陳永鋒，李　朵，朱振宇，楊　皎

(西安建筑科技大學(xué), 陜西 西安 710055)

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煙草火災(zāi)危害后果定量評價研究

陳永鋒，李朵，朱振宇，楊皎

(西安建筑科技大學(xué), 陜西 西安 710055)

摘要:為準(zhǔn)確評價煙草倉庫失火煙氣危害，在借鑒能見度、熱輻射、N-GAS和FED模型的基礎(chǔ)上，提出綜合考慮熱輻射、煙氣毒性和能見度的煙氣危害評價模型TVH(Toxicity，Visibility，Heat)。采用PyroSim軟件模擬的方法，以某失火煙草倉庫為原型，構(gòu)建接近于真實的虛擬火災(zāi)現(xiàn)場。通過模擬煙氣運動規(guī)律及煙氣危害評價因子隨時間變化曲線，分析得出位置不同，煙氣危害的效果也不同。定量計算三個模型煙氣危害指數(shù)，分析得出熱輻射是造成人員傷亡的重要原因，TVH模型比N-GAS和FED模型多考慮了熱輻射和能見度的影響，更全面評價煙草火災(zāi)危害后果，最后提出TVH模型的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:煙草火災(zāi)；能見度；熱輻射；TVH模型；PyroSim模擬

煙草作為可燃物，不僅發(fā)生有焰燃燒，還能發(fā)生陰燃，煙草中的鉀元素，更增強了煙草的陰燃持火力，加之煙草倉庫可燃物多，堆放集中[1]，發(fā)生火災(zāi)后煙氣濃度大、毒性高，所以煙草倉庫比其他建筑物更容易發(fā)生火災(zāi)，危害性更大。據(jù)2013年NFPA發(fā)布的一份報告顯示，2011年美國煙草引發(fā)的火災(zāi)事故約90 000起，造成540人死亡，6.21億美元的財產(chǎn)損失，由此可見煙草火災(zāi)發(fā)生的頻繁性和危害后果的嚴(yán)重性。關(guān)于火災(zāi)危害性的研究，我國學(xué)者主要以商場、住宅樓等[2]人群密集的場所為研究對象，采用概率曲線、模糊評價等方法[3-5]定性分析火災(zāi)造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，這些研究理論上豐富了火災(zāi)危害的研究，但沒有定量計算。相關(guān)研究表明，火災(zāi)中高達(dá)70%的人員死亡是因為吸入大量有毒氣體[6]，煙草的特殊性更加重了煙氣的危害。因此，筆者將煙氣作為火災(zāi)危害的主要對象，建立TVH(Toxicity，Visibility，Heat)模型，定量評價煙氣的危害后果。

1常規(guī)評價模型

定量評價火災(zāi)危害的主要模型有N-氣體模型和FED模型，N-氣體模型考慮了CO、CO2等氣體及缺氧條件的煙氣毒性，其計算見式(1)：

(1)

該模型考慮了CO2和CO的耦合毒性，使用方便，但僅適用于氣體體積隨時間變化很小或恒定的情況。FED模型在此基礎(chǔ)上，運用換氣過度因子VCO2考慮了CO2對人呼吸的影響，其計算見式(2)：

(2)

FED模型比N-氣體模型的計算結(jié)果更接近實際，但兩模型均只考慮了煙氣毒性的作用。火災(zāi)煙氣是由煙草燃燒產(chǎn)生的氣體、固態(tài)顆粒和液滴3類物質(zhì)組成的云狀混合物[7]，具有較高溫度。一般煙氣的危害主要體現(xiàn)在毒性上，但煙草燃燒產(chǎn)生的大量煙氣具有強烈遮光性，降低了能見度，煙氣熱量向周圍輻射，造成灼傷。熱輻射和能見度的雙重效果延長人群疏散時間，不利于逃生，因此有必要將熱輻射和能見度納入煙草火災(zāi)危害評價因子，綜合考慮煙氣毒性、能見度和熱輻射的危害后果。

2TVH模型

筆者在能見度模型、熱輻射模型、N-GAS和FED模型的基礎(chǔ)上建立TVH模型，充分考慮了時間對熱輻射、能見度的影響，更全面地體現(xiàn)了煙草火災(zāi)危害的后果。

2.1 　煙氣毒性和能見度模型

煙草燃燒的煙氣中有3 000多種有毒物質(zhì)，謝劍平等[8]篩選出含CO在內(nèi)的7種最具代表性的有毒成分?？紤]到CO是唯一被證實的造成人員大量傷亡的有毒氣體，也為簡化計算，我們選取CO為本次研究的對象。研究毒氣的衡量指標(biāo)，最常用的有半數(shù)致死體積分?jǐn)?shù)LC50和半數(shù)失能體積分?jǐn)?shù)IC50。兩指標(biāo)相比，IC50相對保守，適用于常規(guī)火災(zāi)，LC50更能體現(xiàn)煙草火災(zāi)煙氣的毒性及特殊性，因此選擇LC50為本次煙氣毒性評價指標(biāo)，預(yù)測更準(zhǔn)確。

煙草燃燒產(chǎn)生的大量煙氣，降低了火場能見度。沒有火災(zāi)煙氣存在的情況下，正常的極限視程是30m。在防火性能設(shè)計中，大空間的臨界能見度是10m。能見度影響被困人員的行走速度和火災(zāi)現(xiàn)場的疏散時間?；馂?zāi)煙氣能見度與被困人員行走速度的關(guān)系可擬合為：

(3)

式中：D為能見度(m)；V(D)為能見度為D條件下人員的行走速度(m/s)。當(dāng)疏散路徑一定，疏散速度與疏散時間可表示為：

(4)

式中：L為疏散路徑長度(m)。經(jīng)計算可知，不同能見度條件下，人的行走速度和疏散時間可相差300多倍。能見度模型給出能見度隨時間變化的定量關(guān)系，用式(4)可計算得出不同能見度條件的疏散時間。

2.2　熱輻射模型

煙草燃燒的表面溫度達(dá)300 ℃，燃燒中心煙氣溫度可達(dá)900 ℃，通常的火災(zāi)現(xiàn)場溫度多高達(dá)600 ℃。李山嶺等[9]指出，距火源半徑10m的輻射圈范圍內(nèi)，120 ℃的環(huán)境中人體可忍耐15min左右；175 ℃的高溫環(huán)境中，人體只能忍耐1min。高溫環(huán)境下的人體極限忍耐時間和溫度之間存在如下關(guān)系：

(5)

式中：T為環(huán)境溫度(℃)；tc(T)為極限時間(min)。

式(5)表明溫度跟人體極限忍耐時間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度升高，人體極限忍耐時間快速減少。一般采用熱通量對熱輻射的危害程度進(jìn)行評價。NFPA59A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，人體承受的最大安全輻射熱通量為5kW/m2。因此，本次模型以5kW/m2為安全評價標(biāo)準(zhǔn)。熱輻射模型給出了高溫?zé)彷椛潆S時間變化的定量關(guān)系和安全評價指標(biāo)，為后續(xù)熱輻射的定量計算提供依據(jù)。能見度模型中的tD和熱輻射模型中的tc(T)，應(yīng)取兩者中的較小值計算火場疏散時間。

2.3　TVH模型

基于謝建平等人[8-11]的研究成果，我們構(gòu)建了綜合考慮煙氣毒性、能見度和熱輻射的煙草火災(zāi)煙氣危害定量評價模型TVH，其計算見式(6)。

(6)

(7)

TVH模型運用環(huán)境溫度T和疏散時間tD將煙氣毒性、能見度及熱輻射聯(lián)系起來，構(gòu)建了三者共同作用下的煙草煙氣危害后果評價模型。研究表明，TVH的評價值為0.8，表示火災(zāi)煙氣對人的危害較小，不危及生命安全；TVH的值為1.0，表示火災(zāi)煙氣有可能危及人的生命安全；TVH的值為1.3，表示人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。

3實證分析

3.1　背景概況

2014年5月某卷煙公司倉庫突發(fā)大火，車間存放的煙草致使火勢迅速蔓延，煙氣彌漫，造成多人受傷?？疾斓弥搨}庫體積為50m×38m×15m，共17排37列貨架，存放5 700箱卷煙。南、北、東方向共3個門，且均處于開啟狀態(tài)，其位置如圖1所示。

圖1　倉庫及門位置平面圖

3.2　模型建立及初始化

根據(jù)《民用建筑防火排煙技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，應(yīng)取倉庫火源熱釋放量為4MW[12]。基于火源位于倉庫中心最大火災(zāi)危險性的考慮，筆者將火源設(shè)置在倉庫中心第9排18列貨架，火源尺寸為箱體表面，開始熱釋放量為5MW。本次模擬采用均一網(wǎng)格，確定網(wǎng)格劃分為(共計230 000個)，門及火源模擬相應(yīng)的坐標(biāo)值如表1所示。CO、O2、CO2濃度及能見度探測點設(shè)置在3個出口處，以便及時獲取數(shù)據(jù)。

表1　FDS模擬中相對應(yīng)的坐標(biāo)值　m

根據(jù)背景介紹、網(wǎng)格劃分及表1中的坐標(biāo)值，利用PyroSim軟件模擬出煙草倉庫火災(zāi)現(xiàn)場的立體圖，如圖2所示。

圖2　火災(zāi)現(xiàn)場模擬立體圖

4模擬結(jié)果分析

4.1　火災(zāi)發(fā)展過程

火災(zāi)模擬過程體現(xiàn)了各物理量隨時間的變化，煙氣填充圖展示了火災(zāi)的蔓延過程，如圖3所示。

由圖3可看出，熱煙氣在浮力的作用下形成羽流垂直上升，在t=35 s時撞擊頂棚，受頂棚限制的煙氣改變流動方向朝四周蔓延；在t=61 s時撞到兩側(cè)的墻壁，受墻壁限制的對稱煙氣以相同的速率向倉庫下端填充。在t=84 s時，四角的煙氣迅速沉降，受下方冷空氣的影響，煙氣動量不足停止下降并在26 s后于頂棚上端形成煙氣層。不斷卷入的空氣讓煙層逐漸增厚，在t=225 s時煙氣填充了房間近2/3的空間，415 s時整個空間充滿煙氣。

圖3　正常情況下倉庫煙氣填充圖

4.2　煙氣毒性和能見度分析

火災(zāi)中CO致死的人數(shù)占死亡總?cè)藬?shù)的40%以上[13]。黎強等[14]研究了火災(zāi)煙氣中有毒氣體體積分?jǐn)?shù)的分布與危害。研究指出，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)為0.05%時，人在1 h內(nèi)不會有什么癥狀；當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%，人在1 h內(nèi)會頭痛作嘔不舒服；當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%，人在0.5 h內(nèi)會窒息而亡；當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)超過1%，人在2 min內(nèi)中毒死亡。根據(jù)CO不同濃度時的危害癥狀，筆者取0.1%作為危險點進(jìn)行分析。通過溫度分布、能見度分布等重要參數(shù)，模擬出這些參數(shù)隨時間的變化，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4　CO體積分?jǐn)?shù)時間變化圖

由圖4可知，前200 s，2號門有少量的CO，1、 3號門幾乎沒有； 200 s后，2號門的CO體積分?jǐn)?shù)上漲至0.12%，超過CO濃度危險點，1、3號門的CO體積分?jǐn)?shù)分別呈波動性和持續(xù)性上漲，但均沒有超過人體危險值，處于2號門附近的人會頭疼作嘔，而1、3號門附近的人受毒氣影響不大，1 h內(nèi)無癥狀。

圖5　能見度時間變化圖

由圖5可知，在t=405 s、95 s、297 s時，1、2、3號門的可見度在疏散臨界值10 m范圍內(nèi)。在t=100 s時2號門的能見度降至5 m以下， 而1、3號門的能見度在275 s內(nèi)基本不受影響。在t=400 s時，煙氣充滿整個空間，t=500 s時1、2、3號門的能見度基本都在2.5 m以下。隨著時間的推移，500~900 s的觀測時間段內(nèi)煙氣遮光效果明顯，能見度趨于0。結(jié)合圖3和圖5可知，在t=400 s左右，煙氣充滿整個房間，能見度達(dá)到極低值，不利于人員疏散。

4.3　熱輻射分析

由圖6可知，2號門的溫度最先上升，在t=150 s出現(xiàn)峰值，達(dá)到最大熱輻射3.5 kW/m2，隨后溫度下降并在2.4 kW/m2上下波動；1、3號門在100~250 s時間內(nèi)熱輻射曲線幾乎重合，隨后兩條曲線均呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢，兩條曲線幾乎同時在t=375 s時達(dá)到峰值，1號門的熱輻射值始終在3號門之上。分析可知，火災(zāi)發(fā)生后，2號門附近的熱輻射傷害最大，其次為1號門和3號門，它們的熱輻射平均值分別為2.4 kW/m2，1.8 kW/m2，1.4kW/m2，雖沒有超過熱輻射的安全警戒值，但長時間高于皮膚平均溫度的熱輻射容易造成二級燒死。

圖6　熱流量時間變化圖

4.4　H值分析

從小火發(fā)展為大火，煙氣危害指數(shù)(H)隨時間的推移而變化。筆者取t=35 s、225 s、414 s、670 s四個不同的時間作為發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的時刻，分析不同能見度條件下煙氣的危害。在t=35 s、225 s、414 s、670 s時，倉庫平均能見度分別26 m、21 m、7 m、3 m。1、2、3號門到火源中心的長度分別為25 m、26.4 m、26.4 m，根據(jù)式(4)和式(5)，四種不同能見度下，1號門的疏散時間分別為22 s、22.5 s、39 s、83 s；2、3號門的疏散時間分別為23.6 s、23.8、41.3 s、88 s。分析數(shù)據(jù)可知，倉庫能見度直接影響著疏散時間。t=35 s和t=225 s的疏散時間差距不大，但t=414 s 的疏散時間幾乎是t=225 s的2倍，t=670 s后的疏散時間呈倍數(shù)增長。根據(jù)式(6)，表2給出了3個門不同時間段內(nèi)熱輻射、CO毒性、能見度及H值。

表2　不同出口各時間段內(nèi)參數(shù)平均值

煙氣毒性的衡量值是1.1[15]。由表2可知， 2號門在225 s左右時，CO毒性超過1.1并持續(xù)增大，1、3號門的毒性一直處在安全范圍內(nèi)；2號門在200 s內(nèi)高溫輻射迅速增大，能見度急速降低，1、3號門在400 s后高溫輻射增長明顯且穩(wěn)定，能見度迅速降低至4.5 m左右。總體而言，2號門的H值始終高于同一時間段的1、3號門，2號門附近的人員受到的煙氣危害更大。

基于N-GAS、FED和TVH模型計算得出平均煙氣危害指數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3　不同模型煙氣危害性指數(shù)H值對比

由表3可知，TVH模型計算出的H值比N-GAS模型和FED模型計算的H值都大。在t=414 s時，TVH模型的H值是另外兩個模型的2.5倍，這種差異性主要體現(xiàn)在熱輻射上。TVH模型考慮了熱輻射的影響，而N-GAS、 FED模型沒有考慮，因此計算的煙氣危害指數(shù)差異較大。從結(jié)果來看，N-GAS模型和FED模型的H值一直小于0.8，說明煙氣毒性對人體傷害不大，但TVH模型計算出的H值在414 s后超過1.3，人的生命安全受到嚴(yán)重威脅，可見在煙草火災(zāi)中，熱輻射是造成人員傷亡的重要原因。

5結(jié)論

利用PyroSim軟件進(jìn)行的模擬，展示了不同時間段煙氣的運動，受煙氣運動規(guī)律的影響，距火源位置差異不大的3個出口，煙氣危害效果不同，2號門的煙氣危害指數(shù)和熱輻射明顯高于1、3號門，不利于逃生?；馂?zāi)發(fā)生200 s后CO的毒性讓人頭疼作嘔，熱輻射在測量時間段內(nèi)沒有超過安全警戒值，N-GAS模型和FED模型計算出的H值也一直小于安全值，說明單獨某個因素的作用對人的生命安全不構(gòu)成威脅。但煙氣的遮光性降低能見度，增加人員的暴露時間，延長了煙氣對人體的危害，t=414 s時TVH模型計算出的H值超過1.3，三因素的綜合作用對人體生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，其中熱輻射占主要作用，能見度間接影響熱輻射和煙氣毒氣的作用時間。TVH模型計算出的煙氣危害指數(shù)比N-GAS模型和FED模型計算的危害指數(shù)都大，更全面地體現(xiàn)了煙草火災(zāi)的危害后果。TVH模型的提出為日后火災(zāi)危害研究提供了新的思路。

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Quantitative Evaluation Research of Harmful Consequences of Tobacco Fire

Chen Yongfeng, Li Duo, Zhu Zhenyu and Yang Jiao

(Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Abstract:In order to evaluate the fire hazard of flue gas in tobacco warehouse, based on models of visibility, heat, FED and N-GAS, TVH (Toxicity, Visibility, Heat) model is proposed. Using the method of PyroSim software simulation, taking a fire tobacco warehouse as the prototype, the virtual fire scene close to the real is built. Through simulating the movement law of the smoke and the variation curve that hazard evaluation factors of flue gas change with time, it is concluded that the effect of flue gas of different position is different. According to the flue gas hazard index the three models quantitative calculate, the conclusion heat is an important cause of casualties is analyzed. Considered the effect of heat and visibility, the evaluation hazard of TVH model is more comprehensive than that of N-GAS and FED model. Finally, the application of TVH model is put forward.

Key words:tobacco fire; visibility; heat radiation; TVH model; PyroSim simulation

作者簡介：陳永鋒(1961-)，男，陜西乾縣人，教授，主要從事風(fēng)險評估理論、建模與方法、企業(yè)信息化方面的教學(xué)和科研工作. E-mail：634971466@qq.com

基金項目：國家自然科學(xué) “陸上油氣管線風(fēng)險評估技術(shù)研究”(61271278)；陜西省重點學(xué)科建設(shè)專項資金資助項目(E08001)

收稿日期：2015-07-10修回日期：2015-09-11

中圖分類號：TB；X4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)01-0050-05

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.011