核電廠地下綜合管廊火災(zāi)薄弱性分析及改進建議

白緒濤,孫丹丹，張曉晨

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

截至2020年3月31日,我國在運核電機組已經(jīng)超過47臺，核電廠的安全可靠運行對我國經(jīng)濟發(fā)展具有舉足輕重的作用。核電廠地下綜合管廊是指在核電廠地下集中敷設(shè)通信、電力、給水、排水、蒸汽等線路、管道的專用隧道，是核電廠的神經(jīng)和血管，地位至關(guān)重要。地下綜合管廊具有多種管線共存、可燃物數(shù)量大、連接區(qū)域廣、火災(zāi)撲救困難的特點，如果發(fā)生火災(zāi)，容易蔓延，導(dǎo)致火災(zāi)范圍的擴大，進而產(chǎn)生大范圍的影響，威脅機組的穩(wěn)定運行。核電廠地下綜合管廊的設(shè)計安全準(zhǔn)則主要參照《核電廠防火》《核電廠防火準(zhǔn)則》《壓水堆核電廠防火設(shè)計和建造規(guī)則》等文件，設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)主要依照《火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》《建筑設(shè)計防火規(guī)范》《火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范》，同時參照《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》《火力發(fā)電廠及變電站設(shè)計防火規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款，地下綜合管廊的消防設(shè)計尚無有針對性的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

1 地下綜合管廊的火災(zāi)特征

地下綜合管廊在機組正常運行狀態(tài)下，可燃物主要以動力電纜、控制電纜及管道保溫為主，具體為：線路填充物、線路絕緣層和保護層、保溫填充物，以及管廊內(nèi)照明、消防、保衛(wèi)系統(tǒng)運行設(shè)備等固體火災(zāi)載荷。特殊情況下，可能存在排水管道析出或制氫站泄露的可燃氣體等氣體火災(zāi)載荷。

根據(jù)地下綜合管廊內(nèi)火災(zāi)載荷及運行設(shè)備的特點，在管廊內(nèi)主要的起火原因如下：

(1)設(shè)備短路：管廊內(nèi)照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、保衛(wèi)系統(tǒng)所屬的電氣設(shè)備或者動力電纜發(fā)生短路故障，產(chǎn)生電火花；

(2)線路過載、過熱：動力電纜過負(fù)荷，導(dǎo)致線路過熱，易引發(fā)火災(zāi)；

(3)動火作業(yè)：管廊內(nèi)維修、改造涉及動火作業(yè)時，若動火作業(yè)保護措施不到位；

(4)落葉、雜物陰燃：管廊內(nèi)地形復(fù)雜，部分區(qū)域人員經(jīng)過較少，落葉、雜物從通風(fēng)井飄落、堆積后，在夏季易發(fā)生陰燃；

(5)通風(fēng)不良或有阻礙等現(xiàn)象造成的管廊起火或起火后監(jiān)控失效造成更大火情的情況。

按照功能，核電廠的地下綜合管廊主要分為：重要廠用水進水管廊和綜合技術(shù)管廊。重要廠用水進水管廊為地下現(xiàn)澆鋼筋混凝土管廊，連接聯(lián)合泵房和電氣廠房，將電氣廠房的應(yīng)急電源分四個系列送至聯(lián)合泵房，同時布置兩臺機組的A、B列重要廠用水供水管道分別布置在單獨的安全防火區(qū)內(nèi),該管廊內(nèi)主要火災(zāi)危險為電纜。綜合技術(shù)管廊的功能是向廠區(qū)大多數(shù)建(構(gòu))筑物提供所需工藝管道和電纜的敷設(shè)場所，同時要求所敷設(shè)的管道和電纜檢修和檢查方便。綜合技術(shù)管廊因其敷設(shè)距離長、設(shè)備類型多、管廊分支數(shù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，導(dǎo)致其火災(zāi)風(fēng)險較高，且一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救及疏散難度極大。

以國內(nèi)某核電廠綜合技術(shù)管廊為例，其總長約3400 m，將包括汽輪機廠房、電氣廠房、制氫站、開關(guān)站、綜合辦公樓在內(nèi)的34個廠房通過地下綜合管廊連接在一起，某地下綜合管廊具體布局如圖1所示。

圖1 國內(nèi)某核電廠綜合技術(shù)管廊布局示意

其地下綜合管廊呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，局部包含“回”字型結(jié)構(gòu)，“正”字型結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)分支非常多，布局較為復(fù)雜，對火災(zāi)探測系統(tǒng)的靈敏性、防火間隔的有效性、滅火系統(tǒng)的完備性都提出了更高的要求。

2 地下綜合管廊設(shè)計現(xiàn)狀

2.1 橋架及管道布置

核電廠地下綜合管廊電纜橋架和管道的布置主要分下面幾種類型(如圖2所示)：

(1)電纜數(shù)量較多時，電纜和工藝管道單獨敷設(shè)，中間設(shè)隔墻。若無法進行分隔，同一管廊內(nèi)電纜橋架敷設(shè)在管道的上方或側(cè)面；

(2)管廊一側(cè)布置工藝管道，另一側(cè)布置電纜橋架，中間預(yù)留0.8 m的人行通道；

(3)管廊內(nèi)管道與電纜橋架在一側(cè)布置，管道布置在電纜橋架的下方；

(4)純電纜管廊，管廊內(nèi)僅布置電纜橋架。

圖2 核電廠地下綜合管廊電纜橋架及管道布局示意

2.2 防火間隔及分區(qū)設(shè)置

地下綜合管廊內(nèi)的電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣、低煙無鹵阻燃聚烯烴護套電纜；動力電纜與控制電纜分層布置，由于空間限制，動力電纜與控制電纜敷設(shè)在同一層的托盤，設(shè)置隔板分開；管廊內(nèi)的每個建筑伸縮縫處(間距約20 m)設(shè)置獨立阻火墻，通向地面建筑物的入口處設(shè)置阻火墻，以防止火災(zāi)蔓延。

核電廠地下綜合管廊設(shè)計時，依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，將地下綜合管廊按照機組劃分為防火區(qū)，并統(tǒng)一設(shè)置滅火系統(tǒng)。以某核電廠4臺機組為例，其地下綜合管廊主要用于輔助廠房的連接，整體劃分為一個防火分區(qū)。

2.3 火災(zāi)探測方式

地下綜合管廊內(nèi)的火災(zāi)探測，主要以早期發(fā)現(xiàn)電纜火情為主，在敷設(shè)有電纜的綜合管廊內(nèi)采用點式光電感煙探測器與纜式線形感溫電纜相結(jié)合的火災(zāi)探測方式。內(nèi)部只敷設(shè)管道的管廊未設(shè)置火災(zāi)探測裝置。點式光電感煙探測器采用吸頂居中安裝方式，保護半徑小于6 m；纜式線形感溫電纜按照電纜敷設(shè)的層數(shù)，在每層橋架內(nèi)電纜的上方采用正弦波形式緊貼電纜表面進行敷設(shè)。每個地下綜合管廊內(nèi)所有探測設(shè)備按照同一個防火分區(qū)設(shè)計。

2.4 滅火設(shè)施

在地下綜合管廊中，以移動式滅火器為主要的滅火設(shè)施，未設(shè)置固定式滅火裝置。在有氫氣管道通過的部位按照C類火災(zāi)嚴(yán)重危險級配置MF/ABC8型滅火器，保護間距小于18 m；其余部位按照保護間距25～30 m配置MF/ABC3型滅火器。

2.5 防排煙及照明系統(tǒng)

地下綜合管廊內(nèi)部設(shè)置了一定數(shù)量的安裝孔，在安裝結(jié)束后，露出地面的安裝孔兩側(cè)做通風(fēng)百葉窗，防排煙以自然通風(fēng)為主，未設(shè)置主動式防排煙系統(tǒng)及擋煙垂壁。

地下綜合管廊屬于技術(shù)性廠房，設(shè)有正常照明和應(yīng)急照明，正常照度要求為100 lux。每三個燈具中設(shè)置一個應(yīng)急照明燈具。應(yīng)急照明由相應(yīng)應(yīng)急照明配電箱供電，燈具自帶蓄電池，正常照明和應(yīng)急照明發(fā)生故障時，應(yīng)急燈具自帶的蓄電池提供維持1 h的必要照明，以保證運行人員安全疏散。正常照明和應(yīng)急照明選用密封型工業(yè)單管熒光燈。

3 火災(zāi)薄弱環(huán)節(jié)分析

3.1 防火分區(qū)劃分不合理

根據(jù)《核電廠常規(guī)島設(shè)計防火規(guī)范》的要求：電纜溝道、電纜隧道以及含有油管道的或電纜的綜合管廊內(nèi)每個防火分區(qū)的長度不應(yīng)大于200 m。目前，地下綜合管廊防火分區(qū)的設(shè)計與《核電廠常規(guī)島設(shè)計防火規(guī)范》的要求存在差異性。整體管廊之間未設(shè)置任何物理隔斷，一旦發(fā)生火災(zāi)，僅在橋架間設(shè)置的阻火墻無法有效阻止火災(zāi)蔓延。

3.2 火災(zāi)探測類型單一

目前，國內(nèi)核電廠地下綜合管廊僅對敷設(shè)有電纜的區(qū)域布置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)進行監(jiān)視。部分核電廠采取點式光電感煙探測器與纜式線型感溫電纜或感溫光纖組合的探測方式進行監(jiān)視，還有一部分核電廠采用纜式線型感溫電纜或感溫光纖單一方式進行探測。對于不包含電纜的區(qū)域，未設(shè)置火災(zāi)探測裝置，存在監(jiān)視盲區(qū)，一旦該區(qū)域內(nèi)附屬設(shè)備或含油、含氫管道發(fā)生火災(zāi)，難以及時發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)。在與可燃氣體生產(chǎn)廠房的連接段，未設(shè)置可燃氣體檢測裝置。管廊內(nèi)照明、通風(fēng)等設(shè)備均為非防爆裝置，一旦可燃氣體進入管廊，極易發(fā)生爆燃。

3.3 滅火設(shè)施不足，形式單一

地下綜合管廊中，滅火設(shè)施僅配置移動式滅火器，無法滿足地下綜合管廊內(nèi)火災(zāi)撲救需求。由于地下綜合管廊布局的復(fù)雜性，在發(fā)生火災(zāi)后，消防隊難以在第一時間到達起火地點進行撲救，很可能發(fā)生火災(zāi)大面積蔓延的情況。火災(zāi)發(fā)生時，手提式滅火器無法滿足火災(zāi)撲救需求。

3.4 防排煙設(shè)施不足

防排煙設(shè)施不足，自然通風(fēng)措施無法滿足防火要求。管廊內(nèi)未設(shè)置防排煙設(shè)施，管廊上部分露出地面的安裝孔兩側(cè)做通風(fēng)百葉窗。

4 改進措施建議

4.1 優(yōu)化防火分區(qū)設(shè)置

以某核電廠地下綜合管廊為例，其總長約3400 m，根據(jù)《核電廠常規(guī)島設(shè)計防火規(guī)范》的要求，結(jié)合地下綜合管廊實際功能及建筑結(jié)構(gòu),參照如下規(guī)則進行劃分：

(1)管廊與廠房(或地溝)的接口處均應(yīng)設(shè)置防火隔斷墻，防止廠房與地下綜合管廊的火災(zāi)的相互影響；

(2)電纜管廊在管道管廊的上方或側(cè)面時，對電纜管廊按照《核電廠常規(guī)島設(shè)計防火規(guī)范》的要求進行防火分區(qū)，管道側(cè)僅在管廊兩端設(shè)置隔離墻，在物理上徹底隔斷管道管廊與電纜管廊，以免火災(zāi)相互影響；

(3)管道與電纜在同一個管廊內(nèi)時，按照規(guī)范要求進行防火分區(qū)。

根據(jù)上述規(guī)則，該地下綜合管廊可劃分為20個防火分區(qū)。防火區(qū)間通過防火屏障物理隔離，把火災(zāi)限制在防火區(qū)內(nèi)，隔離潛在的火災(zāi)，使火災(zāi)的蔓延風(fēng)險以及隨之產(chǎn)生的腐蝕性氣體，滅火劑，煙氣等污染造成的危害最小化。

管廊與各子項連接處增加混凝土實心砌塊墻體以滿足防火隔離要求。根據(jù)各子項與管廊連接的不同現(xiàn)狀，采用不同的方式：

(1)管廊與子項以淺溝形式連接，沒有人員通行的需求與可行性時，在適當(dāng)?shù)奈恢闷鲋w完全封堵。

(2)管廊與子項連接處有人員通行需求的情況下，在子項建筑物一側(cè)砌筑墻體，并在墻體預(yù)留人員通行的門洞，安裝滿足耐火極限要求的防火門。

(3)在子項建筑物一側(cè)砌筑墻體無法實現(xiàn)時，選擇在管廊一側(cè)進行封堵。根據(jù)現(xiàn)場實際管道布局，選擇連接處附近、橋架較少便于砌筑墻體的位置進行防火隔離，同時預(yù)留人員通道，安裝滿足耐火極限要求的防火門。

由于墻體是在各種管道橋架安裝就位后砌筑，穿越墻體的物項所在的洞口無法在設(shè)計階段準(zhǔn)確定位，需施工單位在施工現(xiàn)場根據(jù)管線布置情況密切配合施工。且該墻體上所開孔洞需進行防火封堵，以滿足墻體的防火要求。

4.2 優(yōu)化火災(zāi)探測手段

由于地下綜合管廊由于未設(shè)置主動通風(fēng)系統(tǒng)，且部分區(qū)段排水不暢，在雨季管廊內(nèi)積水嚴(yán)重，火災(zāi)探測器由于長期處于高濕度環(huán)境下，在夏季故障率居高不下，給火災(zāi)監(jiān)測帶來一定隱患。建議在加強通風(fēng)除濕、降低環(huán)境濕度的同時，選用探測范圍大，耐高濕環(huán)境的探測裝置(例如：紅外火焰探測器、紅外對射式感煙探測器)對探測方式進行補充。

地下綜合管廊部分區(qū)段存在氫氣管道與電纜共用的情況，在這部分區(qū)段未設(shè)置可燃氣體探測裝置，如果管道發(fā)生泄漏，現(xiàn)有火災(zāi)探測手段無法發(fā)現(xiàn)泄漏情況。所以，應(yīng)在敷設(shè)氫氣管道的區(qū)段增加可燃氣體探測裝置，并與制氫設(shè)備聯(lián)動控制。

4.3 提高滅火能力

地下綜合管廊滅火系統(tǒng)以移動式滅火器為滅火主要裝備，未設(shè)置固定滅火系統(tǒng)。地下綜合管廊滅火系統(tǒng)的設(shè)置，僅能滿足當(dāng)時條件下的規(guī)范要求和監(jiān)管部門要求，面對日益嚴(yán)峻的消防形勢和不斷提高的滅火標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法滿足要求?！逗穗姀S常規(guī)島設(shè)計防火規(guī)范》中，也規(guī)定了在電纜隧道設(shè)置水噴霧/干粉滅火裝置。因此，應(yīng)根據(jù)管廊實際情況，增設(shè)滅火系統(tǒng)。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，對綜合管廊推薦的固定滅火措施有自動噴水滅火系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、高壓細水霧、超細干粉等。

(1)自動噴水滅火系統(tǒng)

《核電廠防火設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定電纜管廊及電纜層可采用水噴淋系統(tǒng)。在國內(nèi)大亞灣核電站、嶺澳一期核電站已完成了相應(yīng)的消防改造，目前未有不良反饋。如設(shè)置該滅火設(shè)施，發(fā)生火災(zāi)后地下綜合管廊中電纜需及時斷電，避免發(fā)生人員觸電傷害，并考慮消防排水。

(2)水噴霧滅火系統(tǒng)

國內(nèi)相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對電纜隧道推薦采用水噴霧滅火系統(tǒng)。水噴霧滅火系統(tǒng)是利用水霧噴頭把水粉碎成細小的水霧滴之后噴射到正在燃燒的物質(zhì)表面，通過表面冷卻、窒息以及乳化、稀釋的同時作用實現(xiàn)滅火。水噴霧具有電氣絕緣性好的特點，電氣火災(zāi)中廣泛應(yīng)用。但是，結(jié)合地下綜合管廊的特點，采用水噴霧也存在以下問題：核電站電氣管廊及綜合管廊距離較長，水噴霧系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，為控制消防水量，需要劃分為多個防火分區(qū)進行設(shè)置。造成雨淋閥設(shè)置數(shù)量過多，系統(tǒng)復(fù)雜。設(shè)置水噴霧系統(tǒng)，需要在保護的防火分區(qū)附近設(shè)置雨淋閥間，對于已有項目改造困難。

(3)氣體消防系統(tǒng)

氣體滅火系統(tǒng)的滅火機理主要有窒息、隔離及化學(xué)抑制，目前主要應(yīng)用的滅火劑為CO2、七氟丙烷等，主要為全淹沒方式。地下綜合管廊為一個大空間，設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)需要將其分成若干個保護區(qū)，配備氣瓶量大，系統(tǒng)設(shè)置復(fù)雜。此外無法實現(xiàn)密封及泄壓口設(shè)置要求，因此，氣體滅火系統(tǒng)不適用于地下綜合管廊。

(4)干粉自動滅火裝置

目前，懸掛式干粉措施在電纜層和電纜隧道中多有應(yīng)用，具有體積小巧、安裝方便、報警迅速等特點。能撲滅局部或大空間的A類、B類、C類、E類、F類火災(zāi)，需要5～10年更換一次。干粉自動滅火裝置無管網(wǎng)、常態(tài)無壓、無需日常維護，設(shè)計簡單、安裝方便。與水噴霧滅火系統(tǒng)相比，無需雨淋閥間，沒有復(fù)雜的管網(wǎng)、閥門，初期工程節(jié)約投資。近幾年出現(xiàn)的口碑較好的新型超細干粉滅火劑，具有用量少、效果好、防復(fù)燃、防受潮失效、壽命可達10年的特點。

綜上所述，考慮到以上滅火方式的優(yōu)缺點，結(jié)合已建核電廠綜合管廊空間制約及管廊消防改造經(jīng)驗，對于已有電站綜合管廊的消防改造，建議采用水噴淋或超細干粉滅火系統(tǒng)，由于場地受限，可適當(dāng)簡化系統(tǒng)設(shè)置。

4.4 增設(shè)主動防排煙系統(tǒng)

目前管廊通風(fēng)主要通過預(yù)制的通風(fēng)孔、百葉窗在正常情況和事故狀態(tài)進行通風(fēng)和排煙。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，無法有效阻止有毒煙霧的擴散。為了改善管廊環(huán)境降低消防系統(tǒng)故障率，保證火災(zāi)時能夠有效防止煙霧的擴散，防止火災(zāi)的蔓延，應(yīng)分段增設(shè)主動通風(fēng)系統(tǒng)。正常運行期間，根據(jù)溫濕度變化情況，對地下綜合管廊內(nèi)的環(huán)境進行調(diào)節(jié)，防止因濕度過大造成附屬設(shè)備大量報警，影響火災(zāi)監(jiān)測；事故狀態(tài)及時隔離火災(zāi)區(qū)域，防止煙毒氣擴散并及時排出管廊。

5 總結(jié)

通過分析地下綜合管廊消防設(shè)計的特點，結(jié)合核電廠地下綜合管廊的布局、火災(zāi)載荷和火災(zāi)特征，提出有針對性的消防設(shè)計改進建議，可以有效增強地下綜合管廊的消防防控能力，為核電廠的安全穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)性的保障。