CN113593171B - 一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法及系统。该方法包括部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息。本申请解决了电缆隧道空间中感烟预警不及时，需要耗费人力的技术问题。通过本申请重点关注电缆中间接头和交叉互联箱位置的火灾隐患监测，通过前端传感可视化优势更好的保障电力系统的正常运行及保障安全用电。

Description

一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法及系统
技术领域
本申请涉及感烟预警领域，特别涉及一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法及系统。
背景技术
近年来，我国电气火灾多发，造成重大人员伤亡和财产损失。在电力系统，电力设备本身已经高度精密化，功能越来越完备，造价也变得越来越昂贵，所以电力设施的一次很小的火灾都将造成非常严重的后果。其中不仅包括设备本身的损失，而由此引发的电力服务中断所带来的损失更是不可估量。
在电力系统普遍采用点式感烟/感温火灾探测器、普通对射式感烟探测器及缆式感温探测器。然而，点式烟感探测器的报警灵敏度低，被动式探测，不适用于电缆隧道有限空间的环境；普通对射式感烟探测器需要大量可见烟的遮挡才能报警，它的灵敏度比点式感烟探测器还要低很多。
针对相关技术中电缆隧道空间中感烟预警不及时，需要耗费人力的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法及系统，以解决电缆隧道空间中感烟预警不及时，需要耗费人力的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法。
根据本申请的用于电缆隧道空间的感烟预警方法包括：部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息。
进一步地，方法还包括：基于所述探测装置上传的实时数据，建立电缆隧道几何模型，根据所述电缆隧道几何模型，确定在所述电缆隧道内的通风优化策略。
进一步地，方法还包括：基于预设燃烧模型，确定在电缆隧道内发生火灾的情况下，根据火灾发生的火源位置、火源种类、火灾发生季节，确定边界条件。
进一步地，所述部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测，包括：基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
进一步地，所述在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息之后，还包括：根据所述探测装置上报的预警信息通过火灾报警控制器将预警信息处理之后，发送至联网的控制中心，以使所述控制中心对火灾的预警信息进行可视化操作。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种用于电缆隧道空间的感烟预警系统。
根据本申请的用于电缆隧道空间的感烟预警系统，用于将对火情实时在线监测，并在火灾早期产生报警，系统包括：部署在电缆隧道空间内的用于火灾探测的多个探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；以及在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息；与所述探测装置连接的火灾报警控制器，用于响应所述探测装置中的预警信息；与所述火灾报警控制器连接的控制中心，用于将所述预警信息进行可视化显示；所述控制中心，还用于根据可视化显示结果远程进行火灾预警。
进一步地，所述火焰探测模块包括：用于检测火焰特有紫外波长的紫外线传感器和用于检测火焰特有红外波长的红外传感器；
进一步地，系统还包括：隧道几何模型模块，用于基于所述探测装置上传的实时数据，建立电缆隧道几何模型；根据所述电缆隧道几何模型，确定在所述电缆隧道内的通风优化策略。
进一步地，系统还包括：燃烧模型模块，用于基于预设燃烧模型，确定在电缆隧道内发生火灾的情况下，根据火灾发生的火源位置、火源种类、火灾发生季节，确定边界条件。
进一步地，所述部署在电缆隧道空间内的用于火灾探测的多个探测装置的确定方式包括：基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
在本申请实施例中，采用部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测的方式，通过在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息，达到了对火灾隐患的准确检测目的，从而实现了通过前端传感可视化优势更好的保障电力系统的正常运行及保障安全用电的技术效果，进而解决了电缆隧道空间中感烟预警不及时，需要耗费人力的技术问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的用于电缆隧道空间的感烟预警方法的系统架构示意图；
图2是根据本申请实施例的用于电缆隧道空间的感烟预警方法流程示意图；
图3是根据本申请实施例的用于电缆隧道空间的感烟预警方法流程示意图；
图4是根据本申请实施例的用于电缆隧道空间的感烟预警系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
电缆隧道内部电缆种类特别多，潮湿、不通风，经常存在有各类有毒气体及可燃气体。目前对于电缆隧道的巡检大部分还是由隧道看守人员完成，然而对于某些偏远地区的电缆隧道，隧道看守人员非常少甚至没有，巡检工作变得异常艰难，需要耗费非常多的人力和时间。另外，隧道内部大部分的设备都是高压、高辐射，对于隧道看守人员去巡检非常危险；同时对于看守人员非常少甚至没有的高压电缆隧道，如果高压电缆隧道发生事故，现场的报警设施少、应急措施少、调度指挥难度也大。日常巡检是电缆隧道可靠运行的保证，在保障电缆隧道正常生产、安全运行方面占有极其重要的作用。然而电缆隧道内电缆、排水、通风、供电、照明、消防、通讯等输电设备及附属设备数量多、分布点多、总里程长，造成了监控信息量大、交互性强、监控距离长、巡检周期短等特点，给日常巡检带来了繁重的巡检内容，需要耗费大量的时间及人力。
随着输电线缆铺设的地下化，电缆隧道的巡检越来越需要借助智能化的巡检设备。电缆隧道智能巡检机器人与集中监控相结合的方式构架的移动视频监控系统，用其来解决周期巡视电缆隧道电缆及附属设施的运行情况，一定程度的解决了高压供电电缆正常运作状态不间断巡检与工作人员的周期巡检不足的矛盾，保障了巡检任务的数量、质量和可靠性，提升了供电组网及供电设施及电缆隧道工作人员安全性；周期性巡检信息的集中监控记录、交互分析功能，为电力设备及时维护和故障分析提供了更为可靠的依据。但是机器人车体导航、续航与定位方面可靠性不足，易偏离航线出现与电力设备的碰撞。其次轮式机器人占用了隧道内的人工检修通道，一旦出现应急检修、疏散和应急处置任务，机器人将阻碍隧道内畅通，造成安全隐患，同时在隧道内的积水路段，轮式机器人则显得力不从心，由于防水性上的不足，使得产品遇水后电路短接挂机，给使用单位带来很大的维护工作量，寿命较短。机器人仅有可见光视频检测，无法实现设备热缺陷诊断和故障预警，仅支持人工遥控巡检，无法实现无人值守隧道巡检。
轨道式机器人虽然具有驱动控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高、运动噪声低等优点。轨道式机器人能够充分利用轨道、使机器人更安全的工作，而不与其他设备发生碰撞，还可以通过精确定位，完成自主或者遥控的操作方式，完成预先设定的巡检任务，对设备进行全方位的巡检，保障设备长时间可靠运行。此种方式，控制系统简单、控制精确度高，但是轨道固定，形式范围有限也为机器人功能扩展带来了限制，移动的轨道巡检机器人在进行巡检工作时检测范围受到导轨轨道的制约,而且现有轨道多采用结构复杂的型材料加工而成，很难折弯成复杂的空间轨道，其采用的摩擦驱动方式在水平面内轨道上运行，不宜在坡度较大或接近竖直的轨道上移动地下电缆隧道内部环境错综复杂，势必会有部分电缆受运行轨道制约距离太远或者被遮挡而无法检测到。另一方面电缆隧道中的防火墙制约了轮式机器人、轨道式机器人的运行，业内将电缆隧道的火灾预警聚焦到在线监测传感器方面。
线型感温电缆可以分为开关量感温电缆和模拟量感温电缆。开关量感温电缆是通过温度升高时融掉电缆外护套材料、导体短路进行报警的，目前已经基本退出了火灾探测报警系统的市场；线性感温模拟量电缆的工作原理是源于“热电势”的物理现象，同轴感温电缆的结构即根据此物理现象NTC的特征来监控温度和实现火灾报警，其电缆包括内导体、内绝缘层、金属编织屏蔽层和外护套层。根据不同的使用环境要求，外护套采用阻燃聚氯乙烯、聚四氟乙烯等不同的护套材料，金属屏蔽型的感温电缆在PVC护套外增加一层金属编织层。其中绝缘层的绝缘材料是一种特殊的负温度系数(NTC)热敏材料，因此内导体与屏蔽层之间的电阻呈负温度特性。绝缘层的电阻温度特征表现为一个对数函数，即常温下的电阻值将远大于异常温度下的电阻值。随着温度的上升，电阻值随之下降。通过信号解码器可以感知这种变化，当达到预先设定的报警温度时，系统即会报出火警。感温电缆均采用模拟型感温电缆，数字型感温电缆已基本被淘汰，感温电缆本身测量原理的限制，其存在以下缺陷:(1)设定接口一般安装于现场，修改报警温度设定值较为麻烦。(2)报警信号只能定位到某一区域，无法精确显示报警信号位置。(3)报警温度值为预先设定，无法随意修改。(4)控制中心不能了解现场的温度变化速率、变化趋势等信息，无法做出早期反应。(5)工作时需要电力供应，易受电磁干扰，易产生静电。
感温光纤又称为光纤感温火灾探测器，按照工作原理又可分为分布式光纤感温火灾探测器和光纤光栅感温火灾探测器。光纤光栅感温火灾探测器以光纤连接的多点光栅为温度检测单元，分布式光纤感温火灾探测器以整根光纤为温度检测单元。光纤光栅感温系统是通过多个单体光栅熔接在光纤上，在长距离的电缆探测应用中，系统成本较高，且后期维护检查点较多。
项目组将充分调研国内外基于红紫外双鉴成像式智能感烟识别装置在电缆隧道有限空间的研究与应用的相关技术及案例，总结现有探测设备的优缺点，研究基于红紫外双鉴成像式智能感烟识别装置关键探测器原件，利用广谱灯、紫外灯、抛物线型反光镜、滤光片、红外玻璃窗口、控制模块等部件组成整机，发出一定频率的红紫外光谱。采用紫外灯产生紫外光源；采用广谱灯、滤光片产生红外光源；做到设备功耗低，操作简单，携带方便；且设备结构具有防爆特性。通过试验测试，并改进完善，解决目前电缆隧道狭长、死角多检查巡视困难，根据不同时段存在不同的烟雾特点，能够做到准确的捕捉烟雾颗粒、准确的分析并及时预警，依靠设备的先进性、烟雾模型及算法、现场布置的合理性，是工作的重点和难点，并且感烟系统的使用寿命以及经济适用性都在考虑范围之内。
红紫外双鉴式烟雾探测器发射器投射的光束都含有一个与成像器同步的独特序列的紫外(UV)和红外(IR)脉冲，能够杜绝任何干扰光源；接收器接受的紫外+红外光信号衰减差值来识别烟雾、发出报警，波长较短的紫外光源能与小烟雾颗粒和大烟雾颗粒发生作用，而波长较长的红外光源仅能与大烟雾颗粒发生作用。因此，通过测量双波段路径损失，探测器可以识别烟雾、灰尘、水蒸气、雾霾、甚至固体遮挡物的属性，对真正的烟雾遮挡发出报警。
如图1所示，电缆隧道空间100中部署有多个探测装置10，探测装置10 通过将采集后的数据传送至火灾报警控制器20，火灾报警控制器20经过处理之后向控制中心30发送。
如图2所示，该方法包括如下的步骤S201至步骤S202：
步骤S201，部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；
步骤S202，在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息。
从以上的描述中，可以看出，本申请实现了如下技术效果：
采用部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测的方式，通过在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息，达到了对火灾隐患的准确检测目的，从而实现了通过前端传感可视化优势更好的保障电力系统的正常运行及保障安全用电的技术效果，进而解决了电缆隧道空间中感烟预警不及时，需要耗费人力的技术问题。
在上述步骤S201中，采用视频图像采集模块和火焰探测模块的方式，所述火焰探测模块采用了检测火焰特有紫外波长的紫外线传感器和检测火焰特有红外波长的红外传感器。
在上述步骤S202中，可以在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息。
作为本实施例中的优选，如图3所示，方法还包括：
步骤S301，基于所述探测装置上传的实时数据，建立电缆隧道几何模型；
步骤S302，根据所述电缆隧道几何模型，确定在所述电缆隧道内的通风优化策略。
具体实施时，目前国内电缆隧道的应用尚属目前国内对隧道的热场分布、隧道内集群电缆载流量计算、冷却方式、冷却效果等尚没有系统的研究。在电缆隧道内电缆发热后的热场分布尚无准确的计算方法，因此，目前对于隧道内电缆载流量的计算取值较为保守。在《电力工程电缆设计规范》中也仅规定：隧道内在无机械通风环境下环境温度选取最热月的日最高温度平均值另加 5℃；有机械通风按通风设计温度方式计算。
具体地，可将隧道热场这一实际问题简化为二维非稳态导热模型，对无通风下隧道热场和通风状态下的隧道热场分别进行建模研究，并采用C++编制计算程序进行仿真计算。其中，无通风下的隧道热场模型的正确性由缩小的相似性实验进行验证；通风状态的热场计算由现场测试验证。无通风时隧道内部的导热模型对隧道与土壤间的换热过程做相应合理简化，忽略隧道内部结构影响，研究隧道壁面与土壤间的导热情况。土壤表面温度采用随季节变化的环境温度，隧道内部负荷采用内热源表示。建立的模型将能够计算热负荷变化和季节变化情况下，隧道内部温度随这些因素的变化情况。得到的结果可以预测隧道在设计寿命100年内的温度分布情况，得出其是否需要冷却的结论。
通风情况下隧道内部的建模比较复杂，在二维非稳态导热的基础上加入了内部通风换热对于隧道内热负荷的减少作用。该模型可以计算不同通风风速对于隧道温度的影响作用，同时考虑了间歇通风和季节通风。计算结果可以得出优化的通风措施，使隧道温度控制在合理的规定值之内。但由于冷却水系统安装维护复杂的现状，安装通风冷却是防止温度过高的有效措施。
利用建立的计算模型，分别对无通风、通风状况下隧道温度特性进行分析，并得出直径、深度等关键因素对于隧道温度的影响。其中利用无通风模型计算已有隧道的温度特性，得出现有隧道在现有负荷下无需通风散热的结论；将建立无通风时隧道温度与平均负荷、结构特性的关系标准，为隧道设计提供参考。利用通风模型，对投入使用的电缆隧道进行计算，得出大负荷下隧道温度特性，并给出风速对于隧道温度的影响。同时给出电缆隧道的优化通风方案，对于隧道运行维护提供依据。
作为本实施例中的优选，方法还包括：
步骤S303，基于预设燃烧模型，确定在电缆隧道内发生火灾的情况下，根据火灾发生的火源位置、火源种类、火灾发生季节，确定边界条件。
具体实施时，考虑到电缆隧道有限空间长度越长时，烟气与空气混合后形成的过渡层的厚度越大，燃烧中的火焰幅度也越大，火焰倾角和火焰高温区面积随着倾角增加存在一个突变区域，且突变区域位于倾斜角10到20°之间，当倾角过大时，狭长受限空间火灾后果急剧增加。
1)烟气的纵向输运
火灾烟气运输一般化分为三个阶段：火羽流阶段、顶棚射流阶段和形成烟气层之后的竖向填充阶段。在狭长受限空间中，烟气的运输可以划分为四个阶段：火羽流撞击顶棚的阶段、烟气撞击顶棚后的径向蔓延阶段、烟气与壁面相互作用，并向一维蔓延的过渡阶段和在纵向上的一维蔓延阶段。狭长受限空间火灾的一个重要特点是烟气的纵向输运。烟气的纵向输运除受到浮力驱动外，还可能受到机械风压的驱动。纵向排烟是狭长受限空间的主要排烟模式之一，其形成的强迫气流可能加大烟气在纵向上的蔓延速度。
2)烟气的分层
由于烟气自身的浮力，烟气在竖向上的分层是建筑火灾的基本现象之一。通常意义的烟气分层是指温度分层。然而，火灾烟气本身是含有热量的多组分混合物，因此，烟气分层的概念具有多重性。从人类已经认识到的烟气危害性来看，可以将烟气分层细分为温度分层、有毒气体组分如(CO)分层和烟颗粒浓度分层。一般火灾环境可用传统的双层区域模型(Two-Layler-Zone Model)进行描述，双层区域模型认为在竖直方向上，烟气的主要流动参数有明显分层且各种流动参数的分层界面一致在水平方向上，烟气的主要流动参数没有变化，可视为均匀分布。狭长受限空间的烟气在纵向输运过程中，环境之间发生能量和质量交换,使得烟气的主要流动参数如温度、气体组分浓度等沿纵向发生变化，这造成狭长受限空间的烟气竖向分层特性沿纵向发生变化。传统的双层区域观点己经不适用于描述狭长受限空间的火灾烟气分层。另一方面，由于能量输运和组分输运机制的差异，狭长受限空间中的温度分层和浓度分层特性也不尽相同。烟气的分层特性还可能受到机械风压的影响。纵向排烟是狭长受限空间的一种常用火灾烟气控制方法。机械排烟形成的气流会对烟气的能量输运和组分输运造成影响，从而改变烟气的竖向分层特性。
3)烟气层对下层空气的卷吸
狭长受限空间的烟气层从本质上讲,是浮力驱动的分层剪切流(Stratifiedshear flow)。基础流体力学研究发现，分层之间的卷吸是分层剪切流的一个重要特性。卷吸会导致烟气质量流率发生变化，而烟气质量流率与消防安全工程中排烟量的设计密切相关。在普通火灾中，一般假设烟气层与冷空气层之间不存在卷吸。这种假设在普通房间中是合理的，这是因为一方面，卷吸量与剪切的强度密切相关，普通建筑烟气层的流速较低，烟气层与空气层之间的剪切较弱，导致两层之间的单位面积的卷吸量小另一方面，普通房间的水平方向的尺寸小，因此分层界面的面积小，则累计的总卷吸量小。不同于普通房间，狭长受限空间的烟气层在纵向上有较大的流速，在烟气层水平界面处，由于上部的烟气层与下部的空气层存在水平速度的差异，因此有较强的剪切另一方面，狭长受限空间的纵向尺寸大，导致分层界面的总面积大，则其累积的总卷吸量可能相对较大。因此，烟气层对下层空气的卷吸也是狭长受限空间火灾的特点之一。
纵向温度在烟气逆流前锋处出现跃升现象，下风侧顶棚温度沿纵向衰减，类似指数分布规律，最终得到了无量纲烟气逆流长度与无量纲火源功率以及无量纲风速之间关系和无量纲纵向临界风速与无量纲火源功率之间关系，提出了地下管廊火灾烟气逆流长度预测模型和无量纲临界风速预测模型。
电缆隧道消防设计有一定的特殊性，现行的规范不完全适用，其相关灭火设施、消防技术、防火设施和自动监控系统配置应有具体的技术要求；电缆隧道的火灾类型、烟气流动规律及相应灭火机理类似于隧道火灾。电缆火灾仅仅影响过热电缆所在层的温度分布，而对相邻的上下层影响较小，但相邻的电缆温度均升高；釆用直接接触方式进行敷设，能够探测到电缆的温度变化；火灾初起，小规模火灾的热释放速率和热辐射规模均较低，由于火灾发生位置的不确定性，无论采用何种安装方式均存在探测盲点。
4)燃烧模型
Fluent包含了多种燃烧模型，可应用于化学反应、燃烧、单向流到多项流等所有与流体相关的领域。Fluent中提供的燃烧模型有：组分输运(Species Transport)模型中的有限速率模型、非预混燃烧模型(Non-premixed combustion model)、预混燃烧模型(premixed combustion model)、部分预混燃烧模型 (Partially premixedcombustionmodel)和组分PDF输运模型(Composition PDF Transport model)。Fluent可以通过求解每种组成物质的守恒方程模拟气体的燃烧过程，当选择化学物质的守恒方程时，反应速率以源项形式出现，形式如下：
其中，组分j的源项(产生或消耗)是机理中所有k个反应速率：
通过对比分析Fluent中的各种燃烧模型的适用范围，选取涡耗散模型 (Eddy-Dissipation Model)和有限速率化学反应模型共同控制燃烧机理，涡耗散模型(Eddy-Dissipation Model)的基本思想是：当气流涡团因耗散而变小时，分子之间碰撞机会增多，反应才容易进行并迅速完成，故化学反应速率在很大程度上受湍流的影响；有限速率化学反应模型的原理由用户自定义化学反应机理，然后根据反应机理求解反应物和生成物的输运组分方程。反应速率作为源项在组分输运方程中通过Arrhenius方程或涡耗散模型来描述。在湍流燃烧中若两个反应物为燃料和氧气，其瞬时化学反应速率可用Arrhenius公式来表示：
Pfu＝A0ρ2m0xmfu exp(-E/RT)
其中，Rfu—瞬时化学反应速率；
mfu—燃料浓度；
有限速率化学反应模型可以解决大多数气相燃烧问题。为了简化模型，在满足工程要求的情况下，假设天然气中的成分为甲烷，且在化学反应中只发生单步化学反应，反应方程如下：
CH4+2O2＝CO2+2H2O
5)火源位置
在基于fluent数值模拟方法，研究天然气管舱发生火灾的烟气流动情况时，火源的设置极为关键。为简化模型和计算过程，忽略现实中火灾时复杂的化学反应，将火源看作是释放CO2气体和热量的固定热源。火灾时，将火源的热释放速率设定为火源功率，火源的热释放速率随时间变化，即火源为非稳态火源。非稳态火源功率模型有：MRFC火灾模型、完整发展火灾模型、FFB指数火灾模型、t2火灾模型，其中最常用的是t2火灾模型。
6)边界条件
当某一防火区发生火灾时,在监视器确认发生火灾后，消防控制中心就会关闭该区间和相邻区间的通风设备和防火门，使其处于全封闭状态。所以，模拟时的边界条件具体设置如下：
火源设置：将火源设置为符合火灾模型放热规律的固定源项，且火源具体尺寸为一个三维的长方体(0.01m×0.01m×0.15m)，并将火源的初始温度设置为1200K。
固壁条件：固体壁面为无滑移条件，Fluent中关于壁面的设置主要包括RoughnessHeight,Roughness Constant，其中Roughness Height为粗糙度厚度Ks，也即通常所说的粗糙度，Ks＝0时认为壁面是光滑的。Roughness Constant为粗糙度常数Cs，一般为0.5，壁面为均匀砂粒表面时，无需调整值；壁面为非均匀砂粒表面，如带有网孔的表面，一般Cs值为0.5～1。实际中除尘器壳体的材质为钢板制壳体材料，按照工业用材常用固壁当量糙粒高度的取值标准，取其当量糙粒高度为0.15mm，Cs取0.5。近壁表面气流流动采用壁面函数法求解。
湍流流动近壁处理对于k-ε模型，无论是标准k-ε模型，RNG还是 Realizablek-ε模型，均为针对充分发展的湍流流动有效，即都是高雷诺数的湍流模型，而在靠近壁面区域，也即粘性底层，流动近似为层流状态，分子粘性起决定作用，湍流应力几乎不起作用，因此该区域不能用k-ε模型进行求解。目前对近壁处理的方法主要有两类：第一类为不对粘性影响较明显的区域(粘性底层，过渡层)求解，采用半经验公式(即壁面函数)进行求解，采用该方法可避免对模型改进就可以模拟壁面的存在对湍流流动的影响，第二类为改进湍流模型，对于粘性影响的近壁区域(粘性底层和过渡层)均可求解。对于大多数高雷诺数流动问题，采用壁面函数法相对于改进湍流模型计算效率高，这是因为在近壁区域，所求解的物理量变化梯度很大，必须使用很细密的网格，从而使得计算量较大。由于计算量相对较少且具有一定的精度，对于许多工程实际流动问题，采用壁面函数法处理进壁区域是很好的选择，采用壁面函数法对近壁区域处理，壁面为静止壁面，固体壁面边界为无滑移条件，在壁面处具有零梯度条件，即x,y和z各分量上的速度u＝v＝w＝0。在壁面上采用标准壁面函数(Standard Wall Functions)。进出口边界的湍流参数：在入口和出口边界流域的流动，Fluent需要指定输运标量的值，在湍流指定的方法(Turbulence Specification Method)下拉菜单中选择Intensity and Hydraulic Diameter以设定湍流强度I(Turbulencentensity)和水力直径Φ(Hydraulic Diameter)，湍流强度和水力直径由下式计算：
I＝0.16Re -1/8
式中：Re—雷诺数；
Φ—水力直径，m。
经计算，电缆隧道入口水力直径分别为0.02m；湍流强度分别为3％。采用压力入口，壁面采用无滑移边界条件，采用Fluent软件对控制方程在稳态下进行求解，在燃气舱中进行火灾模拟时模拟参数的设置见表6-1。松弛因子：压力为0.3，密度为0.8，动量为0.7，其中，能量方程的残差低于10-6时，认为计算达到收敛，其余所有求解残差均低于10-3时认为计算达到收敛。
模拟参数设置的确定
作为本实施例中的优选，所述部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测，包括：基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
具体实施时，网络摄像机采用监控探测器工作现场的高清网络摄像机(HD 200万像素)。红紫外火焰探测器适合于室内多种复杂环境的火灾探测器。指示灯，红色LED长亮、火灾报警。绿色LED灯长亮、工作正常。黄色LED 灯长亮、故障(高低电压检测)。火焰探测器加电后，每个LED灯分别闪烁 10次(约30秒)
红外传感器和紫外传感器一般都是由特殊的光电二极管、光电三极管加上处理电路构成。在闭合的环路里，红外传感器和紫外传感器能在光照的激发下产生电流。电流的强度在饱和度内与光强成正比。因此通过红外传感器和紫外传感器感知火焰的光强变化，是用普通红外传感器和紫外传感器检测火焰的原理。任何燃料在燃烧时，会不同程度地向外辐射紫外线、可见光和红外线等光波。燃料不同，辐射出的光波段就不同。燃烧条件不同，火焰辐射光波在各波段上的可检测性也不同。
火焰燃烧时光辐射的强度是波动的，尤其是起燃和熄灭阶段。产生波动的原因很多，例如燃料空气混合比例、燃烧中的微小爆炸、压力变化等都能引起光辐射强度的波动。这种波动能被光敏器件反映为电流(电压)的频率变化，等效电流(电压)的频率称为火焰的闪烁频率。这是火焰区别于其他光如太阳光、灯光等的重要特征之一。火焰闪烁频率伴随燃烧阶段不同而变化，频率分布在10—200Hz之间。火焰燃烧的闪烁频率能附着于整个燃烧所产生的光波波段上。因此，只要采用适当的检测设备，对某一燃烧火焰，在特定光波段上检测出闪烁频率，就可清楚地了解火焰的燃烧情况。这是红外传感器和紫外传感器探测火焰的又一原理。
所述部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测，包括：基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
具体实施时，电缆隧道纵向长度大于横向长度，属于典型的狭长空间。当狭长空间内发生火灾时，火源上方位置空气温度受热辐射作用升高。上方空气温度受到热浮力的作用向上运动，同时在运动中不断卷吸周围空气。当烟气接触顶棚后发生顶棚射流，沿狭长空间纵向方向蔓延。在此过程中，假定烟气火羽流形状为轴对称图形，可将狭长空间内火灾烟气蔓延的物理过程分为四个阶段。
阶段1为羽流上升阶段，燃烧产生的热烟气受到浮力驱动在火焰区上升形成烟气羽流，烟气羽流的大小同火源的热释放速率(HRR)有关。阶段2是烟气羽流接触顶棚后的径向蔓延阶段，这一阶段根据火焰高度与顶棚的距离不同可分为烟气羽流撞击顶棚及火源直接撞击顶棚两种情况。阶段3为烟气径向蔓延向烟气水平蔓延的过渡阶段。径向蔓延的烟气受到侧壁的阻挡由径向扩散运动转变为水平流动。在这阶段中，侧壁邻近处的烟气由于遭受到侧壁的阻挡将顺着侧壁向下方蔓延，由于热浮力的驱动作用又会转变为向上的运动，形成反浮力壁面射流。阶段4是一维水平运动阶段，狭长空间中的上方热烟气同下方冷空气之间发生相对运动，因此在水平方向烟气运动中受到水平剪切力的影响，同时也会卷吸周围的冷空气。
火灾模型由火灾各分过程子模型在特定的模拟计算平台上相互融合而成，通过数学模型探究火灾的发展过程是一种了解火灾特点和进行相关消防安全水平分析的重要手段。上世纪六十年代日本东京理科大学川越邦雄(kawagoe) 教授首次将数值模拟运用在研究火灾发生发展过程。由于计算机技术的快速发展和普及，火灾模拟技术也因此迅猛发展，已成为现在火灾科学基础研究的前沿领域。根据其模拟现象和应用火灾模型的不同可以将其分为五个类型。分别为：专家系统、区域模拟、网络模拟、场模拟和混合模拟。
(1)专家系统(expert system)。专家系统又称为经验模拟，经验模拟是以实验现场测定的数据及获得的经验为基础，通过将实验模型或含有重要热物性数据的半经验模型编制而成的一种数学模型。现有的经验模型仅仅是反映火源空间中的一些特征物理参数，如烟气的温度、浓度等随时间发生的变化。因此经验模拟是对火灾发生过程的一种层次较浅的数值模拟类型。
(2)区域模拟(zone model)。区域模拟将所研究的受限空间划分为不同的区域，相同区域内假设状态参数保持均匀一致，在区域与区域之间，区域与边界之间以及它们与火源之间发生质量、能量的交换，其余空间保持稳定。比较常见的区域模拟有两种。一种是单区域模拟，适用于火灾发生轰燃后的阶段；另一种是两区域模拟，主要应用在火灾的发展期，烟气分层现象比较明显的阶段。区域模拟忽略了区域内部的运动过程，因此不能反映出湍流输送过程及流场参数的变化，使得近似结果粗糙。
(3)网络模拟(network model)。网络模拟是把研究对象视为一个完整系统，将其划分为不同的单元，同时假设同一单元内的压力、温度、浓度等物理参数保持均匀分布，各个单元之间由各种气体流动路径相互连接。通过能量守恒方程以及质量守恒方程对火灾过程中的参数进行研究。主要应用于边界条件复杂，距离火场较远，空气与烟气能够均匀混合的场所。
(4)场模拟(field model)。场即速度场、温度场、浓度场等一些状态参数在空间的分布。场模拟的实质是复杂的湍流力学模型，它从质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律和化学反应定律入手，抽象出基本的数学方程，通过有限差分法、有限元法、边界元法进行求解计算。场模拟通过把一个空间划分为很多的小单元，这些小单元之间相互联系，通过上述定律构建单元的质量方程、能量方程等求解得出各参数的分布变化。由于场模拟能够很好地模拟出大规模火灾产生的回流现象，相较于其他模拟方法精度更高，但也存在计算量很大且计算结果不易收敛等缺陷。
(5)混合模拟(hybrid model)。混合模拟又称为场区网复合模拟。它根据研究对象不同针对性地使用不同的模拟方法，在强火源、强通风区域中采用场模拟方法，在周围区域应用区域模拟，对其较远的区域采用网络模拟。它与区域模拟相比提高了模拟的精确性，减少了场模拟中的数据处理数量，逐渐应用在高层建筑火灾模拟中。
在电缆隧道火灾中烟气很难形成统一高度的稳定热烟气层，在电缆隧道火灾中区域模拟误差较大。场模拟能够精确模拟受限空间内火灾，可以较好的呈现火场中火灾烟气的流动细节，揭示火灾发生的规律和内在机理，因此在电缆隧道火灾烟气研究中通常选用场模拟方法。
电缆隧道因空间大，在火灾发生时由于受烟囱效应等因素影响能够迅速发展。将电缆隧道内的火灾发展过程视为湍流燃烧过程。目前针对湍流的数值模拟方法可分为直接数值模拟和非直接数值模拟两类。场模拟研究湍流过程有以下三种手段：
雷诺时均法RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)。按照雷诺平均方程进行的雷诺平均数值模拟。雷诺时均法包括Reynolds应力方程法和湍流黏性系数法。常见的RANS模型包括单方程模型，双方程模型、雷诺应力模型等。
直接数值模拟DNS(Direct Numerical Simulation)。它是按照精确的流动控制方程对湍流运动进行数值模拟，它得到的结果比较精确，但对计算机运算速度和内存空间要求较高，只能用于层流以及较低雷诺数湍流运动机理研究中，不适用于电缆隧道火灾场景的模拟。
大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)。它是一种介于雷诺时均数值模拟和直接数值模拟之间的一种模拟方法。本项目拟采用FDS软件拟采用的大涡模拟计算方法。FDS火灾模拟软件可以分为三个部分，即FDS、Smoke View 以及Smoke zip。
FDS火灾模拟软件模拟火灾过程可以分为三个步骤：前期的准备主要是物理建模及边界条件的设定、中期FDS软件的模拟计算、后期的Smoke View的处理。
(1)建立FDS的输入文件。其中包含的数据有模拟计算的网格长宽高、网格内的物体形状大小及位置、材料的热物性、火源的材料及位置、火源的燃烧类型、边界条件等。在此期间根据需要设定不同的探测器来获得对应位置处的具体数值，也可根据设置切片了解某一平面处的数值变化。
(2)运行FDS。
FDS会在运行结束时生成多个输出文件。根据之前的设定可得到火灾过程的温度、火源的热释放率、燃烧产物的浓度、压力、热流和热辐射对流等。
(3)运行Smoke View，对FDS计算结果进行后处理。
Smoke view可以通过三维坐标表现火焰温度以及各种气体浓度的等值面，也可以通过云图表现气体状态信息。
火灾烟气的流动包含着传热、传质、燃烧等一系列复杂的物理化学变化，这些变化同样遵循基本的质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。
(1)质量守恒方程：
对于不可压缩流体，气流体密度为常数，即ρ＝cos t，方程可以简化为：
式中，ρ――密度，kg/m3；t——时间，s；u――速度矢量，m/s。
(2)动量守恒方程：
式中，g――重力加速度，m/s2；
f――外部施加的力矢量，N；
P――压力，Pa；
τ――黏性力张量，N。
(3)组分守恒方程：
式中，Yi――第i种组分的质量分数；
Di――第i种组分的扩散系数，m2/s；
m――单位空间第i种组分的质量生成率，kg/(m2.s)。
(4)能量守恒方程：
式中，hs――比焓，J/kg；
k--导热系数，W/m·K，为热辐射通量，W/m2；
T――热力学温度，K。
D()/Dt是随体导数，其具体表达式为则是随时间的变化率。
(5)状态方程：
式中，P0——背景压力，Pa；
R——气体常数，J/(mol·K)；
Mi——第i种组分的摩尔质量，kg/mol。
作为本实施例中的优选，所述在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息之后，还包括：根据所述探测装置上报的预警信息通过火灾报警控制器将预警信息处理之后，发送至联网的控制中心，以使所述控制中心对火灾的预警信息进行可视化操作。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述方法的用于电缆隧道空间的感烟预警系统，用于将对火情实时在线监测，并在火灾早期产生报警，如图 4所示，该装系统包括：部署在电缆隧道空间内的用于火灾探测的多个探测装置10，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；以及在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息；与所述探测装置连接的火灾报警控制器20，用于响应所述探测装置中的预警信息；与所述火灾报警控制器连接的控制中心 30，用于将所述预警信息进行可视化显示；所述控制中30心，还用于根据可视化显示结果远程进行火灾预警。
本申请的系统，在软件设计上，遵循了平台化、工具化以及模块化的原则，系统集成了网络通信、实时数据库、图形报表、历史数据库等基础支撑平台，以及有关人机界面维护工具，是非常强大的应用支撑平台。通过这一平台，报警系统需要的数据对象以及设备对象均能构造统一系统模型按照对象的思想，适应系统持续提升的要求。
首先，本系统是大量的数据接口、应用子系统以及数据采集对象的集成系统。各类应用存在较大的跨度，因此，必须维护系统的开放性，以便适应各类应用的需求。
其次，主动感知系统主要关心的重点是系统或设备的运行状态，并非实际的数据值，所以，应最大程度上选择图形这一直观的可视化的方式表达各类对象，以体现监管对象的物理位置、实时状态以及逻辑位置等，以便值班工人及时、准确的将报警信息定位。最后，重点关注电缆中间接头和交叉互联箱位置的火灾隐患监测，通过项目前端传感可视化优势，弥补感温电缆无法捕捉的电缆隧道局部特征，以更好的保障电力系统的正常运行及保障安全用电。
作为本实施例中的优选，所述火焰探测模块包括：用于检测火焰特有紫外波长的紫外线传感器和用于检测火焰特有红外波长的红外传感器。
作为本实施例中的优选，还包括：隧道几何模型模块，用于基于所述探测装置上传的实时数据，建立电缆隧道几何模型；根据所述电缆隧道几何模型，确定在所述电缆隧道内的通风优化策略。
作为本实施例中的优选，还包括：燃烧模型模块，用于基于预设燃烧模型，确定在电缆隧道内发生火灾的情况下，根据火灾发生的火源位置、火源种类、火灾发生季节，确定边界条件。
作为本实施例中的优选，所述部署在电缆隧道空间内的用于火灾探测的多个探测装置的确定方式包括：基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于电缆隧道空间的感烟预警方法，其特征在于，包括：
部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；
在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息；
基于所述探测装置上传的实时数据，建立电缆隧道几何模型；
根据所述电缆隧道几何模型，确定在所述电缆隧道内的通风优化策略；
所述通风优化策略，具体是指利用建立的计算模型，分别对无通风、通风状况下隧道温度特性进行分析，并得出直径、深度关键因素对于隧道温度的影响；其中利用无通风模型计算已有隧道的温度特性，得出现有隧道在现有负荷下无需通风散热的结论；将建立无通风时隧道温度与平均负荷、结构特性的关系标准，为隧道设计提供参考；利用通风模型，对投入使用的电缆隧道进行计算，得出大负荷下隧道温度特性，并给出风速对于隧道温度的影响；同时给出电缆隧道的优化通风方案，对于隧道运行维护提供依据；
基于预设燃烧模型，确定在电缆隧道内发生火灾的情况下，根据火灾发生的火源位置、火源种类、火灾发生季节，确定边界条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部署用于火灾探测的探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测，包括：
基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；
根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息之后，还包括：
根据所述探测装置上报的预警信息通过火灾报警控制器将预警信息处理之后，发送至联网的控制中心，以使所述控制中心对火灾的预警信息进行可视化操作。
4.一种用于电缆隧道空间的感烟预警系统，其特征在于，用于将对火情实时在线监测，并在火灾早期产生报警，所述系统包括：
部署在电缆隧道空间内的用于火灾探测的多个探测装置，其中，所述探测装置至少包括：视频图像采集模块、火焰探测模块，所述视频图像采集模块用于采集火灾前后的图像信息，所述火焰探测模块用于基于红紫外线进行火焰探测；以及在所述电缆隧道内发生火灾的情况下，通过所述探测装置上报预警信息；
与所述探测装置连接的火灾报警控制器，用于响应所述探测装置中的预警信息；
与所述火灾报警控制器连接的控制中心，用于将所述预警信息进行可视化显示；
所述控制中心，还用于根据可视化显示结果远程进行火灾预警；
还包括：隧道几何模型模块，用于
基于所述探测装置上传的实时数据，建立电缆隧道几何模型；
根据所述电缆隧道几何模型，确定在所述电缆隧道内的通风优化策略；
还包括：燃烧模型模块，用于
基于预设燃烧模型，确定在电缆隧道内发生火灾的情况下，根据火灾发生的火源位置、火源种类、火灾发生季节，确定边界条件；
还包括：计算模型，用于分别对无通风、通风状况下隧道温度特性进行分析，并得出直径、深度关键因素对于隧道温度的影响；
其中利用无通风模型计算已有隧道的温度特性，得出现有隧道在现有负荷下无需通风散热的结论；将建立无通风时隧道温度与平均负荷、结构特性的关系标准，为隧道设计提供参考；利用通风模型，对投入使用的电缆隧道进行计算，得出大负荷下隧道温度特性，并给出风速对于隧道温度的影响；同时给出电缆隧道的优化通风方案，对于隧道运行维护提供依据。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述火焰探测模块包括：用于检测火焰特有紫外波长的紫外线传感器和用于检测火焰特有红外波长的红外传感器。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述部署在电缆隧道空间内的用于火灾探测的多个探测装置的确定方式包括：
基于模拟软件进行火灾发生时的数值模拟；
根据模拟结果，确定所述探测装置的布置方案。
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