封闭式储煤棚火灾特性模拟及防排烟探讨
吝庆磊1，徐彪1，隋学敏1，魏琦君2，张海成2
1 长安大学 建工学院；2 中铁西安勘察设计研究院有限责任公司
【摘 要】针对陕西省某封闭式储煤棚建筑，采用FDS软件对其火灾动态过程模拟仿真，分析了着火点位置、排烟窗开启状况、棚外风速、挡烟垂壁设置等影响因素对火灾特性的影响。以建筑内部最小清晰高度处烟层/空气层温度、一氧化碳浓度、能见度为人员逃生的安全评价指标，评估了不应影响因素工况下人员逃生的安全性。探讨了自然排烟的可行性，给出了自然排烟及防烟分区划分的合理建议。主要结论如下：1）对于不同着火点位置，单一排烟窗自然排烟存在不足，建议将建筑普通窗打开以提高自然排烟效率；2）仅打开着火分区排烟窗，建筑内可见度迅速降低，人员逃生风险性提高，需要将全部排烟窗打开；3）棚外风速可以提高自然排烟效率，人员逃生安全性提高，可以考虑减少排烟窗开启数量。4）设置挡烟垂壁可以明显提高人员逃生安全性，但建筑面积过大，设置挡烟垂壁经济成本较高，并且不设置挡烟垂壁时，可用安全疏散时间较长，人员较易逃出，因此挡烟垂壁可不进行设置，将建筑整体作为一个防烟分区。本文研究结果可为封闭式储煤棚建筑的防火及防排烟设计提供指导。
【关键词】封闭式储煤棚；FDS；烟气蔓延；温度分布；能见度；一氧化碳浓度
1 引言
煤炭是我国的主体能源，近十年来，煤炭在我国能源生产结构中的占比一直高达65%以上 [1]，大量的煤炭开采出来需要先进行储存再通过火车运输到全国各地。煤炭储存一般有两种方式: 露天储煤场和封闭式储煤场。早期煤炭储存以露天储煤场为主，但随着国家对大气环境污染治理标准的不断提高，《中华人民共和国大气污染防治法》（2018修订版）第七十二条明确规定储存煤炭应当密闭，从根本上解决污染问题。在这样的背景下，大型封闭式储煤技术和设施不断发展。目前封闭式储煤设施可分为筒仓、地上储煤棚及半地下式储煤仓3种形式。地上储煤棚由于其造价相对较低应用最为广泛，其特点是纵深狭长，煤炭储存量大[2]。
煤炭作为一种可燃物，通过长期的堆积，会慢慢的产生氧化反应而发热，存在自燃现象，引起火灾事故。对于封闭式储煤棚这类近年来新规建的建筑，我国现行防火规范及防排烟规范中对于封闭式储煤场的设计并没有针对性的规定，比如煤堆之间的防火间距、防火分区的设计、防排烟设计措施等。目前也缺乏相关该类建筑消防方面的设计指导，设计人员对该类建筑的消防设计存在模糊性。因此，有必要对封闭式储煤棚火灾特性进行研究，以供工程中防火及防排烟设计提供参考。
伴随着封闭式储煤棚的规模化应用，其相关火灾特性方面的数值模拟研究也已初步展开。例如，朱国庆等学者[3]通过对储煤场煤堆火灾危险性进行分析，并结合大涡场模拟软件FDS对不同防火间距的储煤场煤堆火灾数值模拟。研究发现，煤堆防火间距分别为6、8、10米时，煤堆安全高度依次为15.7、19.5、19.7米，当防火间距达到8米时，再增加间距对安全高度影响不大。ZHANG Lei等学者[4]以使用空气支撑膜结构的储存棚为例，利用模拟软件FDS模拟在最不利的火灾场景中一氧化碳、温度和烟气能见度在清晰高度处的危险到来时间，即可用的安全疏散时间，并通过Pathfinder软件计算了所需的安全疏散时间，最后通过膜材料的燃烧特性实验和数值模拟，得到了空气支撑膜式储煤棚的结构失稳时间。结果表明，可用安全疏散时间和结构失稳时间均长于所需安全疏散时间。总结目前文献调研结果发现，目前关于储煤棚火灾特性及消防性能化研究还处于起步阶段，还需要大量研究为工程实践提供理论指导。
基于以上研究背景，本研究针对某典型封闭式储煤棚建筑，采用FDS软件对其火灾动态过程模拟仿真，分析着火点位置、排烟窗开启状况、棚外风速、挡烟垂壁设置等影响因素对火灾特性的影响，评估不同影响因素工况人员逃生的安全性。在此基础上上，探讨自然排烟的可行性，对自然排烟措施及防烟分区划分提出建议，以期为封闭式储煤棚类建筑的防火及防排烟设计提供指导。
2 研究方法
采用Pyrosim三维建模软件建立储煤棚仿真模拟物理模型，采用火灾动力学模拟软件FDS对其火灾动态过程模拟，研究不同影响因素工况下烟气蔓延特性，得到最小清晰高度处烟层/空气层的温度、可见度、一氧化碳浓度等安全评价指标，评估不同火灾场景是否满足人员安全逃生基本需求。
2.1 研究对象
本文研究对象为一由火车轨道穿过的典型封闭式储煤棚，其结构如图1所示。该储煤棚位于陕西省山区地带；建筑外部夏季风速2.3m/s，最高温度可达41℃，冬季风速2.9m/s，最低温度-13℃；长357m，宽42m，占地面积14994m2，净高14.8-16.9m，建筑围护结构主体为钢结构，建筑东部设一混凝土隔断墙，顶棚为混凝土屋顶或钢结构屋顶；建筑南北两侧均在12.8m高度处设置电动排烟窗，发生火灾时，电动排烟窗开启70℃迅速排烟，下部为正常采光用窗户。每个防烟分区均匀布置12个风帽用作日常排风、换气，总共设置150个风帽；火车轨道由西向东设置在建筑北侧，因此不设人员或汽车出入口，只在建筑南侧设置5个人员疏散出口，3个汽车运输出入口。
（a）储煤棚纵剖面图
（b）储煤棚横剖面图
图1 建筑示意图
2.2 pyrosim建模
本研究通过pyrosim软件基于建筑图纸确定模型主要构造，建立储煤棚仿真模型，如图2所示。
图2 储煤棚物理模型
为分析储煤棚内部烟气蔓延变化特性及清晰高度处烟层/空气层温度、可见度、一氧化碳浓度在火灾动态过程中的变化情况，如图3（a）、（b）所示，在火源处、人员过道处设置温度切面，在最小清晰高度处设置可见度、一氧化碳浓度监测切面及相应探测器，进而判断发生火灾后，人员逃生是否处于安全标准内。
（a）探测器布置 （b）切片布置
图3 探测器及切面布置示意图
2.3 火源模型设置
《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251-2017)规定了建筑场所火灾热释放速率的确定方法和常用数据：储煤棚属于丙类仓库建筑类别，且由于室内净高大于8m，设置喷淋时，按照无喷淋场所对待；无喷淋时，火灾达到稳态时的热释放速率最低限值为20MW[5]。
火灾的热释放速率和火灾增长时间存在一定数量关系，可表示为[5]：
式中：Q------热释放速率（kW）；
t-------火灾增长时间（s）；
----火灾增长系数（kW/s2），煤炭的火灾增长系数[4]为0.0049 kW/s2;
计算得出，火灾达到稳态时的热释放速率为20MW时，火灾自由发展时间为2020秒，而后认为消防人员到达现场对火灾进行扑救，火灾热释放速率不会继续上升，而是在稳态热释放速率值周围波动。
2.4 工况设置
影响储煤棚火灾动态发展过程的因素有很多：室外风速、温度、煤尘浓度、通风条件、着火点位置、消防用水准备是否充足、烟感探测设备是否可以正常控制排烟窗开启等。结合储煤棚地理位置及本项目研究目的，本研究以1-1作为基础工况，重点模拟着火点位置、棚外风速、排烟窗开启状况、是否设挡烟垂壁四个方面对火灾动态发展过程的影响，图4展示了部分工况的仿真模型。模拟工况如表2所示。
表2模拟工况
图4 部分工况仿真模型
2.5 分析方法
在火灾动态发展过程中，关于人员逃生的安全要求如下：（1）最小清晰高度以下的烟层/空气层温度不超过60℃[6]；（2）最小清晰高度以下的烟层/空气层能见度不小于10m[7]；（3）最小清晰高度以下的烟层/空气层一氧化碳浓度不超过500 ppm[8]。
对于高大空间建筑，最小清晰高度参照《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）[5]满足以下公式：
式中：Hq为最小清晰高度(m)；Hb为排烟空间的建筑净高度(m)。对于本项目，最小清晰高度为2.98m。
3 结果与讨论
3.1 着火点位置对火灾动态过程的影响
对于本研究来讲，着火点火源热释放速率最高为20MW，当着火点位置不同时，烟气蔓延特性会发生较大变化，使储煤棚内部不同区域处烟层/空气层温度、可见度、一氧化碳浓度有较大不同。
图5 不同着火点位置条件下人员过道区域温度纵切面
图5给出了不同着火点位置条件下人员过道区域温度纵切面。由图5（a）（b）（c）可知，清晰高度上方区域烟层/空气层温度由高至低依次是着火点位置3、着火点位置1、着火点位置2，分别为77.5℃、73.5℃、63.5℃。清晰高度处烟层/空气层温度在不同着火点位置条件下均低于60℃，满足人员安全逃生标准。
建筑内部区域烟层/空气层温度主要和火源位置及烟气聚集程度相关。着火点位置2居于建筑中部，烟气蔓延速度快，烟气聚集程度低，所以建筑上部烟层温度最低；着火点位置1靠近大气环境，烟气左侧扩散会受到混凝土墙抑制作用但可以直接排至大气环境，自然排烟效率较高；着火点位置3靠近混凝土隔断通道，烟气向右侧蔓延时会在混凝土隔断通道中大量积聚，导致建筑上部烟层温度最高。
图6 不同着火点位置条件下清晰高度处可见度
如图6给出了不同着火点工况下，棚内清晰高度处可见度变化情况及每一防烟分区可见度达到临界值的时间。由图（a）着火点位置1时，储煤棚内部有八个防烟分区区域可见度低于人员逃生最低可见度，其中防烟分区3区域最先达到人员安全逃生最低可见度，最短时间为2230秒。由图（b）（c）可知，着火点位置2、3，储煤棚内部在混凝土隔断通道左侧的13个防烟分区区域可见度均有低于人员安全逃生最低可见度的风险。相较于着火点位置1，着火点位置位于2、3时，建筑内部危险区域面积较大，各防烟分区可见度最先达到临界值的时间分别缩短130秒、290秒。
可见度的变化与烟气等颗粒在垂直方向上的迁移效率有关。着火点位置2发生火灾时，烟气扩散不受阻挡，垂直迁移效率高，可见度更易降低。着火点位置1、3烟气只能单向进行扩散，烟气在储烟仓的积聚效应较着火点位置2高，热压高，烟气更易排出，自然排烟效率较着火点位置2高。
图7 不同着火点位置条件下最小清晰高度处一氧化碳浓度
图7 给出了不同着火点条件下最小清晰高度处一氧化碳浓度分布情况。如图（a）（b）（c）所示，在不同着火点位置1、2、3条件下一氧化碳浓度较高区域分别为35ppm、65ppm、65ppm，均低于人员安全逃生标准所规定的的500ppm限值。
在不同着火点位置条件下，一氧化碳自然排出的效率存在差异。着火点位置1左侧靠近大气环境，一氧化碳可通过建筑上部排烟窗及左侧火车轨道口迅速排出，自然排出效率最高，所以一氧化碳集中区域浓度最低仅为35ppm。着火点位置2、3建筑内一氧化碳的排出主要依靠上部排烟窗，一氧化碳浓度会达到65ppm，且着火点位置2一氧化碳扩散不受建筑物阻挡，因此着火点位置2时一氧化碳集中区域面积明显小于着火点位置3。
基于以上对不同着火点位置条件下建筑内部清晰高度处烟层/空气层温度、可见度、一氧化碳浓度的分析可知：发生火灾时，清晰高度处一氧化碳浓度及烟层/空气层温度在人员安全逃生标准要求范围之内。清晰高度处可见度低于人员逃生所需最小可见度时间最低为1940秒，人员逃生时间较长，但不利于火灾后期消防扑救，需要将建筑下部普通窗打开，提高自然排烟效率。
3.2 排烟窗开启状况对火灾动态过程的影响
为实现对储煤棚排烟窗开启方案进行优化设计，本部分模拟仅打开着火分区排烟窗条件下，储煤棚内部清晰高度处温度、一氧化碳浓度、可见度的变化特性，与1-1排烟窗全部开启工况的效果进行对比。
图8 仅打开着火分区排烟窗
图8给出了仅打开着火分区排烟窗时储煤棚建筑内部人员过道处温度纵切面、一氧化碳浓度、可见度的变化特性。
通过图8（a）与图5（a）可知，当仅打开着火分区排烟窗时，人员过道区域上方烟层温度达到78.5℃，比1-1排烟窗全部开启工况高5℃，清晰高度处烟层/空气层温度低于60℃。由图8（b）与图6（a）对比可知，一氧化碳浓度远高于1-1工况清晰高度处一氧化碳浓度，但仍小于500ppm限值。由图8（d）可知，仅打开着火分区排烟窗时棚内清晰高度处可见度迅速降低，棚内每一区域清晰高度处可见度达到临界值的时间均小于1-1工况，建筑内部可见度低于10m区域较1-1工况多5个防烟分区。
综上分析可见，仅打开着火分区排烟窗会使自然排烟效率降低，烟气在储煤棚内部各区域大量积聚，人员逃生危险性明显上升，因此在发生火灾时不可仅打开着火分区的排烟窗。
3.3 棚外风速对火灾动态过程的影响
图9 棚外风速2.3m/s工况
图9给出了在棚外风速为2.3m/s时，棚内人员过道区域温度纵切面、清晰高度处一氧化碳浓度、可见度变化特性。由图9（a）（b），人员过道区域清晰高度处烟层/空气层温度低于60℃、一氧化碳浓度为55ppm，均符合人员逃生安全标准。由图9（c）（d）可知，在风速存在时，棚内清晰高度处可见度达到临界值的时间进一步降低，最短时间由1-1棚外风速为0工况的2230秒降为1180秒，但棚内清晰高度处可见度达到临界值的区域面积有所降低。
风速的存在一方面提高了自然排烟的效率，另一方面对煤炭的燃烧有助燃的效果，加剧了火源位置附近烟气、一氧化碳等有毒粒子在建筑内部扩散的混乱度。通过以上分析可知，在有风速存在时，靠近火源位置区域人员安全风险较高，而随着远离火源位置，人员安全风险逐渐降低。由此来看，棚外风速提高了人员逃生的安全性。
3.4 挡烟垂壁设置对火灾动态过程的影响
封闭式储煤棚属于典型的高大空间建筑。关于高大空间建筑防烟分区的划分，《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251-2017）4.2.4条规定：当空间净高大于6m时，防烟分区的最大允许面积为2000m2，长边最大允许长度为60m;具有自然对流条件时，防烟分区长边最大允许长度不应大于75 m[5]。除上述规定外，该条款还注明：当空间净高大于9m时，防烟分区之间可不设挡烟设施。关于此条注释的依据及可行性，条文解释未有任何相关说明。防烟分区之间不设挡烟设施，即相当于将这个建筑空间视为一个防烟分区考虑。这与上述2000m2的最大的防烟分区的规定存在矛盾，使得设计人员对于防烟分区的设计具有不确定性的选择，难以有效指导工程设计。对于封闭式储煤棚类建筑，将建筑整体为一个防烟分区和按照规范的最大允许面积的要求划分防烟分区，两种工况的差异如何？将该类建筑整体为一个防烟分区是可行，还需进行针对性的论证。
挡烟垂壁设置的目的是将烟气控制在着火区域所在的空间范围内，并限制烟气从储烟仓内向其他区域蔓延。烟气层高度需控制在储烟仓下沿以上一定高度内，以保证人员安全疏散及消防援救。
图10 设置挡烟垂壁
图10给出了设置挡烟垂壁将建筑内部划分为14个防烟分区后人员过道处温度纵切面及棚内清晰高度处一氧化碳浓度、可见度的变化情况。图10（a）相较于图5（a）1-1不设挡烟垂壁工况，顶棚上方烟气层温度有所升高，上升5℃，清晰高度处烟层/空气层温度低于60℃。通过图10（b）与图6（a）相比较，可知一氧化碳浓度集中区域明显减少，浓度仅为20ppm，有所降低，进一步降低了人员安全风险。
如图10（c）所示，设置挡烟垂壁后，只有防烟分区一至三清晰高度处可见度发生了改变，且高于人员安全标准所规定的10m最低限值，相较于不设挡烟垂壁工况有了较大改善。
因此设置挡烟垂壁可以极大程度上降低火灾对人员安全的危险性，但对于本模拟所设定的20MW最大热释放速率条件下，若不设置挡烟垂壁，只有可见度高于人员安全标准，且人员疏散时间较长，危险性较低。因此，考虑经济成本，可不设挡烟垂壁，将建筑整体作为一个防烟分区。
4 结论
本研究针对典型封闭式储煤棚，建立火灾模拟仿真模型，以清晰高度处烟层/空气层温度、可见度、一氧化碳浓度作为评价指标，得出以下结论：
（1）不同着火点位置工况下，清晰高度处烟层/空气层温度小于60℃、一氧化碳浓度小于500ppm，但能见度在一定时间后有低于人员逃生所需最小可见度的风险，因此火灾发生后应将建筑外表面下部普通窗户打开，提高自然排烟效率。
（2）发生火灾时，仅打开着火分区的排烟窗会极大降低排烟效率。虽然清晰高度处一氧化碳集中区域浓度小于500ppm、烟层/空气层温度小于60℃,但是棚内各区域清晰高度处可见度低于人员逃生所需最小可见度的时间大大缩短，人员逃生风险性提高，因此不可仅打开着火分区排烟窗进行自然排烟。
（3）风速的存在一方面提高了自然排烟的效率，另一方面对煤炭的燃烧有助燃的效果，加剧了火源位置附近烟气、一氧化碳等有毒粒子在建筑内部扩散的混乱度。靠近火源位置区域人员安全风险较高，而随着远离火源位置，人员安全风险逐渐降低。从储煤棚建筑整体区域安全性来看，棚外风速提高了人员逃生安全性，或可考虑关闭部分排烟窗。
（4）设置挡烟垂壁后，棚内清晰高度处烟层/空气层温度小于60℃、可见度大于10m、一氧化碳浓度小于500ppm，无安全风险。但本储煤棚建筑占地面积较大，设置挡烟垂壁成本较高。即使不设挡烟垂壁时，只有人员可见度低于人员逃生安全标准，且逃生时间较长，人员较易逃出，因此可不设挡烟设施，将建筑整体作为一个防烟分区。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年10月刊 总第48期（第二十二届全国通风技术学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。