CN101914904A - 水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备及模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，该设备包括：模拟洞室群系统，用于模拟火灾发生的三维限定空间；火源系统，用于模拟不同的火灾场景，可置于所述模拟洞室群系统各组成部分中的任意位置；通风排烟系统，用于模拟洞室群通风排烟；探测报警系统，用于进行模拟洞室群系统内部火灾的探测识别与报警；测量采集及数据分析系统，用于火灾模拟实验中的数据测量、采集、处理、实验数据的对比、分析、以及事故预测评估。本发明的设备与方法可用于对水利水电工程洞室群火灾的发生发展机理、通风排烟、控制与防治进行实验研究，为地下洞室群建设的工程设计、运营和施工的消防安全提供合理、正确的科学依据。

Description

水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备及模拟实验方法

技术领域

本发明涉及火灾实验模拟技术领域，尤其涉及一种水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备及模拟实验方法。

背景技术

建设于深山峡谷的水利水电工程，通常涉及由地下厂房、主变室、进水和尾水洞、母线洞、交通洞、泄洪洞及施工期导流洞等多个大规模地下洞室组成的地下洞室群。由于洞室相互联通，加之通风排烟组织困难，在施工和运行期间如果发生火灾事故，火灾及烟气蔓延过程将十分复杂。因此通过实验的方法，探索水利水电洞室群烟气蔓延和通风排烟规律，以为地下洞室群建设工程设计、运营及施工的消防安全提供合理、正确的科学依据，是水利水电工程领域迫切需要解决的一个问题。

针对水利水电工程的洞室群采用全尺寸的实体模型进行实验研究，存在一定的困难，采用一定比例尺的模拟实验模型来开展研究是一种必要、科学、经济而又切实可行的手段。长期以来，国内外学者针对火灾实验模拟研究主要利用尺度模拟技术，结合特定的需求而设计研制一定比例的实验平台：北京工业大学采用1∶42的小比例尺地铁模型开展地铁洞内气流组织及传热效应的研究；中国科学技术大学1∶2比例的建筑模型研究室内火灾蔓延；Thomas等人采用1/10缩小尺寸模型来研究大空间建筑内的烟气蔓延现象；Morgan采用1/10缩小尺寸的商场和中庭式大空间模型研究中厅火灾烟气控制规律。然而，这些实验系统的适用对象和适用功能都较为单一，一般仅能满足某类工程的特定需求；同时其洞室结构较为单一，难以满足由大长隧洞及高大洞室等组成的大规模洞室群火灾模拟实验的需要。

目前国内尚无针对水利水电工程洞室群开展火灾事故模拟的实验平台，因此，如何针对于水利水电工程洞室群火灾事故，建立多功能大比例尺的实验系统平台，开展地下洞室群空间火灾蔓延的实验模拟以及事故通风排烟的实验研究，为水利水电洞室群设计、建设、运行、检修的延期管理提供合理、准确的科学依据是水利水电工程领域迫切需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备及实验方法，该设备与方法可用于对水利水电工程洞室群火灾的发生发展机理、通风排烟、控制与防治进行实验研究，为地下洞室群建设的工程设计、运营和施工的消防安全提供合理、正确的科学依据，以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提供的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，该设备包括：模拟洞室群系统，用于模拟火灾发生的三维限定空间，包括主厂房、主变室、母线隧洞、进水隧洞、尾水隧洞；火源系统，用于模拟不同的火灾场景，可置于所述模拟洞室群系统各组成部分中的任意位置，包括：用于提供火源的燃烧器、放置于燃烧器侧翼用于提供示踪烟气颗粒的烟气发生箱、以及控制器；通风排烟系统，用于模拟所述洞室群的通风排烟，包括：主厂房通风排烟部分、主变室通风排烟部分、进水隧洞通风部分、尾水隧洞通风部分；探测报警系统，用于进行模拟洞室群系统内部火灾的探测识别与自动报警，包括：置于所述主厂房及主变室拱顶的感烟探测器，设置在所述主厂房及主变室内两端壁面红外对射火灾探测器，以及与服务器相连的报警控制器；测量采集及数据分析系统，用于火灾模拟实验中的数据测量、采集、处理，实验数据的对比、分析、验证及事故预测评估，包括：设置于所述模拟洞室群系统各组成部分内的温度探头、压力探头、速度探头、气体成分探头、摄像头、及相应的测量装置组成的测量采集部分，以及置于服务器中与所述测量装置相连的数据分析部分。

其中，所述模拟洞室群系统整体可拆卸组合；所述主厂房为长方体空间结构，设置有可在其内任意竖直高度上下移动的主厂房中间层，所述主厂房中间层用于模拟主厂房内不施工、检修或运行的状态；所述主变室为长方体空间结构；所述母线隧洞为矩形隧洞，连接主厂房与主变室，与所述主厂房及主变室中间阀门相连，设置有可在其内任意竖直高度上下移动的母线隧洞中间层，所述母线隧洞中间层用于模拟母线隧洞施工及运行的状态；所述进水隧洞为圆管形隧洞，与所述主厂房中间阀门相连；所述尾水隧洞为矩形隧洞，与所述主厂房主下部阀门相连。

其中，所述主厂房以及主变室底面采用耐火砖铺垫，一端侧面安装耐火玻璃，拱顶表面和其他三个侧面安装防火板；所述母线隧洞及尾水隧洞一侧面安装耐火玻璃，顶面和另一侧面安装防火板，底面采用耐火砖铺垫；所述进水隧洞管壁为钢筋网材料的预置管件；所述主厂房、母线隧洞、主变室、进水隧洞由钢支架托起；所述尾随隧洞置于地面。

其中，所述主厂房通风排烟部分包括：设置于主厂房顶部的主厂房风机、主厂房通风排烟井，设置于主厂房拱顶的主厂房通风管道，以及分布于所述主厂房通风管道上的主厂房排风口，设置于主厂房壁上的主厂房送风口；所述主变室通风排烟部分包括：设置于主变室顶部的主变室风机、主变室通风排烟井，设置于主变室拱顶的主变室通风管道，以及分布于所述主变室通风管道上的主变室排风口，设置于主变室壁上的主变室送风口；所述进水隧洞通风部分包括：安装于所述进水隧洞内的可逆转的进水隧洞轴流风机；所述尾水隧洞通风部分包括：安装于所述尾水隧洞内的可逆转的尾水隧洞轴流风机。

其中，所述主厂房排风口、主厂房送风口、主变室排风口、主变室送风口为百叶风口，且采用风流量罩对所述主厂房排风口、主厂房送风口、主变室排风口、主变室送风口风量进行标定，所述主厂房、主变室送风口外接送风风机，通过变速调节器调节风机总风量。

其中，所述燃烧器包括：用于提供增长火源的气体燃烧器燃气瓶，与所述燃气瓶相连的压力表，与所述压力表相连的流量计，与所述流量计相连的控制阀，与所述控制阀相连的燃烧盘；或包括：用于提供稳定火源的工业甲醇池火燃烧器，包括：用于盛放工业甲醇的甲醇盘，以及具有水浴功能的油盘；所述控制器包括：流量控制阀，用于自动控制气体流量；电子点火探头，置于所述燃烧盘或所述甲醇盘；所述烟气发生箱包括：四周及底部留有通风口的热烟腔，置于热烟腔中间、用于发烟的烟饼，热烟腔内用于点燃所述烟饼的电炉。

其中，所述感烟探测器及所述红外对射火灾探测器采用无线组网。

其中，所述温度探头设置于：所述主厂房拱顶水平方向、四角及中间的竖直方向，所述主变室拱顶水平方向、两端及中间的竖直方向，所述进水隧洞、母线隧洞、尾水隧洞内上部水平方向；所述压力探头设置于：所述主厂房内四角及中间的竖直方向，所述主变室两端及中间的竖直方向，所述进水隧洞、母线隧洞、尾水隧洞的洞口；所述速度探头设置于：所述进水隧洞与主厂房的连接处，所述母线隧洞与主厂房和主变室的连接处，所述尾水隧洞与主厂房的连接处；所述气体成分探头设置于：所述主厂房及主变室内拱顶水平方向，所述进水隧洞与主厂房连接处，所述母线隧洞、尾水隧洞内上部水平方向；所述摄像头设置于：所述主厂房、主变室内两端、所述进水隧洞入口、主变室内朝向所述母线隧洞处。

其中，所述主厂房及主变室内还设置有用于配合摄像头和观测记录的指示灯和标尺。

本发明提供的基于上述设备的水利水电工程洞室群火灾模拟实验方法，该方法包括步骤：

S1.根据模拟的施工阶段，布置或上下移动主厂房中间层及母线隧洞中间层，并将火源系统置于模拟洞室群系统需要进行火灾模拟的位置；

S2.根据火灾场景的设计及相似性理论分析，设计实验火源功率增长曲线，根据火灾模式，设置通风排烟系统的风机压入或吸出，根据实体水利水电工程洞室群的设计和相似性理论分析，对试验中通风排烟系统进行风量调节；

S3.根据实验需要启动或关闭探测报警系统；

S4.开启测量采集及数据分析系统，对实验设备进行校验及标定；

S5.启动火源系统，采集、记录实验数据；

S6.关闭火源系统，设备排烟，处理、分析实验数据。

有益效果：

(1)主厂房、主变室、进水隧洞、尾水隧洞、母线洞均采用了模块化设计，实体模型整体可进行拆卸组合，主厂房与所有隧洞连接部位通过阀门实现软连接，可形成隧洞与主厂房斜连接或垂直连接，连接交角可根据实验需要进行选择；

(2)基于适用于火灾动力学、烟气流动的相似准则系数的相似理论分析，确定了1∶10的大比例尺地下洞室实体实验模型，可模拟施工期间、运行期间和检修期间的火灾实验，可在主厂房和进出主厂房的隧洞内开展火灾实验研究，同时，可开展火蔓延与烟气扩散实验研究、通风排烟研究、有毒有害气体扩散研究等；

(3)火源系统采用两种燃料供给燃烧系统，通过流量计实现燃烧功率的自动控制，点火方式为电子自动点火，功率的设置基于不同火灾场景的相似性理论分析而确定，产生可观测的火灾热烟气，且该热烟气体毒性小、模拟真实，装置移动方便，火源功率易调节、控制，火源系统的实验重复性好、成本低；

(3)各通风排烟部分相对独立，通过变速调解器分别控制每个风机风量，实现实验风量和实际风量的对应，采用风流量罩对每个风机的风量进行标定，风量准确，通过控制各个通风排烟系统的风量，可模拟不同排烟量对洞室内的气流组织和排烟效果，系统的自动控制性与准确性给地下洞室内部事故通风的模拟提供了极大的便利，提高了实验的可操控性。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备的模拟洞室群系统的外观图；

图2为模拟洞室群系统的平面图；

图3为图1的模拟洞室群系统的A-A剖面图；

图4为依照本发明一种实施方式的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备的火源系统原理图；

图5(a)-5(c)为依照本发明一种实施方式的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备的测量采集及数据分析系统的传感器布置图(分洞室表示)；

图6为依照本发明一种实施方式的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备的测量采集部分与数据分析部分的连接示意图；

图7为依照本发明一种实施方式的水利水电工程洞室群火灾模拟实验方法流程图。

图中：1、主厂房；2、主变室；3、进水隧洞；4、母线隧洞；5、尾水隧洞；6、主厂房通风排烟井；7、主变室通风排烟井；8、主厂房通风管道；9、主厂房排风口；10、主厂房送风口；11、主变室通风管道；12、主变室排风口；13、主变室送风口；14、主厂房中间层；15、母线隧洞中间层；16、主厂房风机；17、主变室风机；18、进水隧洞轴流风机；19、尾水隧洞轴流风机；20、21、通风软管；22、燃气瓶；23、压力表；24、流量计；25、控制阀；26、燃烧盘；27、电子点火器；28、热烟腔；29、电炉；30、烟饼；31、甲醇盘；32、水浴盘；33、34、35、主厂房温度探头；36、37、主厂房压力探头；38、39、40、主厂房气体成分探头；41、进水隧洞温度探头；42、进水隧洞压力探头；43、进水隧洞速度探头；44、进水隧洞气体成分探头；45、46、主变室温度探头；47、主变室压力探头；48、49、50、主变室气体成分探头；51、母线隧洞温度探头；52、母线隧洞气体成分探头；53、55、母线隧洞压力探头；54、56、母线隧洞速度探头；57、尾水隧洞速度探头；58、尾水隧洞温度探头；59、尾水隧洞气体成分探头；60、61、主厂房摄像头；62、进水隧洞摄像头；63、64、65、主变室摄像头；66、67、68、69、红外对射探测器；70、71、感烟探测器；72、74、标尺；73、75、指示灯；76、NI SCXI-1600测量装置；77、现场总线分布式测量装置；78、一线制总线温度测量传输装置；79、报警控制器；80、服务器；81、视频矩阵。

具体实施方式

本发明提出的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备及方法，结合附图和实施例说明如下。

依照本发明一种实施方式的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备包括：模拟洞室群系统，火源系统，通风排烟系统、探测报警系统、测量采集及数据分析系统。

其中，模拟洞室群系统用于模拟火灾发生的三维限定空间，如图1～3所示，给出了依照本发明一种实施方式的最常用的4台机组的水利水电工程的洞室群系统结构示意图，明示出了主厂房、母线隧洞、主变室、进水隧洞、尾水隧洞、排烟/风口的基本结构与分布，其它不同数量机组或进水、尾水隧洞非垂直进入的建筑结构形式的洞室群即在此基础上可以进一步实现。

实体的外部尺寸为24m×15.6m×8.5m(长×宽×高，基于适用于火灾动力学、烟气流动的相似准则系数的相似理论分析确定相似比例1∶10)，主厂房1和主变室2分别是长×宽×高为24m×3.1m×6.7m和17.5m×2.5m×2.2m的长方体大空间结构；进水隧洞3为4个直径为1.5m、长6m的圆管形隧洞；尾水隧洞5为4个长×宽×高为8.2m×1.6m×1.8m矩形隧洞，进水隧洞3和尾水隧洞5的长度可根据实验需要增加；母线隧洞4为4个长×宽×高为40m×10m×10m的矩形隧洞，连接主厂房1和主变室2。主厂房1主体结构下部的阀门可连接尾水隧洞5，中间通过阀门可与进水隧洞3、母线隧洞4连接，各组成部分可拆卸组合，主厂房1与所有隧洞连接部位通过阀门实现软连接，可形成隧洞与主厂房1斜连接或垂直连接，连接角可根据实验需要进行选择。主厂房1、主变室2的拱顶设有排烟口和送风口。主厂房1设置有可在其内任意竖直高度移动的主厂房中间层14，主厂房中间层14为一挡板，挡板上在不同位置(每台机组位置)有开口和门，挡板四角安装有滑轮，主厂房1四个墙角竖直高度上安装有导轨，可以根据需要将挡板放置在主厂房1底部，也可上移至主厂房1内任意高度，用于模拟主厂房1内部施工、检修或运行的情形。母线隧洞4内也设置有可在其内任意竖直高度上下移动的母线隧洞中间层15，上下移动母线隧洞4内的母线隧洞中间层15(挡板)，可形成施工和运行过程的母线隧洞结构的洞室群。

模拟洞室群系统主体由耐火板、耐火玻璃以及钢结构等建筑材料组成，其中主厂房1底面采用耐火砖铺垫，一端侧面安装耐火玻璃(观测用)，拱顶表面和其它三个侧面安装防火板；主变室2按照主厂房1同样建造，一端侧面安装耐火玻璃，拱顶表面和其它三个侧面安装防火板，底面安装耐火砖。母线隧洞4一侧面安装耐火玻璃，顶面和另一侧面安装防火板，底面采用耐火砖铺垫。进水隧洞3管壁2cm，为钢筋网材料的高强度预制管件。主厂房1、母线隧洞4、主变室2、进水隧洞3由钢支架托起，钢支架设计进行强度核算，确保整体模拟系统的稳定性。尾水隧洞5同母线隧洞4建造，尾水隧洞5置于地面。所有侧面的防火板均采用内外双层加厚耐火板。

火源系统，用于模拟不同的火灾场景，产生接近于真实的火灾热烟气，如图4所示，该系统包括：用于提供火源的燃烧器、放置于燃烧器侧翼用于提供示踪烟气颗粒的烟气发生箱、以及控制器，燃烧器可采用两种燃料供给燃烧系统：一种是流量可控的气体燃烧器，通过流量控制阀25控制燃烧器气体的流量，从而控制气体火源的功率，该种火源主要适用于增长火源，包括：燃气瓶22，与燃气瓶22相连的压力表23，与压力表23相连的流量计24，与流量计24相连的流量控制阀25，与流量控制阀25相连的燃烧盘26。一种是采用工业甲醇池火燃烧器，包括：用于盛放工业甲醇的甲醇盘31，以及具有水浴功能的油盘32，以产生功率相对恒定的火灾功率，该种火源适用于稳定火源。控制器包括流量控制阀25和电子点火探头27，实验中所采用的具体功率增长曲线可依据火灾场景以及模型相似比例分析来确定，通过电子流量控制阀25实现气体燃烧功率的自动控制控制，燃烧器的点火方式为电子自动点火，通过植入大功率的电子点火探头27实现自动点火。由于气体燃料主要采用天然气、液化石油气等燃烧较洁净的气体，液体燃料采用工业级甲醇，燃烧基本不会产生烟颗粒，为了跟踪烟气的运动情况，需加入示踪烟气颗粒。因此在燃烧系统火源侧翼放置示踪烟气发生箱，烟气发生箱的具体结构见图4，包括四周底部留有通风口的热烟腔28，置于热烟腔28中间、用于发烟的烟饼30，热烟腔28内用于点燃烟饼30的电炉29。烟气发生箱尺寸为0.3m×0.3m×0.3m。烟饼30燃点很低，发烟效果良好，实验中用内置小电炉29将其点燃，烟饼30引燃发出大量的白烟，烟气聚集扩散至侧翼，注入火羽流加以混和卷吸，产生接近于真实的火灾热烟气。与常规火灾实验采用的真实燃烧物体不同，本发明用无毒的热烟代替了有毒有害的火灾烟气，实验重复性好、成本低。火源功率易调节、控制，火源系统移动方便，根据实验需要，可放置在各隧洞和主厂房内部不同位置，模拟洞室群内不同场所的火灾事故，且火源系统的实验重复性好、成本低。

通风排烟系统，用于模拟地下洞室群正常模式和火灾模式下的通风排烟，包括：主厂房通风排烟部分、主变室通风排烟部分、进水隧洞通风部分、尾水隧洞通风部分。各通风排烟部分相对独立，可分别进行风量调节，各个风口的风量由模型相似分析确定。主厂房通风排烟部分由设置于主厂房顶部的主厂房风机16(基于尺度模拟相似准则，最大风量为3000m³/h)、主厂房通风排烟井6、设置于主厂房1拱顶的主厂房通风管道8、分布于主厂房通风管道8上的主厂房排风口9、设置于主厂房1壁上的主厂房送风口10组成。主变室通风排烟部分由设置于主变室顶部的主变室风机17(最大风量为2000m³/h)、主变室通风排烟井7、设置于主变室2拱顶的主变室通风管道11、分布于主变室通风管道11上的主变室排风口12、设置于主变室2壁上的主变室送风口13组成，主厂房1和主变室2内的送风口可外接送风风机。4条进水隧洞3内分别安装1台可逆转的进水隧洞轴流风机18(最大风量为1000m³/h)，4条尾水隧洞5内分别安装1台可逆转的尾水隧洞给轴流风机19(最大风量为1000m³/h)，通过可伸缩通风软管20、21可以对进、尾水隧洞内的不同位置进行压入式送风和吸出式排风。正常情况下主厂房、主变室通风排烟部分做通风用，送、排风机运行，事故情况下做排烟用，排风机开启、送风机关闭。主厂房、主变室通风排烟部分的风口具体布置详见图2，进水隧洞、尾水隧洞通风部分具体布置详见图3。

为了保障每个风口流量的均匀性与可控性，主厂房、主变室通风排烟部分分布式布置百叶风口，即主厂房排风口9、主厂房送风口10、主变室排风口12、主变室送风口13为百叶风口，采用风流量罩对上述风口风量进行标定，并通过变速调解器调节风机的总风量，实现实验风量和实际风量的对应。实验中，各系统风机的总风量依据原有设计风量以及模型相似性理论分析来确定。同时，可开展不同通风、排烟风量下的实验，从而指导防排烟优化方案的设计。

探测报警系统，用于进行模拟洞室群系统内部火灾的探测识别与报警，包括探测器部分和报警控制器两部分，探测器部分包括主厂房1及主变室2拱顶分别设置的1个感烟探测器70、71，以及主厂房1及主变室2内两端壁面设置的1套红外对射火灾探测器66、67及68、69。由于水利水电工程在施工过程中洞体和隧洞空间大、距离长，探测报警系统需长距离传输以及动态的扩容，因此探测器部分采用无线组网，可实现探测报警系统的动态扩充。当模拟的火灾烟气浓度达到设定阈值时，产生的响应电压便驱动与服务器连接80的报警控制器79，如图6所示，进而与防排烟系统联动。在实验中，可根据需要人为的适时关闭或启动火灾探测报警系统。

测量采集及数据分析系统，用于洞室群火灾模拟实验中的多洞室、多点、多参数、多功能的数据测量、采集和处理，以及实验数据的对比、分析、验证和并结合三维数值模拟分析开展事故后果的预测评估。主要测量主厂房1、主变室2、母线隧洞4、进水隧洞3、尾水隧洞5的烟气温度、烟层高度、流速、压力、气体成分等，另外通过目测、摄像、感烟报警来确定烟气的蔓延情况，图5(a)-5(c)为测量采集及数据分析系统的布置图。包括：设置于模拟洞室群系统各组成部分内的摄像头、温度探头、压力探头、速度探头、气体成分探头组成的测量采集部分，以及数据分析部分。

温度测量采用Pt100型热电阻和K型铠装热电偶，其中热电阻主要用于测量烟气温度，K型铠装热电偶主要用于测量羽流温度。温度探头包括：设置在在主厂房1内设置在拱顶水平方向、四角和中间的竖直方向的主厂房温度探头33、34、35；设置在主变室2内拱顶水平方向、两端和中间的竖直方向的主变室温度探头45、46；分别设置在各隧洞内上部水平方向的进水隧洞温度探头41、母线隧洞温度探头51、尾水隧洞温度探头58。

压力测量采用微压传感器，压力探头包括：设置在主厂房1内的四角和中间的竖直方向主厂房压力探头36、37，设置在主变室2内两端和中间的竖直方向的主变室压力探头47，分别设置在各连接隧洞内的连接洞口处的进水隧洞压力探头42、母线隧洞压力探头53、尾水隧洞压力探头55，对火灾后的风压和热压的变化进行实时的测量。

速度测量采用为双向压差皮托管，速度探头包括：设置在进水隧洞3与主厂房1的连接处的进水隧洞速度探头43，设置在母线隧洞4与主厂房1和主变室2的连接处的母线隧洞速度探头54、56，设置在尾水隧洞5与主厂房1的连接处的尾水隧洞速度探头57，对烟气和空气流的速度进行测量。

气体浓度如火灾环境中的CO、CO2、O2等气体成分，及毒气泄漏浓度，通过烟气分析仪和红外气体分析仪测量，气体成分探头包括：设置于主厂房1内拱顶水平方向的主厂房气体成分探头38、39、40，设置于主变室2内拱顶水平方向的主变室气体成分探头48、49、50，设置于进水隧洞3与主厂房1连接处的进水隧洞气体成分探头44，分别设置于母线隧洞4、尾水隧洞5内上部水平方向上的母线隧洞气体成分探头52、尾水隧洞气体成分探头59。

在主厂房1内和主变室2内还设置指示灯72、74和标尺73、75，用于配合摄像和人工观测记录烟气层的沉降高度。

实验过程中的图像通过分布式图像采集系统进行实时连续捕捉动态图像，由多点布置的CCD摄像头进行现场图像捕捉，由分频多方位切换高清晰数字显示器进行后端显示。摄像头包括主厂房1内两端的主厂房摄像头60、61，进水隧洞3入口的进水隧洞摄像头62，对着母线隧洞4的母线隧洞摄像头63，主变室2内的两端的摄像头主变室摄像头64、65。可以根据实际需要灵活调整摄像头的具体位置。

由于实验中需要测量的信号类型多，传感器多点多方位布置，因此需要多套采集装置结合传感器进行信号的采集测量，如图6所示，包括：National Instruments的多通道采集仪装置NI SCXI-1600 76，用于测量压力和速度；智能型现场总线分布式测量装置77，用于测量温度和浓度；一线制总线温度测量传输装置78，用于测量烟气的温度；视频矩阵81用于视频信号采集和存储，上述各装置均与服务器80连接，将各传感器以及摄像头采集的信息上传至服务器。

数据分析系统置于服务器80中，用于对得到的实验数据进行分析，获得火灾的实验数据，并采用FDS、FLUENT等软件开展火灾流体动力学的三维数值模拟，结合实验数据的分析，对火灾后果进行合适的预测评估，提出有针对性的消防措施，为水利水电洞室群设计、建设、运行、检修的烟气管理提供合理、准确的科学依据。

如图7所示，为本发明基于上述设备的水利水电工程洞室群火灾模拟实验方法，该方法包括步骤：

S1.根据模拟的施工阶段，布置或上下移动主厂房中间层及母线隧洞中间层，并将火源系统置于模拟洞室群系统需要进行火灾模拟的位置，例如主厂房、进水隧洞、母线隧洞、尾水隧洞；

S2.根据火灾场景的设计及相似性理论分析，设计实验火源功率增长曲线，以在实验中调整，根据火灾模式，设置通风排烟系统的风机压入或吸出，同样，根据实体水利水电工程洞室群的设计和相似性理论分析，对试验中通风排烟系统进行风量调节；

S3.根据实验需要启动或关闭探测报警系统；

S4.开启测量采集及数据分析系统，对实验设备进行校验及标定；

S5.启动火源系统，开始实验，记录实验数据；

S6.关闭火源系统，实验设备排烟，处理、分析实验数据。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，该设备包括：

模拟洞室群系统，用于模拟火灾发生的三维限定空间，包括主厂房、主变室、母线隧洞、进水隧洞、尾水隧洞；

火源系统，用于模拟不同的火灾场景，可置于所述模拟洞室群系统各组成部分中的任意位置，包括：用于提供火源的燃烧器、放置于燃烧器侧翼用于提供示踪烟气颗粒的烟气发生箱、以及控制器；

通风排烟系统，用于模拟所述洞室群的通风排烟，包括：主厂房通风排烟部分、主变室通风排烟部分、进水隧洞通风部分、尾水隧洞通风部分；

探测报警系统，用于进行模拟洞室群系统内部火灾的探测识别与自动报警，包括：置于所述主厂房及主变室拱顶的感烟探测器，设置在所述主厂房及主变室内两端壁面红外对射火灾探测器，以及与服务器相连的报警控制器；

测量采集及数据分析系统，用于火灾模拟实验中的数据测量、采集、处理，实验数据的对比、分析、验证及事故预测评估，包括：设置于所述模拟洞室群系统各组成部分内的温度探头、压力探头、速度探头、气体成分探头、摄像头、及相应的测量装置组成的测量采集部分，以及置于服务器中与所述测量装置相连的数据分析部分。

2.如权利要求1所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，所述模拟洞室群系统整体可拆卸组合；

所述主厂房为长方体空间结构，设置有可在其内任意竖直高度上下移动的主厂房中间层，所述主厂房中间层用于模拟主厂房内不施工、检修或运行的状态；

所述主变室为长方体空间结构；

所述母线隧洞为矩形隧洞，连接主厂房与主变室，与所述主厂房及主变室中间阀门相连，设置有可在其内任意竖直高度上下移动的母线隧洞中间层，所述母线隧洞中间层用于模拟母线隧洞施工及运行的状态；

所述进水隧洞为圆管形隧洞，与所述主厂房中间阀门相连；

所述尾水隧洞为矩形隧洞，与所述主厂房主下部阀门相连。

3.如权利要求1所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，

所述主厂房以及主变室底面采用耐火砖铺垫，一端侧面安装耐火玻璃，拱顶表面和其他三个侧面安装防火板；

所述母线隧洞及尾水隧洞一侧面安装耐火玻璃，顶面和另一侧面安装防火板，底面采用耐火砖铺垫；

所述进水隧洞管壁为钢筋网材料的预置管件；

所述主厂房、母线隧洞、主变室、进水隧洞由钢支架托起；

所述尾随隧洞置于地面。

4.如权利要求1所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，

所述主厂房通风排烟部分包括：设置于主厂房顶部的主厂房风机、主厂房通风排烟井，设置于主厂房拱顶的主厂房通风管道，以及分布于所述主厂房通风管道上的主厂房排风口，设置于主厂房壁上的主厂房送风口；

所述主变室通风排烟部分包括：设置于主变室顶部的主变室风机、主变室通风排烟井，设置于主变室拱顶的主变室通风管道，以及分布于所述主变室通风管道上的主变室排风口，设置于主变室壁上的主变室送风口；

所述进水隧洞通风部分包括：安装于所述进水隧洞内的可逆转的进水隧洞轴流风机；

所述尾水隧洞通风部分包括：安装于所述尾水隧洞内的可逆转的尾水隧洞轴流风机。

5.如权利要求4所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，所述主厂房排风口、主厂房送风口、主变室排风口、主变室送风口为百叶风口，且采用风流量罩对所述主厂房排风口、主厂房送风口、主变室排风口、主变室送风口风量进行标定，所述主厂房、主变室送风口外接送风风机，通过变速调节器调节风机总风量。

6.如权利要求1所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，

所述燃烧器包括：用于提供增长火源的气体燃烧器燃气瓶，与所述燃气瓶相连的压力表，与所述压力表相连的流量计，与所述流量计相连的控制阀，与所述控制阀相连的燃烧盘；或

包括：用于提供稳定火源的工业甲醇池火燃烧器，包括：用于盛放工业甲醇的甲醇盘，以及具有水浴功能的油盘；

所述控制器包括：流量控制阀，用于自动控制气体流量；电子点火探头，置于所述燃烧盘或所述甲醇盘；

所述烟气发生箱包括：四周及底部留有通风口的热烟腔，置于热烟腔中间、用于发烟的烟饼，热烟腔内用于点燃所述烟饼的电炉。

7.如权利要求1所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，所述感烟探测器及所述红外对射火灾探测器采用无线组网。

8.如权利要求1所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，

所述温度探头设置于：所述主厂房拱顶水平方向、四角及中间的竖直方向，所述主变室拱顶水平方向、两端及中间的竖直方向，所述进水隧洞、母线隧洞、尾水隧洞内上部水平方向；

所述压力探头设置于：所述主厂房内四角及中间的竖直方向，所述主变室两端及中间的竖直方向，所述进水隧洞、母线隧洞、尾水隧洞的洞口；

所述速度探头设置于：所述进水隧洞与主厂房的连接处，所述母线隧洞与主厂房和主变室的连接处，所述尾水隧洞与主厂房的连接处；

所述气体成分探头设置于：所述主厂房及主变室内拱顶水平方向，所述进水隧洞与主厂房连接处，所述母线隧洞、尾水隧洞内上部水平方向；

所述摄像头设置于：所述主厂房、主变室内两端、所述进水隧洞入口、主变室内朝向所述母线隧洞处。

9.如权利要求8所述的水利水电工程洞室群火灾模拟实验设备，其特征在于，所述主厂房及主变室内还设置有用于配合摄像头和观测记录的指示灯和标尺。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的设备的水利水电工程洞室群火灾模拟实验方法，该方法包括步骤：

S1.根据模拟的施工阶段，布置或上下移动主厂房中间层及母线隧洞中间层，并将火源系统置于模拟洞室群系统需要进行火灾模拟的位置；

S2.根据火灾场景的设计及相似性理论分析，设计实验火源功率增长曲线，根据火灾模式，设置通风排烟系统的风机压入或吸出，根据实体水利水电工程洞室群的设计和相似性理论分析，对试验中通风排烟系统进行风量调节；

S3.根据实验需要启动或关闭探测报警系统；

S4.开启测量采集及数据分析系统，对实验设备进行校验及标定；

S5.启动火源系统，采集、记录实验数据；

S6.关闭火源系统，设备排烟，处理、分析实验数据。

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