核電站燃料廠房電纜火災共模的模擬

楊 煦，張 建，賀群武，徐 婧

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

壓水堆核電廠對核島廠房劃分防火分區(qū)，以保證火災引發(fā)的事故工況不會導致執(zhí)行重要安全功能的兩列設備同時失效，從而確保在事故工況下實現(xiàn)安全停堆。國內(nèi)部分第二代核電站由于原設計采用的防護標準比較低，燃料廠房部分區(qū)域不滿足最新版RCC-I 的相關(guān)防火要求。如果存在電纜共模的廠房內(nèi)發(fā)生火災，可能會導致兩列電纜同時失效，造成安全系列的安全重要設備無法執(zhí)行其安全功能。因此，有必要研究燃料廠房內(nèi)火災的演變過程，以及分析火災是否會造成廠房內(nèi)的電纜不可用，以保證在事故工況下安全重要功能得到執(zhí)行，并且機組能夠?qū)崿F(xiàn)安全停堆。

FDS 軟件是由美國國家標準研究所(NIST)的建筑與火災研究實驗室(BFRL)開發(fā)的以大渦模擬(LES)為基礎(chǔ)的三維計算流體動力學(CFD)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S 方程,從而計算火災中的煙氣擴散和熱傳遞的過程，模擬火災湍流的演變。該軟件廣泛應用于森工安全等火災安全工程領(lǐng)域，其計算結(jié)果的準確性已經(jīng)得到大量試驗的驗證，NRC 也對該軟件進行了驗證和認可。FDS 軟件除了對研究對象進行建模和計算的主體之外，還包括一個將計算結(jié)果圖像化的程序Smokeview。該程序能根據(jù)計算的結(jié)果，動態(tài)展示火災煙氣和熱流在建模的三維空間內(nèi)的演變過程。

FDS 軟件通過大渦模擬方法求解以下方程組成的流體動力學方程組：

質(zhì)量守恒方程：

式中，P為壓力；g 為重力加速度；f為外部施加力的矢量；τ為內(nèi)應力。

能量守恒方程：

式中，h為焓；qr為熱輻射通量；T為溫度；k為導熱系數(shù)。

1 計算模型

1.1 RRI，RIS 系統(tǒng)電纜溝房間

核電廠燃料廠房內(nèi)除存放乏燃料外，也設置有余熱排出系統(tǒng)RIS、重要設備中間冷卻水系統(tǒng)RRI等安全停堆系統(tǒng)。此外，從反應堆廠房內(nèi)出來的大量動力、儀控電纜都經(jīng)過燃料廠房進入輔助廠房，然后分別進入主控室和電氣廠房。因此，在燃料廠房和輔助廠房之間有部分廠房存在大量的電纜，房間內(nèi)包含A，B 兩列電纜，每列電纜包括兩束獨立的電纜。其中最為典型的是K014 廠房。除了這兩列電纜的托盤橋架，房間內(nèi)的通風管道和工藝系統(tǒng)管道也會對火災產(chǎn)生的煙氣和熱流在房間內(nèi)的擴散產(chǎn)生影響，因此對這些管道也進行了建模。用于房間建模的主要參數(shù)列于表1。

1.2 溫度分析截面

在RRI，RIS 系統(tǒng)電纜橋架房間內(nèi)適當?shù)奈恢枚x溫度分析截面，以計算在火災演變過程中房間內(nèi)某平面的溫度變化。截面為穿過A，B 列電纜橋架的水平平面，可用于反映火災過程中電纜上方和下方的空氣溫度隨時間的演變。溫度分析截面的分布以及編號見圖1。

表1 RRI，RIS 系統(tǒng)電纜橋架房間建模的主要參數(shù)

圖1 溫度分析截面

此外，在1 號截面與A 列1 號電纜橋架(記作A1)的外表面相交的部分選取4 個溫度分析點，用以計算電纜橋架A1 的4 個不同標高處電纜表面的溫度。同理，2 號截面與A 列2 號電纜橋架(記作A2)外表面相交的部分選取4 個溫度分析點；3號截面與B 列1 號電纜橋架(記作B1)外表面相交的部分選取3 個溫度分析點；4 號截面與B 列2 號電纜橋架(記作B2)外表面相交的部分選取3 個溫度分析點。FDS 軟件在模擬計算的過程中，每經(jīng)過一個時間步長就記錄一次上述分析點的溫度，從而反映電纜表面的溫度變化。

1.3 火災工況

參考NRC 出版的NUREG-1934 Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines中電纜失效條件相關(guān)的內(nèi)容，考慮在火災發(fā)生的初期，標高最低的電纜橋架中的電纜在達到205 ℃的失效溫度時開始點燃，接著該電纜以250 kW/m2的單位面積熱釋放速率持續(xù)燃燒，產(chǎn)生的熱流將加熱上方的其它電纜。一旦引燃其它電纜，該電纜同樣以相同的單位面積熱釋放速率燃燒。文中考慮初始時刻電纜橋架A1 的最低電纜發(fā)生燃燒，其余電纜表面溫度和環(huán)境溫度相同。計算火災持續(xù)600 s過程中初始未燃燒的電纜的受損情況。

2 計算結(jié)果

2.1 溫度分析截面的溫度演變

分析火災發(fā)生后第200 s、第400 s 及第600 s時1 號截面的溫度場分布情況。

電纜橋架A1 的最低電纜開始燃燒之后，迅速產(chǎn)生大量熱流向上方擴散。隨后標高較高的電纜被引燃，RRI，RIS 系統(tǒng)電纜溝房間頂部的空氣被加熱到700 ℃以上。之后，隨著電纜的持續(xù)燃燒，可燃物的質(zhì)量逐漸減少，再加上部分熱流從房間內(nèi)的開口和房間出口處擴散到房間外部，電纜上方空氣溫度略微下降，1 號截面的溫度場分布逐漸穩(wěn)定并均勻化。最終電纜上方的空氣溫度約為500 ℃。

圖2 電纜橋架外表面溫度變化

2.2 電纜橋架外表面的溫度演變

圖2 分別給出了電纜橋架A1，A2，B1 和B2的表面溫度隨時間的變化情況。溫度分析點的選取方式在1.2 節(jié)中給出，分析點編號原則為分析點所在位置的標高越高，即分析點1 的標高最高，分析點2，3，4 次之。這些分析點代表不同標高處電纜外表面溫度的變化，直觀地反映了電纜受到火災損害的情況。

計算結(jié)果顯示，電纜橋架A1 的最高層電纜最先在84 s 左右被點燃，隨后分析點3 附近的電纜在97 s 左右開始燃燒，115 s 左右分析點2 附近的電纜開始燃燒，135 s 左右分析點4 附近的電纜開始燃燒。對于電纜橋架A2，最高層電纜在83 s 左右開始燃燒，隨后分析點3、分析點2 及分析點4 附近的電纜開始燃燒。電纜橋架B1 靠近A 列電纜側(cè)的溫度變化與電纜橋架A2 的情況類似。而電纜橋架B2 則只有最高層的電纜在310 s 左右開始燃燒，標高較低的電纜在600 s 的時間內(nèi)未發(fā)生燃燒。

計算結(jié)果表明，當一列電纜橋架中的最低層電纜發(fā)生燃燒時，火災的發(fā)展過程如下：在火災的初級階段0 s～120 s，初始燃燒的電纜迅速產(chǎn)生大量熱流并在房間內(nèi)擴散，熱流的傳播顯著加熱了電纜上方的空氣，同時使標高較高的電纜表面溫度逐漸升高，當其達到失效溫度時，這部分電纜被引燃，進一步增大熱流密度，最終引發(fā)附近的電纜共同燃燒。在火災的發(fā)展階段120 s～200 s，多股電纜的共同燃燒使得電纜表面以及周圍空氣的溫度急劇上升，大量的煙氣和熱流在房間內(nèi)擴散。在火災的穩(wěn)定階段200 s～600 s，隨著電纜的持續(xù)燃燒，可燃物的質(zhì)量逐漸減少，再加上部分熱流擴散到房間外，電纜和周圍空氣的溫度略微下降，在小范圍波動的同時保持相對穩(wěn)定。此時初始燃燒的電纜周圍的電纜已經(jīng)受到了嚴重的火災損害，而距離較遠的電纜橋架(如B2)只有最高層的電纜被房間上部的熱流引燃，標高較低的電纜盡管表面溫度持續(xù)升高，但是未達到失效溫度。

3 結(jié)論

對存在A，B 列電纜共模情況的RRI，RIS 系統(tǒng)電纜溝房間進行三維建模，并研究火災對RRI，RIS 系統(tǒng)電纜橋架房間內(nèi)電纜的影響，根據(jù)計算結(jié)果，電纜橋架A1 最低標高處的電纜燃燒會在120 s內(nèi)引燃電纜橋架A1，A2 和B1，并且在310 s 左右引燃電纜橋架B2 的最高層電纜。電纜燃燒產(chǎn)生的大量熱流在房間內(nèi)擴散是造成初始未燃燒的電纜被引燃的主要原因，此外由于被熱流顯著加熱的熱空氣聚集在房間上部，導致標高較高的電纜首先發(fā)生燃燒。綜合以上，建議在RRI，RIS 系統(tǒng)電纜橋架房間的兩列電纜之間設置實體防火屏障，以避免電纜火災導致A，B 列電纜同時失效造成EAS，RIS等系統(tǒng)的安全重要設備無法執(zhí)行其安全功能。