崔鵬程，陳 鑫，張 濤?

（國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037）

糧庫是糧食儲存和保管的主要場所，也是進行生產(chǎn)作業(yè)的主要地點。統(tǒng)計表明，相比其他類型的事故，火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)較多，造成的損失最為嚴重。并且，隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的革新，為滿足各種作業(yè)的需求，糧庫設(shè)計更加復(fù)雜，單庫存量也不斷攀升。一旦發(fā)生火災(zāi)事故，不但會損壞倉房和糧食，而且產(chǎn)生的有毒煙氣和高溫對正在作業(yè)的人員和未過火糧食造成巨大危害。因此對糧庫火災(zāi)的研究將具有重要意義。

國內(nèi)學(xué)者對糧庫火災(zāi)事故主要進行了原因分析和監(jiān)測預(yù)警。其中，王赫等采用事故樹的方法分析得出我國糧庫火災(zāi)的主要原因是大量使用可燃物和易燃物[1-2]；王小將則認為糧食自身發(fā)熱、糧庫本身存在火災(zāi)隱患、消防安全管理不到位、員工消防意識淡薄、供電線路和防雷設(shè)施存在隱患是引起糧庫火災(zāi)的五大因素[3]；唐芳雄等設(shè)計開發(fā)了糧食儲備庫火災(zāi)預(yù)警軟硬件系統(tǒng)用于火災(zāi)預(yù)防[4]。由于科技的發(fā)展，計算機仿真為火災(zāi)模擬提供便利。由美國 NIST研發(fā)的火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS，以及后期為簡化建模過程而開發(fā)出來的 Thunderhead Engineering PyroSim（以下簡稱PyroSim）在不同行業(yè)中應(yīng)用廣泛。諸如，建筑行業(yè)通過對高層建筑、影院、地鐵車站等進行火災(zāi)模擬，獲取不同時間段、不同火災(zāi)地點的煙氣、溫度、能見度情況，確定人員疏散的安全時間和路線，以及建筑結(jié)構(gòu)[5-6]；交通運輸行業(yè)則對高鐵、隧道交通、高空飛機、大型客車等交通運輸工具和構(gòu)筑物進行火災(zāi)模擬，探究了不同著火點對于人體的危害程度，確定乘客的最小轉(zhuǎn)移時間[7-10]；礦山行業(yè)則通過模擬地下巷道中不同火源情況的火災(zāi)場景，分析火災(zāi)煙氣的總體流動和分布狀況，確定火災(zāi)報警器響應(yīng)時間和應(yīng)采取防火措施[11-12]；而對于大型倉庫，部分學(xué)者通過模擬對棉花倉庫早期火災(zāi)蔓延趨勢[13]和大跨度、大空間的物流倉庫火災(zāi)撲滅技術(shù)[14]進行研究。

由以上內(nèi)容看出，前人對于糧食儲備庫火災(zāi)研究較少，也并沒有將相對成熟的火災(zāi)模擬技術(shù)應(yīng)用到糧庫中來。因此，本文將應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件 PyroSim，選取糧食儲備庫中應(yīng)用較多的平房倉為研究對象，針對磷化氫熏蒸口發(fā)生的火災(zāi)情況，分析火災(zāi)煙氣和溫度對于倉內(nèi)作業(yè)人員的影響，并提出預(yù)防措施，以期為糧庫防火、滅火和人員疏散提供理論基礎(chǔ)。

1 糧庫火災(zāi)的相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 不同階段火災(zāi)特點

1.1.1 火災(zāi)初始階段

點火源能量高于可燃物最小點火能，可燃物被點燃。在火災(zāi)初始階段，可燃物性質(zhì)、燃燒的類型、周圍環(huán)境狀況、通風(fēng)等對火災(zāi)增長速度有一定影響，燃燒速度較慢。燃燒物質(zhì)的充足與否和通風(fēng)供氧條件決定火災(zāi)的后續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。若可燃物較多且氧氣充足，火災(zāi)將繼續(xù)發(fā)展；若可燃物或氧氣缺少，燃燒和火災(zāi)將終止。此階段，火勢較小不易發(fā)覺，但也是防滅火和人員疏散的關(guān)鍵時期。

1.1.2 火災(zāi)發(fā)展階段

火災(zāi)發(fā)展階段，倉內(nèi)所有的可燃物充分燃燒，室內(nèi)溫度急劇升高，煙氣濃度加大，倉房結(jié)構(gòu)逐漸破壞，持續(xù)時間與燃燒物的量和氧氣量有直接關(guān)系。實驗發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)發(fā)展階段燃燒的可燃物為整個火災(zāi)過程中燒掉可燃物數(shù)量的80%[15]。此階段滅火則需要發(fā)動專業(yè)的消防力量進行緊急處置，防止財產(chǎn)繼續(xù)損失和人員的傷亡。

1.1.3 火災(zāi)熄滅階段

火災(zāi)熄滅階段，可燃物逐漸燃燒殆盡，火勢逐漸減小，溫度開始下降，煙氣濃度下降。但相關(guān)實驗發(fā)現(xiàn)，溫度的衰減與上一階段火災(zāi)發(fā)展階段的持續(xù)時間有很大關(guān)系。持續(xù)時間越長，衰減速度越慢。因此，此階段倉內(nèi)溫度仍然很高，熱輻射強烈，滅火時應(yīng)做好降溫和個人防護措施。

1.2 火災(zāi)煙氣

火災(zāi)煙氣指物質(zhì)在燃燒或熱解過程中所產(chǎn)生的懸浮在空氣中的固體和液體顆粒?；馂?zāi)煙氣的主要成分包括：①未燃燒的氣態(tài)可燃物；②氣相燃燒產(chǎn)物；③沒有完全燃燒的液、固相分解物和冷凝微小顆粒?；馂?zāi)煙氣的危害主要體現(xiàn)在其具有遮光性[16]、刺激性[17]、高溫性和毒害性。能見度降低導(dǎo)致疏散速度減慢，刺激性氣體的存在導(dǎo)致人的呼吸系統(tǒng)和眼睛受到損害，高溫造成人皮膚的燙傷，產(chǎn)生的有毒氣體可能造成窒息和中毒的危險[18]。

1.3 火災(zāi)模擬軟件介紹

火災(zāi)模擬的不同軟件對應(yīng)不同的模型，主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀^(qū)域模型、場模型、區(qū)-場-網(wǎng)復(fù)合模型[19]。通過模型和模擬分析，直觀了解火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程，完成對火災(zāi)中的溫度場分布、煙氣分布的定性和定量分析。

1.3.1 專家系統(tǒng)（Expert System）

專家系統(tǒng)主要依靠的是專家通過火災(zāi)實際和實驗參數(shù)的采集和經(jīng)驗總結(jié)，以及火災(zāi)科學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗公式。由于火災(zāi)事故和實驗的局限性，該模型僅限定于針對特定的相似火災(zāi)定性和定量的模擬。目前應(yīng)用比較多的是 FIREFORM、英國ASKRSF和澳大利亞FIRECAIC等[20-21]。

1.3.2 區(qū)域模型（Zone Model）

區(qū)域模擬是以某一確定空間火災(zāi)為研究對象的半物理模擬，是經(jīng)驗公式與三大守恒定律以及化學(xué)反應(yīng)公式的結(jié)合。模擬方式的差異主要取決于結(jié)合程度的不同[21]。模擬時通常將模擬對象分為溫度較高和溫度較低兩部分控制體進行。目前區(qū)域模型的程序主要有CFAST、FIRST、Vents等。

1.3.3 場模型（Field Model）

場模擬是以三大守恒定律為理論研究基礎(chǔ)，利用計算機求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的空間分布及其隨時間變化的方法。目前研究火災(zāi)過程中應(yīng)用較多的是場模擬軟件主要有 CFD通用軟件CFX、FLUENT和火災(zāi)模擬專用軟件FDS[22-24]。

1.3.4 區(qū)-場-網(wǎng)復(fù)合模型（Field-Zone-Network Model）

區(qū)-場-網(wǎng)復(fù)合模型是對以上模型的綜合應(yīng)用。當(dāng)一種模型不能夠滿足模擬需求時，就需要多種模型結(jié)合使用，這樣就能彌補不同模型的不足，形成一種更為合理的火災(zāi)模擬方法。

結(jié)合火災(zāi)模擬場所的特點，選取恰當(dāng)?shù)幕馂?zāi)模型和軟件可以在保證模擬質(zhì)量的基礎(chǔ)上節(jié)約成本和模擬時間，提高效率。針對本文所研究的糧庫的類型，選用場模型進行模擬，所選用的場模擬軟件是在 FDS模型的基礎(chǔ)上進行改進的Pyrosim火災(zāi)模擬軟件。

2 PyroSim基礎(chǔ)理論和平房倉火災(zāi)數(shù)值模擬

2.1 PyroSim軟件介紹

PyroSim火災(zāi)模擬軟件是一款專用于消防動態(tài)仿真模擬的軟件，它是在火災(zāi)模擬軟件FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。PyroSim火災(zāi)模擬軟件最大的特點是提供了三維圖形化前處理和可視化編輯的功能，能夠邊編輯邊查看所建模型，避免了代碼的編寫。該軟件以計算流體動力學(xué)為理論依據(jù)，采用了Navier-Stokes方程和流體的能量、動量和質(zhì)量控制偏微分方程進行流體計算。

表1 PyroSim火災(zāi)模擬軟件理論方程Table 1 PyroSim fire simulation software theoretical equation

PyroSim火災(zāi)數(shù)值模擬軟件包含模型建立、運行求解和分析處理三個基本過程。通過模型設(shè)置、表面設(shè)置、化學(xué)反應(yīng)設(shè)置、設(shè)備設(shè)置，得到一個完整的火災(zāi)數(shù)值模擬模型，最后通過運行模擬模塊，輸出數(shù)據(jù)、圖標和動畫等。

2.2 平房倉火災(zāi)的PyroSim數(shù)值模擬

平房倉作為糧庫中主要倉型，具有倉房的密閉、保溫、隔熱、防潮性能好，單倉容量大、使用壽命長、結(jié)構(gòu)安全可靠、造價低、施工簡便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。因此本文選取平房倉進行火災(zāi)模擬研究。

磷化氫是目前國內(nèi)糧食行業(yè)廣泛使用的糧食殺蟲熏蒸劑。然而，磷化氫氣體是一種無色、劇毒、易燃的氣體，其熏蒸糧食過程引發(fā)的火災(zāi)安全事故時有發(fā)生。因此本研究主要模擬糧食熏蒸過程中磷化氫熏蒸口所引起的火災(zāi)。

2.2.1 平房倉物理模型設(shè)定

本研究以高大平房倉為研究對象，是某庫區(qū)某型號平房倉進行相對簡化而得，計算區(qū)域主要是倉內(nèi)空間。邊界材料均設(shè)置為混凝土且絕熱狀態(tài)。其中，倉房長60 m，寬30 m，高10 m。在倉壁設(shè)置通風(fēng)窗和進出糧門，并處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 平房倉物理模型Fig.1 Physical model of warehouse

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)定

由于平房倉的主體建筑形式為長方體，所以，對建筑進行簡化建立模型尺寸為70×40×15 m3的立方體，取網(wǎng)格參數(shù)見下表 2，最小網(wǎng)格尺寸為1×1×1，網(wǎng)格總數(shù)為 42 000。

表2 網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置Table 2 Grid parameter setting

選取此網(wǎng)絡(luò)模型，既可以準確的描述出平房倉的基本狀況，又能在節(jié)約運算時間的基礎(chǔ)上得到較為精確的模擬結(jié)果。

2.2.3 火源點設(shè)置

火源點設(shè)置在磷化氫熏蒸口，距離倉出 3 m處，火源面積為 0.5×0.5 m2，位置緊貼倉壁，如圖2所示。

圖2 火源點設(shè)置Fig.2 Fire source setting

2.2.4 火災(zāi)模擬初始條件的設(shè)定

在進行PyroSim火災(zāi)數(shù)值模擬時，初始條件有一部分是系統(tǒng)默認設(shè)定的，但是根據(jù)本研究的具體情況，對于初始條件設(shè)定如下：

（1）環(huán)境初始溫度：20 ℃

（2）環(huán)境初始相對濕度：65%

（3）環(huán)境大氣壓力：101 325 Pa

（4）風(fēng)速：0 m/s

（5）火災(zāi)模擬時間：600 s

（6）火災(zāi)增長類型：快速火

（7）地板和墻壁材質(zhì)：絕熱材料，不傳熱

2.3 火災(zāi)模擬結(jié)果

2.3.1 煙氣

通過PyroSim建立平房倉的物理模型，然后設(shè)定火源點，設(shè)定不同的火災(zāi)模擬初始條件，之后點擊運行FDS進行火災(zāi)動態(tài)模擬。這個過程的運算時間會根據(jù)物體的大小，網(wǎng)格多少等的不同而不同。本研究運算時間大概在4.5 h，運算結(jié)果經(jīng)Smokeview軟件處理后通過視頻化的形勢展現(xiàn)出火災(zāi)發(fā)展的全動態(tài)過程，模擬結(jié)束后還可以查看溫度隨時間的變化值等。如圖3～6所示為火災(zāi)煙氣蔓延過程。

圖3 煙氣形成階段Fig.3 Smoke formation stage

圖4 煙氣向上發(fā)展階段Fig.4 Smoke upward development stage

圖5 煙氣頂部發(fā)展階段Fig.5 Top development stage of smoke

圖6 煙氣擴散階段Fig.6 Smoke diffusion stage

從模擬結(jié)果可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)煙氣處于形成階段，火災(zāi)煙氣較小，該階段是滅火和人員逃生的最佳時期；當(dāng)火災(zāi)由一定的發(fā)展，火災(zāi)煙氣向上發(fā)展，煙氣準備開始擴散，火勢較小，倉內(nèi)工作人員應(yīng)及時滅火和疏散；隨著時間的推移，火災(zāi)煙氣逐漸在頂部擴散，開始擴散到整個倉內(nèi)，倉內(nèi)工作人員應(yīng)趕緊撤離，避免停留；當(dāng)火災(zāi)無法控制時，火災(zāi)煙氣充滿整個倉內(nèi)，此時處于倉內(nèi)的工作人員將受到嚴重的生命威脅。

2.3.2 溫度

據(jù)相關(guān)醫(yī)學(xué)和生理實驗統(tǒng)計，火災(zāi)過程的高溫?zé)煔鈺θ梭w造成一定程度的傷害，若長時間處于高溫環(huán)境中甚至?xí)?dǎo)致死亡。判斷煙氣溫度是否對人構(gòu)成危險，通常是以人眼處的煙氣溫度作為特征溫度進行判斷。人眼的特征高度是1.2～1.8 m，取人眼特征高度為1.5 m。對于健康的著裝成年男子，溫度與人體極限忍受時間的關(guān)系式為：

式中：t為極限忍受時間min；T為空氣溫度℃；B1和B2分別為常數(shù)，一般取B1=1.0，B2=0?？紤]濕度影響，安全系數(shù)取0.6，得到：

根據(jù)公式可得出人員忍受時間和溫度之間的關(guān)系，當(dāng)溫度為 50、100、200 ℃時，人體的耐受溫度分別為180、14、1.2 min。由于倉內(nèi)的疏散時間要求較短，因此選取對人體有害的臨界溫度為100 ℃。

為探測倉內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙氣溫度的變化情況，在著火點切面設(shè)置溫度探測器，如圖所示7。

圖7 設(shè)置溫度探測器Fig.7 Setting the temperature detector

經(jīng)過模擬可得溫度分布情況，如圖8～10所示。

圖8 10 s時溫度分布Fig.8 Temperature distribution at 10 s

圖9 100 s時溫度分布Fig.9 Temperature distribution at 100 s

圖10 600 s時溫度分布Fig.10 Temperature distribution at 600 s

由圖可知，當(dāng)時間到達10 s左右時，火災(zāi)處于初始階段，煙氣尚未成型，高于100 ℃的區(qū)域主要集中在火源附近，其他空間溫度維持在常溫20 ℃左右；當(dāng)時間到達100 s左右時，火災(zāi)開始發(fā)展，煙氣開始蔓延，但倉房內(nèi)的溫度大部分還處于常溫狀態(tài)，此時對人體損害最大的是有毒有害的煙氣；隨著火災(zāi)的不斷發(fā)展，當(dāng)時間到達10 min左右時，高溫?zé)煔獠粩鄶U散，1.5 m以上區(qū)域超過100 ℃，1.5 m以下區(qū)域也都處于60～100 ℃之間，已經(jīng)處于臉部短時間暴露的極限溫度，因此，在場人員必須馬上撤離，避免被高溫灼傷。

3 防火和人員疏散建議

3.1 防火

3.1.1 火災(zāi)的主動防護

糧庫火災(zāi)的主動防護指的是預(yù)防和控制倉內(nèi)火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的措施。消防管理部門應(yīng)加強對儲糧單位和企業(yè)的監(jiān)管力度，建立與糧食部門的信息互通機制，明確崗位消防職責(zé)，做到消防檢查常態(tài)化，對于消防隱患應(yīng)做到“檢查一處，整改一處”。糧食儲備庫企業(yè)和單位應(yīng)建立健全消防安全管理，落實消防責(zé)任。并結(jié)合糧庫具體情況，引進相關(guān)防護技術(shù)包括：糧庫火災(zāi)探測報警設(shè)施；磷化氫熏蒸過程中的火災(zāi)預(yù)防措施；主動滅火系統(tǒng)等。

3.1.2 火災(zāi)的被動防護

糧庫火災(zāi)的被動防護指的是減弱火災(zāi)發(fā)展趨勢，減少財產(chǎn)損失的辦法和措施。其中，最重要的是儲糧單位和企業(yè)應(yīng)編制火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，加強對火災(zāi)發(fā)生后的綜合協(xié)調(diào)指揮處置能力，提高應(yīng)急救援反應(yīng)能力，及時、有序、高效、妥善的處置突發(fā)火災(zāi)，最大限度的減少人員傷亡和糧食損失。除此之外，糧庫內(nèi)還應(yīng)盡量減少易燃可燃物的數(shù)，進一步提高糧庫材料和設(shè)施部件的防火性能。

3.2 人員疏散

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，人員的疏散是減少人員傷亡的有效措施。針對糧庫作業(yè)人員，糧庫管理人員應(yīng)加強其安全管理和培訓(xùn)，提高作業(yè)人員安全意識。按照有關(guān)規(guī)定，在作業(yè)人員工作區(qū)域張貼安全疏散注意事項圖、疏散路線圖以及其他疏散常識圖等。并定期開展消防演練，讓作業(yè)人員深入了解消防應(yīng)急常識，樹立消防意識，掌握火災(zāi)事故發(fā)生現(xiàn)場應(yīng)急撲救流程，學(xué)習(xí)安全快速疏散和逃生的方法。

4 結(jié)論

本文運用PyroSim軟件對糧食儲備庫中的平房倉磷化氫熏蒸口火災(zāi)場景進行模擬，分析了煙氣和溫度對于作業(yè)人員的影響，得出的結(jié)論如下。

煙氣形成階段和向上發(fā)展階段為滅火和作業(yè)人員疏散的最佳時期；當(dāng)煙氣在頂部擴散時作業(yè)人員應(yīng)馬上撤離；當(dāng)煙氣彌漫至整個倉房時已經(jīng)十分危險，作業(yè)人員嚴禁進入倉內(nèi)。

高溫容易導(dǎo)致作業(yè)人員燒傷和燙傷。在倉內(nèi)1.5 m以下范圍溫度未達到人員極限忍受范圍時，作業(yè)人員應(yīng)趕緊撤出，避免燒傷。并且應(yīng)捂住口鼻，防止高溫?zé)煔庠斐珊粑到y(tǒng)損害。

儲糧單位和企業(yè)應(yīng)采取多種措施主動預(yù)防和控制火災(zāi)，并盡可能減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。提高人員疏散培訓(xùn)質(zhì)量和消防演練頻次。