9 m×3.0 m),断面面积20.7 m2,采用三舱形式，全线长约2.4 km, 其中电缆舱净空尺寸为B×H=1.9 m×3.0 m, 满载条件下共计12回电力电缆，如图2所示。

舱内采用自然送风机械排风的通风方式，1个通风区段由临近的排风口与送风口组成，进风口采用自然送风，排风口采用机械排风。在软件中设置电缆舱模型如图3所示。

图2 综合管廊横断面结构

图3 管廊电缆舱模型

根据《电力工程电缆设计规范》(GB 50217—2018)[15]相关要求，选用绝缘材料为交联聚乙烯(XLPE),外护套为聚氯乙烯(PVC)的3芯10 kV铜芯电缆为主要模拟对象，电缆舱中典型材料物理属性如表1所示。

表1 电缆线典型材料物理属性

根据《工业建筑采暖通风与空调设计规范》(GB 50019—2015)[16]并考虑空气混合和送风余量机械通风系统进风口恒定风速1 m3/s。在X=40 m处设置3 500 ℃高温微粒作为点火源(100 s后消失),以此来模拟电缆线路因短路等原因而产生的瞬间高温。

2.3 基于情景推演的模拟工况选择

根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116—2013)[17]规定，消防联动控制系统主要包括监测报警系统、喷淋系统、防火门、通风控制系统等，其基本控制逻辑如图4所示。

图4 消防系统联动控制系统逻辑流程

由图4可以看出，电缆舱内消防联动系统由3部分构成：1)火灾报警阶段，探测器检测异常或巡视员发现火情后，将信息传至火警系统；2)火情确认阶段，报警系统主机接收信号并确认火情；3)灭火阶段，系统根据火情发出指令，关闭非消防电源、防火门等，同时启动报警器、排烟、照明和喷水灭火系统，全程监控报警与灭火过程，并向消防部门发送报警和救援请求。各子系统的有效概率如表2所示[18]。

表2 安全屏障类型及生效概率

运用事件树分析电缆舱火灾后果如图5所示，考虑2.3 m间距喷头和10 m间距传感器的所有安全屏障响应组合，其数量呈指数增长。以传感器为例，连续响应的概率逐渐降低，以传感器响应情况为例，1次传感器顺利响应的概率为P=0.939,同理2次传感器顺利响应的概率为P=0.057,3次传感器顺利响应的概率为P=0.003,可以看出，连续3个传感器失效的概率非常低。因此，本文重点计算2次传感器及3次灭火喷头联动响应的后果概率，并选取高概率情景的S0～S5及S9～S11工况进行建模分析。

2.4 模拟结果分析

在没有安全屏障和正常通风的S0工况条件下，电缆外层受高温粒子的热辐射影响逐渐热解析出可燃气体并放热，可燃气体与氧气混合后在高温条件下进一步燃烧，产生大量的热量和有毒烟气。烟气通过火羽流扩散到舱室顶部，在舱顶的阻挡和通风作用下向周围扩散流动，造成舱内大范围的温度升高。

点火源和距其10 m位置的温度变化随时间变化如图6所示。

对比图6(a)中S0中高位和低位火源工况，350 s前高位火灾温升更快，但随后速率降低；低位火灾持续温升，局部温度超高位。高位火源离探测器近，初期温升大，但烟气堆积导致下层电缆引燃延迟，因此低位火灾后续升温能力比高位火灾强。在电缆燃烧500 s时，高位火源火灾所能达到温度峰值比低位火源火灾少261 ℃左右。

由图6可知，距点火源不同位置测点温度分布结果显示，在工况S1和S2中，喷淋系统及时响应火灾，舱内温升保持在较低水平(52.5 ℃和49.3 ℃)并快速降至最低。在S3和S4的单喷头故障情况下，S3达到更高温度值(75.6 ℃),而S4高温持续时间更长。S3中感温探测器正常，防火门和通风系统关闭，温升更快，更容易达到喷淋系统M2喷头的响应温度而响应灭火。但S4中因喷淋位置和角度问题加上防火门关闭失败，导致持续小范围燃烧，舱内温度持续上升。在S5的双喷头故障中，距离M1故障喷头左右2.3 m位置的喷头只有单边响应，但防火门和风道关闭增强窒息灭火效果，最终火灾在约200 s后得到控制。在S9、S10和S11的单传感器故障中，灭火行为整体后延，温度变化与S1、S2和S3相似。不同工况下的舱内最高温度分布如图7所示。

图5 电缆舱火灾事件树模型

图6 各工况下电缆舱火灾温度随时间变化

图7 各工况下电缆舱火灾最高温度

3、基于不同安全屏障响应工况下电缆火灾风险评估

当电缆火灾发生后，电缆系统处于降额运行状态，待传感系统监测到火灾则启动消防联动系统进行灭火操作，直至火灾熄灭，管廊电缆火灾风险演变特征如图8所示。

图8 管廊电缆火灾风险曲线示意

3.1 风险量化方式

电缆火灾发展分为发生、发展、衰减、熄灭4阶段。通过电缆舱火灾仿真模拟，获得不同工况下舱内温度、烟气体积分数的时空分布。但数值模拟的物理参数变化无法直观揭示电缆火灾风险。电缆损伤与温度参数紧密相关，因此，本文利用Arrhenius公式与Sigmoid函数协同估算高温下电缆损伤概率。Arrhenius公式结合0.8 eV活化能参数，计算不同温度下的寿命缩减系数，如式(6)所示。当温度接近200 ℃时，利用Sigmoid函数精细调节失效概率变化。这种结合使故障概率随温度升高而细微、渐进增加。

式中：k是速率常数，s-1;Ea是活化能，kJ/mol; R是气体常数；T是温度，K;A是指数前因子。

根据计算获取的电缆损伤概率曲线计算出各离散位置(每10 m离散1次)的时变损伤指数，运用式(7)计算整个电缆舱的综合风险指数RF。

式中：Pi为离散点i在t时刻的电缆损伤概率；n为离散点数量。

3.2 定量风险评估

各工况下电缆损伤风险曲线随时间变化如图9所示。根据风险曲线计算获取的各工况的风险指数如表3所示。

图9 各工况下的电缆火灾风险曲线

表3 各工况下电缆火灾风险指数

由表3和图9可知，合理的消防联动系统能显著提高电缆舱火灾后的系统鲁棒性。S1工况下，若子系统最佳响应，系统约80 s恢复，风险指数约0.004 4,整体损失较小。S3中喷头失效，灭火启动时间延长至130 s, 风险指数升至0.725 3,且无法完全消除风险。S4由于防火门、通风系统、喷淋系统的多重故障耦合作用，风险指数达0.260 9,且扰动持续超500 s。S9传感器故障也会导致火灾扰动时间增长至110 s左右，但风险指数仍较高。结果显示，喷淋系统对系统安全至关重要，设计时需考虑环境参数与安装位置，日常检查需保持有效性。模拟中2.3 m间距喷淋系统风险较低，实际设计可考虑放宽间距以节省成本。

4、结论

1)在无安全屏障工况下，在火灾发展阶段，高位火源火灾的纵向蔓延能力相较于低位火源火灾差，在电缆燃烧500 s时，在点火源位置的高位火源火灾所能达到温度峰值与低位火源火灾相差261 ℃左右。

2)电缆舱中设置合理消防联动控制系统可以在火灾发生后达到较好的灭火效果，提高管廊电缆火灾风险控制能力，消防联动系统响应情况不同，系统的风险状态也有所不同，在电缆舱火灾发生后，在所有消防设备均正常动作的最理想状态S1下，管廊电缆舱综合风险值为0.004 4。对比S2和S4结果，系统风险指数将由0.004 1升至0.260 9。因此，高压细水雾喷淋系统是电缆舱风险大小的最关键影响因素，其正常动作能最大程度控制火势发展和蔓延，因此，降低管廊喷淋系统的故障率是管廊运维团队降低管廊火灾风险的最有效举措之一。

参考文献:

[3]周浩霖,朱常龙,蒋军成.基于LOPA逻辑的罐区多米诺效应定量风险评估[J].中国安全生产科学技术,2022,18(5):78- 84.

[6]普子恒,傅文浩,权浪,等.高压电缆隧道防火措施隔热效果试验及优化配置研究[J].中国安全生产科学技术,2023,19(6):158-165.

[7]张英喆,何丽辉,任飞,等.综合管廊电缆火灾窒息灭火试验与数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术,2023,19(2):173- 179.

[15]中华人民共和国住房和城乡建设部.电力工程电缆设计标准:GB 50217—2018[S].北京:中国计划出版社,2018.

[16]中华人民共和国住房和城乡建设部.工业建筑供暖通风与空气调节设计规范:GB 50019—2015[S].北京:中国计划出版社,2016.

[17 中华人民共和国住房和城乡建设部.火灾自动报警系统设计规范:GB 50116—2013 [S].北京:中国计划出版社,2014.

基金资助:国家电网公司总部科技项目(5500-202218455A-2-0-ZN);

文章来源:苏峰,张钧,朱晓平,等.基于FDS的管廊电缆火灾动态风险评估研究[J].中国安全生产科学技术,2024,20(05):77-83.