一种预测电缆燃烧火源功率的方法及系统与流程

1.本发明涉及燃烧火源功率预测技术，特别涉及一种预测电缆燃烧火源功率的方法及系统。


背景技术：

2.在核电厂火灾事故中，电缆被认为是重要的火源。电缆火灾事故情况，尤其是涉及与反应堆安全停机的有关的情况，核电厂工作人员的尤为关注。核电厂中涉及的电缆场所的火灾火源功率也是核电厂工作人员的重点关注对象。横向电缆桥架是核电站中常见的结构形式，计算横向电缆燃烧的热释放率，具有一定的实用价值。目前关于全尺度电缆火灾火源功率的计算方法常见的有基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,cfd)方法、利用简单的经验模型预测水平电缆桥架火灾(如the flame spread over horizontal cable trays,flacs
‑
cat)方法。然而基于cfd模拟电缆时非常耗费时间。基于flacs
‑
cat模型的方法存在因电缆燃烧热与产碳量不一致而存在预测不确定性。
3.专利文献cn104951627a公开了一种核电厂横向多层电缆桥架火灾分析方法和系统，该方法包括如下步骤：获取核电厂横向多层电缆桥架火灾初始火源特征信息；根据初始火源特征信息、横向多层电缆桥架的几何结构参数、电缆火焰纵向蔓延速率以及电缆材料的特征参数，获取火灾过程中各层电缆桥架的实时热释放速率；根据初始火源特征信息以及各层电缆桥架的实时热释放速率，获取受限空间内的火灾风险特征参数；将火灾风险特征参数与量化指标进行对比，判定核电厂横向多层电缆桥架火灾的风险。该发明遵循核电厂的保守原则，充分考虑横向多层电缆桥架内部单个电缆桥架之间的差别，其分析准确度更高，能更合理地分析核电厂横向多层电缆桥架火灾风险，为电缆桥架的防火设计提供有利支撑。但是该方法无法实现全尺度电缆火灾火源功率的预测。


技术实现要素：

4.本发明目的在于解决上述背景技术中所存在的因电缆燃烧热与产碳量不一致而存在预测不确定性问题，提供一种预测电缆燃烧火源功率的方法及系统，以避免因电缆燃烧热值与产碳率不一致而引入预测的不确定性。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种预测电缆燃烧火源功率的方法，包括：
7.输入电缆单面积热释放速率以及所预测的横向多层电缆装置燃烧过程中的参数至横向多层电缆火灾火源功率模型中；
8.输出横向多层电缆火灾火源功率。
9.进一步地，所述电缆单面积热释放速率通过如下方式获取：
10.通过锥形量热仪对电缆进行燃烧测试，获取单面积热释放速率。
11.进一步地，所述横向多层电缆装置燃烧过程中的参数包括：
12.电缆桥架每层托盘内电缆数量，n；电缆的直径，d
cab
；两层电电缆间的垂直距离，
h
i
；电缆总层数，n
layer
；电缆第i层燃烧的长度，l
b，i
；锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，第i层位置x的点火时间，t
ignni
(x)；电缆火灾时的纵向扩展角，θ。
13.进一步地，所述横向多层电缆火灾火源功率模型为：
[0014][0015]
其中，
[0016]
——为总热释放速率，kw；
[0017]
n：电缆桥架每层托盘内电缆数量；
[0018]
d
cab
：电缆的直径，m；
[0019]
n
layer
为电缆总层数(n
layer
≥1)；
[0020]
l
bni
：电缆第i层燃烧的长度，m；
[0021]
锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，kw；
[0022]
t
ign，i
(x):第i层位置x的点火时间，s。
[0023]
进一步地，各层电缆燃烧长度计算公式如下：
[0024]
l
b，i+1
＝l
b，i
+2h
i
tanθ
[0025]
其中，
[0026]
h
i
——两层电电缆间的垂直距离，m；
[0027]
θ——电缆火灾时的纵向扩展角，
°
。
[0028]
第二方面，本发明实施例提供了一种预测电缆燃烧火源功率的系统，包括：
[0029]
输入模块，用于输入电缆单面积热释放速率以及所预测的横向多层电缆装置燃烧过程中的参数；
[0030]
模型模块，用于存储横向多层电缆火灾火源功率模型并对输入模块所输入的数据进行运算；
[0031]
输出模块，用于输出模型模块所运算出来的结果。
[0032]
进一步地，所述电缆单面积热释放速率通过如下方式获取：
[0033]
通过锥形量热仪对电缆进行燃烧测试，获取单面积热释放速率。
[0034]
进一步地，所述横向多层电缆装置燃烧过程中的参数包括：
[0035]
电缆桥架每层托盘内电缆数量，n；电缆的直径，d
cab
；两层电电缆间的垂直距离，h
i
；电缆总层数，n
layer
；电缆第i层燃烧的长度，l
b，i
；锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，第i层位置x的点火时间，t
ign，i
(x)；电缆火灾时的纵向扩展角，θ。
[0036]
进一步地，所述横向多层电缆火灾火源功率模型为：
[0037][0038]
其中，
[0039]
——为总热释放速率，kw；
[0040]
n：电缆桥架每层托盘内电缆数量；
[0041]
d
cab
：电缆的直径，m；
[0042]
n
layer
为电缆总层数(n
layer
≥1)；
[0043]
l
b，i
：电缆第i层燃烧的长度，m；
[0044]
锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，kw；
[0045]
y
ign，i
(x):第i层位置x的点火时间，s。
[0046]
进一步地，各层电缆燃烧长度计算公式如下：
[0047]
l
b，i+1
＝l
b，i
+2h
i
tanθ
[0048]
其中，
[0049]
h
i
——两层电电缆间的垂直距离，m；
[0050]
θ——电缆火灾时的纵向扩展角，
°
[0051]
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
[0052]
本发明采用锥形量热计实验测量的hrrpua作为直接输入，不需要计算给定位置的火灾持续时间，同时也避免了由于测量电缆燃烧热量和产碳率而在模型预测中引入不确定性，在一定程度上提高了模型的准确性。此外，改进的模型可以建立起小尺度电缆测试数据与大尺度电缆火灾实验之间的联系，在一定程度上也节省了计算时间成本。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例1提供的预测电缆燃烧火源功率的方法的流程图；
[0054]
图2为发明实施例1提供的预测电缆燃烧火源功率的方法的原理图；
[0055]
图3为实验中锥形量热仪中总质量与hrrpua的变化；
[0056]
图4为热释放率的预测结果与实验结果的比较；
[0057]
图5为mt
‑
7的热释放率预测结果与实验结果的比较；
[0058]
图6为本发明实施例提供的预测电缆燃烧火源功率的系统的组成示意图。
具体实施方式
[0059]
参阅图1所示，本发明实施例提供的预测电缆燃烧火源功率的方法主要包括如下步骤：
[0060]
101、输入电缆单面积热释放速率以及所预测的横向多层电缆装置燃烧过程中的参数至横向多层电缆火灾火源功率模型中；
[0061]
102、输出横向多层电缆火灾火源功率。
[0062]
具体地，该电缆单面积热释放速率通过如下方式获取：
[0063]
通过锥形量热仪对电缆进行小尺度燃烧测试，获取单面积热释放速率。
[0064]
而该横向多层电缆装置燃烧过程中的参数包括：
[0065]
电缆桥架每层托盘内电缆数量，n；电缆的直径，d
cab
；两层电电缆间的垂直距离，h
i
；电缆总层数，n
layer
；电缆第i层燃烧的长度，l
b，i
；锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，第i层位置x的点火时间，t
ign，i
(x)；电缆火灾时的纵向扩展角，θ。
[0066]
该横向多层电缆火灾火源功率模型为：
[0067][0068]
其中，
[0069]
——为总热释放速率，kw；
[0070]
n：电缆桥架每层托盘内电缆数量；
[0071]
d
cab
：电缆的直径，m；
[0072]
n
layer
为电缆总层数(n
layer
≥1)；
[0073]
l
b，i
：电缆第i层燃烧的长度，m；
[0074]
锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，kw；
[0075]
t
ign，i
(x):第i层位置x的点火时间，s。
[0076]
各层电缆燃烧长度计算公式如下：
[0077]
l
b，i+1
＝l
b，i
+2h
i
tanθ
[0078]
其中，
[0079]
h
i
——两层电电缆间的垂直距离，m；
[0080]
θ——电缆火灾时的纵向扩展角，
°
。
[0081]
按上述方案，横向多层电缆火灾火源功率的计算公式中各层电缆燃烧长度计算公式如下：
[0082]
l
b，i+1
＝l
b，i
+2h
i
tanθ
[0083]
其中，
[0084]
h
i
——两层电电缆间的垂直距离，m；
[0085]
θ——电缆火灾时的纵向扩展角，
°
。
[0086]
综上，本发明采用锥形量热计实验测量的单位面积上热释放速率作为直接输入，避免了由于电缆燃烧热和产碳率的测量不确定性导致的电缆燃烧火源功率估计错误。如图2所示，本方法模型建立了小尺度电缆测试数据与大尺度电缆火灾实验之间的联系，在节省了高精度数值模拟计算时间成本。
[0087]
下面结合应用场景实例来对本方法进行进一步地说明：
[0088]
1、基于电缆桥架火灾的实验数据的预测
[0089]
横向电缆多层实验装置参数如下：横向排列的电缆层长1m，宽0.3m，托盘可以共3层电缆。相邻的电缆层之间没有隔墙，因此火焰可以自由向上传播到上层的电缆。相邻两电缆层间距为0.15m。电缆为yz中型橡胶电缆，电缆直径为8mm，单位长度的质量为0.03kg/m，燃烧热为7.52kj/g。电缆的额定电压标称范围为300/500v。经过实验得到如表1所示的预测横向多层电缆火灾火源功率计算方法的输入数据。
[0090]
表1锥形量热仪实验的输入参数值
[0091]
总层数平均扩展率(m/h)燃烧长度(m)点燃时间(s)扩散角(
°
)3层4.30,4.37,4.490.55,0.61,0.5617,15,90
[0092]
其中，各层电缆火焰的蔓延长度基本相等。因此，扩散角选取值为0
°
。单位面积的火灾热释放速率实验值如附图3所示。将上述输入参数输入至本发明提供的预测电缆燃烧
火源功率的方法得到本实施例热释放速率的计算值与实验值，如附图4所示。
[0093]
2、基于文献数据的预测
[0094]
基于美国核管理委员会核管理研究办公室(us
‑
nrc)公开的预测电缆火灾hrr数据(thecableheatrelease,ignition,andspreadintrayinstallationduring fire,christifire实验项目)进行方法的验证。其中选取的实验数据为在实验1系列中火焰蔓延到所有电缆层的末端，编号为mt
‑
7。
[0095]
表2mt
‑
7场景改进模型输入参数值
[0096][0097]
将上述输入参数输入至本发明提供的方法得到本实施例热释放速率的计算值与实验值，如附图5所示。
[0098]
实施2：
[0099]
参阅图6所示，本实施例提供的预测电缆燃烧火源功率的系统，包括：
[0100]
输入模块401，用于输入电缆单面积热释放速率以及所预测的横向多层电缆装置燃烧过程中的参数；
[0101]
模型模块402，用于存储横向多层电缆火灾火源功率模型并对输入模块所输入的数据进行运算；
[0102]
输出模块403，用于输出模型模块所运算出来的结果。
[0103]
进一步地，所述电缆单面积热释放速率通过如下方式获取：
[0104]
通过锥形量热仪对电缆进行燃烧测试，获取单面积热释放速率。
[0105]
进一步地，所述横向多层电缆装置燃烧过程中的参数包括：
[0106]
电缆桥架每层托盘内电缆数量，n；电缆的直径，d
cab
；两层电电缆间的垂直距离，h
i
；电缆总层数，n
layer
；电缆第i层燃烧的长度，l
b，i
；锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，第i层位置x的点火时间，t
ign，i
(x)；电缆火灾时的纵向扩展角，θ。
[0107]
进一步地，所述横向多层电缆火灾火源功率模型为：
[0108][0109]
其中，
[0110]
——为总热释放速率，kw；
[0111]
n：电缆桥架每层托盘内电缆数量；
[0112]
d
cab
：电缆的直径，m；
[0113]
n
layer
为电缆总层数(n
layer
≥1)；
[0114]
l
b，i
：电缆第i层燃烧的长度，m；
[0115]
锥形量热计在热流暴露下单位面积上所测得的热释放率，kw；
[0116]
t
ign，i
(x):第i层位置x的点火时间，s。
[0117]
进一步地，各层电缆燃烧长度计算公式如下：
[0118]
l
b，i+1
＝l
b，i
+2h
i
tanθ
[0119]
其中，
[0120]
h
i
——两层电电缆间的垂直距离，m；
[0121]
θ——电缆火灾时的纵向扩展角，
°
。
[0122]
综上，本发明采用锥形量热计实验测量的hrrpua作为直接输入，不需要计算给定位置的火灾持续时间，同时也避免了由于测量电缆燃烧热量和产碳率而在模型预测中引入不确定性，在一定程度上提高了模型的准确性。此外，改进的模型可以建立起小尺度电缆测试数据与大尺度电缆火灾实验之间的联系，在一定程度上也节省了计算时间成本。
[0123]
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。