核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜火災(zāi)荷載分析

高 楠 劉明明 劉全東 李尉弘

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

0 引言

根據(jù)火災(zāi)在發(fā)生時(shí)的蔓延快、覆蓋廣等的特點(diǎn)，假設(shè)核電廠內(nèi)某些電力電纜或其他設(shè)備發(fā)生著火，引發(fā)火災(zāi)，有可能將會(huì)影響核電廠的安全。因此，對(duì)核電設(shè)計(jì)而言，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行提前預(yù)測(cè)顯得尤為重要。而火災(zāi)荷載是用來(lái)提前預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的大小和火災(zāi)事故等級(jí)的物理量。關(guān)注火災(zāi)在核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜中的影響，以及將其細(xì)化到機(jī)柜內(nèi)的火災(zāi)荷載，對(duì)于后期開(kāi)展防火分區(qū)設(shè)計(jì)、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)、火災(zāi)概率分析及部分設(shè)備的選型有著舉足輕重的作用。

1 火災(zāi)荷載概念及其特點(diǎn)

2019年四川涼山森林火災(zāi)致使多人遇難；2021年被稱為“中國(guó)最后一個(gè)原始部落”的云南翁丁村老寨火災(zāi)致使100余間房屋燒毀，這場(chǎng)火災(zāi)是我國(guó)傳統(tǒng)村落的一場(chǎng)“災(zāi)難”。不僅僅人們生活的周邊存在火災(zāi)，在核電領(lǐng)域也發(fā)生過(guò)多起火災(zāi)事故。1975年，布朗斯·費(fèi)里核電廠的火災(zāi)，被稱為“一根小蠟燭，毀了核電廠的半條命”，火災(zāi)導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆主控室失去部分監(jiān)控能力，核電廠安全受到威脅。除此之外，2015年美國(guó)紐約印第安角核電站爆炸；2017年法國(guó)弗拉芒維爾核電站火災(zāi)。多起核電火災(zāi)事故，都在警示人們關(guān)注核電廠火災(zāi)。

當(dāng)然針對(duì)核電火災(zāi)，核行業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)出臺(tái)了多部法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)家核安全局發(fā)布的HAF 102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[1]、國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)Safety Series NO.50-P-9—1995《Evaluation of fire hazard analyses for nuclear power plants》[2]等。這些法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)都要求在核電設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行火災(zāi)分析，對(duì)受保護(hù)的目標(biāo)以及實(shí)際火災(zāi)荷載分布情況開(kāi)展針對(duì)性的防火分析及設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)需要對(duì)火災(zāi)荷載進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。

GB/T 22158—2008《核電廠防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對(duì)火災(zāi)荷載進(jìn)行了定義，即火災(zāi)荷載是指作用區(qū)域內(nèi)易燃物燃燒釋放的熱能?；馂?zāi)荷載值越大，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。然而，通?；馂?zāi)荷載不能直接說(shuō)明與區(qū)域面積的關(guān)系。這個(gè)時(shí)候火災(zāi)荷載密度研究就顯得尤為重要，其值越大，燃燒越強(qiáng)。對(duì)核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜而言，火災(zāi)荷載（Q）是其柜內(nèi)可燃物（如電纜、端子等上易燃材料）火災(zāi)荷載之和，單位為兆焦（MJ）。機(jī)柜火災(zāi)荷載密度（DQf）是該機(jī)柜相對(duì)單位面積的火災(zāi)荷載?；馂?zāi)荷載密度以兆焦每平方米（MJ/m2）為單位。當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)荷載密度大于400MJ/m2時(shí)，為防止或限制火災(zāi)蔓延引發(fā)的機(jī)組產(chǎn)生事故工況，一般需要建立防火區(qū)。

核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜作為核安全級(jí)電子設(shè)備的容載體，對(duì)核電站的安全起到關(guān)鍵作用。對(duì)于DCS機(jī)柜而言，火災(zāi)荷載通常分為三類，分別是固定式火災(zāi)荷載、移動(dòng)式火災(zāi)荷載和臨時(shí)性火災(zāi)荷載[4]。固定式火災(zāi)荷載是指機(jī)柜內(nèi)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)用的位置不變，結(jié)構(gòu)件上使用的可燃、易燃材料所產(chǎn)生的熱能且長(zhǎng)時(shí)期不會(huì)發(fā)生變化。由于DCS機(jī)柜結(jié)構(gòu)件基本為Q235B或SUS304不銹鋼，因此機(jī)柜的固定式火災(zāi)荷載較少。移動(dòng)式火災(zāi)荷載是指為保證DCS機(jī)柜能夠運(yùn)行而另外根據(jù)需求及功能布置的設(shè)備，通常指機(jī)柜內(nèi)布置的各種工程器件等，包括機(jī)箱、繼電器、斷路器、浪涌抑制器、電纜等所產(chǎn)生的熱能。移動(dòng)式火災(zāi)荷載根據(jù)機(jī)柜的功能及需求等，機(jī)柜內(nèi)部布置的設(shè)備規(guī)格型號(hào)、數(shù)量及柜內(nèi)布置位置等方面會(huì)發(fā)生變化。移動(dòng)式火災(zāi)荷載是DCS機(jī)柜內(nèi)最主要的火災(zāi)荷載。臨時(shí)性火災(zāi)荷載指機(jī)柜的設(shè)計(jì)或裝配人員臨時(shí)放置于機(jī)柜的設(shè)備，因此具有不確定性，所以這類火災(zāi)荷載在分析過(guò)程中通常不予考慮。

2 核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜火災(zāi)荷載分析

2.1 基于火災(zāi)荷載的機(jī)柜火災(zāi)分析

火災(zāi)的發(fā)生需要可燃物、燃點(diǎn)、助燃物并存，煙氣是火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中，燃燒或熱解生成的懸浮固體或液體顆粒。通常情況下，核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜中的煙氣都會(huì)伴隨著火災(zāi)的產(chǎn)生而產(chǎn)生。假設(shè)機(jī)柜內(nèi)的主要可燃燒點(diǎn)在機(jī)柜下部，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)初期時(shí)，煙氣比重小，煙氣將會(huì)在熱壓力的作用下，向上蔓延到達(dá)機(jī)柜頂部，此時(shí)將會(huì)轉(zhuǎn)化為層流狀態(tài)流動(dòng)，當(dāng)它碰到機(jī)柜內(nèi)側(cè)板、橫梁時(shí)，將會(huì)越過(guò)這些繼續(xù)擴(kuò)散，并再次到達(dá)機(jī)柜下部，這種現(xiàn)象也就是流體中常見(jiàn)的水躍現(xiàn)象。如圖1所示，隨著此現(xiàn)象的發(fā)生，火災(zāi)開(kāi)始迅速蔓延。核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜內(nèi)的火災(zāi)荷載伴隨著柜內(nèi)可燃物的燃燒逐步增加。而當(dāng)機(jī)柜內(nèi)某個(gè)機(jī)箱或工程器件等的火災(zāi)荷載影響到相鄰設(shè)備時(shí)，則需要考慮對(duì)該區(qū)域進(jìn)行隔離分區(qū)或重新更換工程器件等設(shè)備。

圖1 機(jī)柜內(nèi)的水躍現(xiàn)象

2.2 機(jī)柜內(nèi)火災(zāi)荷載的計(jì)算

對(duì)機(jī)柜內(nèi)的可燃物設(shè)備進(jìn)行分析，柜內(nèi)可燃物主要有：模塊PCB板、機(jī)箱、后IO、終端單元、空開(kāi)、繼電器、端子、二極管、電纜等類型（因標(biāo)簽、線號(hào)管等輔料和小件質(zhì)量小不參與計(jì)算，在最終的計(jì)算結(jié)果上進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)估），由供貨商提供各設(shè)備的材料特性、質(zhì)量及燃燒特性等，來(lái)評(píng)估每種設(shè)備可燃物的質(zhì)量，并通過(guò)查詢每種可燃物類型的熱值（參考CECS 200—2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》[5]附錄），建立通用的設(shè)備清單數(shù)據(jù)庫(kù)（包括設(shè)備的質(zhì)量、可燃物質(zhì)量等），便于后期迭代分析計(jì)算。

計(jì)算示例：以某核電項(xiàng)目A、B、C和D四個(gè)機(jī)柜為例加以說(shuō)明。

機(jī)柜A的機(jī)箱估算4個(gè)，機(jī)柜B和C的機(jī)箱估算2個(gè)，機(jī)柜D估算3個(gè)機(jī)箱，對(duì)應(yīng)機(jī)箱槽位板卡按照滿配計(jì)算。對(duì)于機(jī)柜A而言，火災(zāi)荷載等于機(jī)柜內(nèi)包括模塊PCB板、機(jī)箱等在內(nèi)的各設(shè)備可燃物火災(zāi)荷載之和，即，694.6 MJ≤700 MJ同理，機(jī)柜B～D的火災(zāi)荷載計(jì)算同機(jī)柜A一致，得出以上四個(gè)機(jī)柜的火災(zāi)荷載如表1。

表1 各機(jī)柜火災(zāi)荷載

通過(guò)火災(zāi)荷載的計(jì)算，即可求得各機(jī)柜的火災(zāi)荷載密度。假定機(jī)柜A、B、C和D的大小都為800 mm（W）×2 200 mm（H）×800 mm（D），則機(jī)柜A的火災(zāi)密度。機(jī)柜B、C和D的火災(zāi)荷載密度計(jì)算同機(jī)柜A類似，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各機(jī)柜火災(zāi)荷載密度

通過(guò)上述計(jì)算得出機(jī)柜A、B、C和D的火災(zāi)荷載密度均大于400 MJ/m2，因此在做四個(gè)機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮建立一定的隔離防火區(qū)，保證其均于安全防火區(qū)域內(nèi)，或者對(duì)機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行重新選型。

3 研究展望

對(duì)于核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜而言，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)燃燒的過(guò)程除了層流和湍流現(xiàn)象外，還有可能是混合燃燒。由于機(jī)柜內(nèi)部的空間較為狹窄，當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)，假設(shè)內(nèi)部風(fēng)扇不能正常工作，導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)備的燃燒物質(zhì)燃燒不完全，將會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，如一氧化碳、二氧化碳等。在后期的分析中，筆者將分析這種氣體產(chǎn)生帶來(lái)的一系列物理及化學(xué)反應(yīng)，了解火災(zāi)過(guò)程中污染物和有毒有害氣體的產(chǎn)生狀況。

通過(guò)火災(zāi)荷載的計(jì)算，在結(jié)合火災(zāi)數(shù)值模擬分析軟件（Pyrosim、FDS軟件等），將常規(guī)參數(shù)可燃物的單位熱值、可燃物的質(zhì)量、氧氣/燃料配比值、熱輻射系數(shù)、火災(zāi)擴(kuò)散因子、熱釋放速率等因素集中到一個(gè)統(tǒng)一的模型中，對(duì)于安全級(jí)DCS機(jī)柜火災(zāi)內(nèi)部分析有著重要的意義。當(dāng)然也可以將火災(zāi)荷載計(jì)算及火災(zāi)數(shù)值模擬分析運(yùn)用到整個(gè)核電廠（如核電控制室盤(pán)臺(tái)），同時(shí)結(jié)合人員疏散模擬軟件（Pathfinder），對(duì)核電廠火災(zāi)過(guò)程中的人員安全疏散進(jìn)行研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)火災(zāi)荷載的概念及特點(diǎn)，針對(duì)性地對(duì)核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜的火災(zāi)荷載進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)機(jī)柜內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生及發(fā)展進(jìn)行了研究，本文中的機(jī)柜火災(zāi)荷載計(jì)算為定量描述，因此在應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)研究項(xiàng)目的不同有針對(duì)性地改動(dòng)部分設(shè)備信息，即可使用，所得出的結(jié)論可以應(yīng)用于核電廠控制室盤(pán)臺(tái)等儀控設(shè)備，對(duì)于后期消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)與理論參考。