倪 曼，宮 宇，肖 軍，晉宏博，李 娟

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電廠火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中詳細(xì)火災(zāi)情景分析方法探討

倪 曼，宮 宇，肖 軍，晉宏博，李 娟*

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)（PSA）是評(píng)估核電廠風(fēng)險(xiǎn)并發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的有效工具，詳細(xì)的火災(zāi)情景分析是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)的火災(zāi)隔間定量篩選的過程中，火災(zāi)隔間的分析通常較為保守，為使結(jié)果更貼近核電廠實(shí)際，有必要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重要的火災(zāi)隔間進(jìn)行詳細(xì)的火災(zāi)情景分析。通過確定特定的火災(zāi)情景，分析火災(zāi)的發(fā)展蔓延并評(píng)估火災(zāi)情景的發(fā)生頻率，從而為最終的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量化提供基礎(chǔ)。本文探討了詳細(xì)火災(zāi)情景分析在火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，并以單一火災(zāi)隔間為例闡述分析方法，為核電廠火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)工作提供支持和參考。

火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)；火災(zāi)隔間；火災(zāi)情景

火災(zāi)是核電廠面臨的重要風(fēng)險(xiǎn)之一。已有的研究表明，在核電廠內(nèi)，火災(zāi)發(fā)生的頻率比較高，其事故發(fā)展也較難以預(yù)測(cè)，對(duì)核電廠的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1］。有些火災(zāi)還可能成為嚴(yán)重熔堆事故的先導(dǎo)［2］。據(jù)美國(guó)電力研究所統(tǒng)計(jì)，1991年至2008年間核電站火災(zāi)發(fā)生的頻率為0.14次／（堆·年），火災(zāi)的相對(duì)高發(fā)頻度已不容忽視［3］。世界各國(guó)核電廠已經(jīng)在汽輪機(jī)廠房、電氣廠房中發(fā)生多次大型火災(zāi)，另外發(fā)生過多次電纜火災(zāi)并蔓延至其他防火區(qū)最終造成嚴(yán)重?fù)p失［4］。例如，1975年3月22日，美國(guó)Brown’s Ferry核電廠火災(zāi)，其發(fā)生在電纜貫穿區(qū)并蔓延進(jìn)反應(yīng)堆廠房，損毀600多根安全相關(guān)系統(tǒng)電纜［5］。

長(zhǎng)期以來，核電廠火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析主要采用確定論的方法。自從美國(guó)核管理委員會(huì)（NRC）1975年發(fā)表的報(bào)告WASH-1400準(zhǔn)確分析出與美國(guó)三哩島核電站反應(yīng)堆熔堆事故序列一致的事故序列［6］，概率安全評(píng)價(jià)（PSA）方法逐步得到推廣。核電廠火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)能在確定論火災(zāi)危害性分析的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)火災(zāi)給核電廠帶來的風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步優(yōu)化火災(zāi)防御措施，提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性［7］。

火災(zāi)情景分析是核電廠火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在火災(zāi)隔間的定量篩選過程中，通常假設(shè)隔間內(nèi)所有設(shè)備均不可用，這種保守的處理方法有可能會(huì)高估核電廠的風(fēng)險(xiǎn)。為使火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)結(jié)果如實(shí)反映核電廠的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，則有必要對(duì)重要的火災(zāi)隔間進(jìn)行詳細(xì)的火災(zāi)情景分析。

從而為最終的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量化提供基礎(chǔ)。美國(guó)核管會(huì)（NRC）和電力研究所（EPRI）聯(lián)合發(fā)布的文件NUREG/CR-6850中對(duì)火災(zāi)情景分析方法進(jìn)行了較詳細(xì)的論述。本文重點(diǎn)探討該方法及其在火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，并以單一火災(zāi)隔間為例闡述重要分析步驟，從而為核電廠火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)工作提供支持和參考。

1 火災(zāi)情景分析特點(diǎn)

廣義上來講，火災(zāi)情景就是人為設(shè)定一個(gè)火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展、蔓延的整個(gè)過程［8］。在對(duì)特定火災(zāi)隔間進(jìn)行詳細(xì)的火災(zāi)情景分析時(shí)，通常以隔間內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生為起點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展以及蔓延，明確隔間內(nèi)的火災(zāi)目標(biāo)物、火災(zāi)探測(cè)及滅火系統(tǒng)、人員響應(yīng)等特征，確定火災(zāi)是否導(dǎo)致目標(biāo)物不可用以及相應(yīng)的時(shí)間窗口，最終評(píng)估設(shè)定的火災(zāi)情景發(fā)生頻率。

通常，針對(duì)分析對(duì)象需要設(shè)定多個(gè)不同的火災(zāi)情景來描述所有可能發(fā)生的火災(zāi)，每個(gè)特定的火災(zāi)情景都需要評(píng)估其火災(zāi)的發(fā)生、損壞行為、火災(zāi)探測(cè)以及滅火響應(yīng)等。目前的分析通常暫不考慮多重火災(zāi)同時(shí)發(fā)生的可能性，而只考慮單一火災(zāi)的發(fā)生，同時(shí)，也不考慮地震所引發(fā)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

火災(zāi)情景分析和火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中的其他任務(wù)密不可分。首先，通過火災(zāi)隔間定性、定量篩選，將風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)小的火災(zāi)隔間篩除，保留風(fēng)險(xiǎn)重要的火災(zāi)隔間作為火災(zāi)情景分析的輸入。此外，核電廠實(shí)際巡訪作為火災(zāi)情景分析的支持性任務(wù)，也可提供必要信息來支持特定火災(zāi)情景的選擇和分析。最終，得到特定火災(zāi)情景列表以及相應(yīng)的發(fā)生頻率，為最終風(fēng)險(xiǎn)定量化以及不確定性分析提供信息輸入。

火災(zāi)情景分析與火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中的其他任務(wù)接口如下圖所示：

圖1 火災(zāi)情景與其他技術(shù)要素接口示意圖Fig.1 Inter faceof fire scenario and other technical factors

2 火災(zāi)情景分析模型

在進(jìn)行火災(zāi)情景分析之前，有必要對(duì)火災(zāi)隔間進(jìn)行全面而充分地了解。首先，對(duì)火災(zāi)隔間信息進(jìn)行收集并分析，目的是明確火災(zāi)隔間的特征。在對(duì)火災(zāi)隔間的各類信息進(jìn)行收集分析之后，則需要設(shè)定火災(zāi)情景并計(jì)算其頻率。

2.1 火災(zāi)情景發(fā)生頻率計(jì)算公式

所有火災(zāi)情景的發(fā)生頻率可用以下公式計(jì)算：

式中：λk為火災(zāi)情景k發(fā)生的頻率；λi，k為火災(zāi)情景k中點(diǎn)火源i的點(diǎn)火頻率；Wg，k為臨時(shí)火災(zāi)情景k的地板面積比，對(duì)于固定點(diǎn)火源的火災(zāi)情景，該值取1.0；SFk為火災(zāi)情景k的嚴(yán)重因子；Pns，k為火災(zāi)情景k中滅火失效的概率。

其中，點(diǎn)火頻率λi，k定義為火災(zāi)情景k中點(diǎn)火源i的點(diǎn)火頻率。某類點(diǎn)火源的點(diǎn)火頻率計(jì)算公式［9］如下：

式中：λIS為點(diǎn)火源IS的電廠級(jí)點(diǎn)火頻率；WL為點(diǎn)火源IS的位置權(quán)重因子；WIS，J，L為點(diǎn)火源的權(quán)重因子。

通常，在進(jìn)行詳細(xì)的火災(zāi)情景分析前，已經(jīng)對(duì)火災(zāi)隔間內(nèi)各類點(diǎn)火源的點(diǎn)火頻率進(jìn)行了計(jì)算，在此可直接引用先前得到的點(diǎn)火頻率數(shù)據(jù)，本文不再贅述。

2.2 嚴(yán)重因子計(jì)算公式

公式（1）中的SFk為火災(zāi)嚴(yán)重性的概率表述，代表火災(zāi)的火勢(shì)發(fā)展、釋放能量的程度和持續(xù)時(shí)間達(dá)到使目標(biāo)物損壞的概率。由于用來表述火災(zāi)強(qiáng)度特征的熱釋放速率（HRR）以及其他參數(shù)存在不確定性，所以導(dǎo)致目標(biāo)物的損壞時(shí)間存在不確定性，從而影響滅火失效的概率Pns，k。因此，最終的火災(zāi)情景嚴(yán)重因子用SFk·Pns，k表示。

SFk·Pns，k可用公式（3）進(jìn)行計(jì)算，表示如下：

式中：Pdamage（t）為目標(biāo)物損壞時(shí)間的概率分布，和熱釋放速率（HRR）及其他表征火災(zāi)嚴(yán)重程度的參數(shù)相關(guān)；Pns，k=Pr（suppression time≥t），含義為時(shí)間t之前滅火失效的概率。

3 火災(zāi)嚴(yán)重因子計(jì)算

3.1 離散型火災(zāi)嚴(yán)重因子

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將公式（3）的概率曲線簡(jiǎn)化為離散性的概率分布，表述為：

采用以下步驟計(jì)算離散性火災(zāi)嚴(yán)重因子的概率分布：

（1）首先，將熱釋放速率（HRR）的分布曲線離散化，劃分為合理數(shù)量的區(qū)間，得到相應(yīng)的概率值（Pk，i）以及熱釋放速率值（HRRk，i）。每個(gè)區(qū)間的概率值為該區(qū)間中點(diǎn)值對(duì)應(yīng)的概率值；

（2）根據(jù)設(shè)定的火災(zāi)情景條件，采用合理的方法來確定每個(gè)區(qū)間熱釋放速率值（HRRk，i）對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物損壞時(shí)間（tk，i）；

（3）根據(jù)步驟（2）的結(jié)果，建立以目標(biāo)物損壞時(shí)間（tk，i）為橫坐標(biāo)的離散型概率分布曲線；

（4）確定每個(gè)目標(biāo)物損壞時(shí)間（tk，i）所對(duì)應(yīng)的滅火失效概率（Pns，k，i）；

（5）將以上各步驟所得結(jié)果代入公式（4），計(jì)算嚴(yán)重因子值。

表1為參數(shù)記錄的簡(jiǎn)易方式。

表1 嚴(yán)重因子計(jì)算參數(shù)列表Table 1 Serious factor calculation parameter list

3.2 熱釋放速率（HRR）

3.2.1 定義

熱釋放速率（HRR）定義為單位時(shí)間內(nèi)火災(zāi)釋放的熱量，用BTU/s或kW表示。熱釋放速率是表述火災(zāi)后果非常重要的參數(shù)?；馂?zāi)情景設(shè)計(jì)的核心工作是確定火源的熱釋放速率［10］。

通常，評(píng)估熱釋放速率最有效的方式是燃燒試驗(yàn)。熱釋放速率隨著時(shí)間會(huì)經(jīng)歷初始階段、增長(zhǎng)、充分發(fā)展以及衰落這幾個(gè)階段。具體如圖2所示。

圖2 熱釋放速率與時(shí)間關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship between heat release rate and tim e

3.2.2 熱釋放速率（HRR）值

為便于嚴(yán)重因子SFk·Pns，k的計(jì)算，熱釋放速率（HRR）的值用概率分布的形式表達(dá)。通常，選擇gamma分布來表達(dá)熱釋放速率值的不確定性。

表2列出了部分典型點(diǎn)火源的熱釋放速率（HRR）值［10］。

表2 典型點(diǎn)火源的熱釋放速率（HRR）值（部分）Table2 Typical fireheat release rate（HRR）valueof typical ignition source

在確定了熱釋放速率（HRR）的概率分布曲線后，則可將曲線離散化并得到各區(qū)間相應(yīng)的概率值Pi。

以表2中豎直電氣柜中的電纜，火災(zāi)限定于一束電纜的這類點(diǎn)火源為例，具體數(shù)值見表3。

3.3 目標(biāo)物損壞時(shí)間

目標(biāo)物損壞時(shí)間定義為火災(zāi)開始直到目標(biāo)物最終損壞的時(shí)間。根據(jù)離散型火災(zāi)嚴(yán)重因子計(jì)算方法，在確定了離散曲線每個(gè)區(qū)間熱釋放速率值（HRRk，i）后，則需要依據(jù)設(shè)定的火災(zāi)情景條件來確定所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物損壞時(shí)間（tk，i）。在確定目標(biāo)物損壞時(shí)間（tk，i）后，計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的滅火失效概率（Pns，k，i）。

3.4 滅火失效概率

滅火失效概率是描述火災(zāi)嚴(yán)重性和影響火災(zāi)熱量釋放速率不確定性的一個(gè)重要參數(shù)，能夠?qū)ψ罱K結(jié)果造成較大的影響，進(jìn)而影響核電廠火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)決策的正確性［11］。當(dāng)需要的滅火時(shí)間大于目標(biāo)物損壞時(shí)間時(shí)，則認(rèn)為滅火失效。

3.4.1 事件樹模型

事件樹（ET）是一種圖解式模型，可以根據(jù)火災(zāi)事故遞進(jìn)的發(fā)展模式構(gòu)建火災(zāi)探測(cè)-滅火事件樹來計(jì)算滅火失效的概率。事件樹的題頭事件可分為快速探測(cè)及滅火、自動(dòng)探測(cè)及滅火和人工探測(cè)及滅火三部分。事件樹如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可依據(jù)火災(zāi)情景的特征對(duì)事件樹題頭進(jìn)行修改以反映實(shí)際的火災(zāi)情景。其中，“OK”序列表明滅火成功，“NS”序列表明滅火失效。在確定了各題頭事件分支處的取值后，則可以計(jì)算“NS”序列的值，最終的滅火失效概率為失效的序列概率之和。

圖3 探測(cè)-滅火事件樹圖Fig.3 Detection suppression event tree

3.4.2 滅火失效概率取值

（1）火災(zāi)探測(cè)和滅火系統(tǒng)失效概率

在美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)發(fā)布的《核電廠火災(zāi)自動(dòng)和人工撲救可靠性數(shù)據(jù)》［12］中，給出了各類自動(dòng)消防設(shè)施的滅火失效概率：二氧化碳類滅火系統(tǒng)為0.04，鹵素類滅火系統(tǒng)為0.05，濕式自動(dòng)滅火系統(tǒng)為0.02，預(yù)作用噴水滅火系統(tǒng)為0.05。人工開啟固定滅火系統(tǒng)失效的概率由兩部分組成：設(shè)備的失效概率和人員操作失誤概率。

（2）消防隊(duì)滅火失效概率

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，目標(biāo)物是否損壞取決于火災(zāi)發(fā)展的速度以及滅火的速度。火災(zāi)發(fā)展的速度可以通過試驗(yàn)或模擬來確定，而滅火的速度則取自核電廠的火災(zāi)事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。修正后的消防隊(duì)滅火失效概率可通過下式計(jì)算［13］：

式中：λ含義為不同類型火災(zāi)的平均滅火速率，Tfb-t為消防隊(duì)平均響應(yīng)時(shí)間，Tfb-s為特定核電廠的消防隊(duì)響應(yīng)時(shí)間。其中，不同類型火災(zāi)的平均滅火速率［9］見表4。

表4 平均滅火速率表（部分）Table 4 M ean fire suppression rates

4 結(jié)論

日本福島核電站事故是繼三哩島核電站事故和切爾諾貝利核電站事故之后又一次世界重大核事故［14］。福島事故后，我國(guó)出臺(tái)的《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》中提出“新建核電機(jī)組具備較完善的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，每堆年發(fā)生嚴(yán)重堆芯損壞事件的概率低于十萬分之一”［15］。火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)定量化的結(jié)果是論證核電廠滿足概率安全目標(biāo)的重要手段，同時(shí)，也是發(fā)現(xiàn)核電廠火災(zāi)薄弱環(huán)節(jié)并提出風(fēng)險(xiǎn)見解的有效工具。

火災(zāi)情景分析是火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)中非常重要的一個(gè)要素，也是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量化的基礎(chǔ)。一個(gè)火災(zāi)隔間可能有多個(gè)火災(zāi)情景，而火災(zāi)情景分析涉及到點(diǎn)火源頻率計(jì)算、火災(zāi)情景模擬、滅火失效概率等，因此，火災(zāi)情景分析也是一項(xiàng)繁復(fù)的工作。目前，我國(guó)實(shí)際開展的火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)工作中，也都廣泛使用了上述方法對(duì)火災(zāi)情景進(jìn)行分析。首先，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重要的火災(zāi)隔間進(jìn)行火災(zāi)情景分析可以減少保守性，使結(jié)果更貼近核電廠實(shí)際；其次，通過分析隔間內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展及蔓延趨勢(shì)，計(jì)算目標(biāo)物損壞時(shí)間及滅火失效概率，可以提出相關(guān)建議，為核電廠的安全決策提供技術(shù)支持。此外，需要注意的是，通用的火災(zāi)情景分析方法中采用的數(shù)據(jù)多以美國(guó)核電廠為基礎(chǔ)。以熱釋率為例，方法中所列舉的數(shù)據(jù)是在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上得出的。我國(guó)在開展相應(yīng)分析工作時(shí)，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)核電廠的適用性，并也應(yīng)逐步開展相關(guān)試驗(yàn)。隨著火災(zāi)概率安全評(píng)價(jià)技術(shù)的不斷發(fā)展，火災(zāi)情景分析也將是一個(gè)不斷發(fā)展完善的過程。

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Discussion on theM ethodsof Detailed FireScenario in FirePSA ofNuclear Power Plant

NIMan，GONGYu，XIAO Jun，JINHongbo，LIJuan*
（Nuclearand Radiation SafetyCenter，Beijing100082，China）

Fire PSA is theeffective tool forassessing the risk of nuclear power plantand finding theweakness.Firescenario analysisisan important tache in fire PSA.Theanalysisof fire compartmentisusually conservative during quantitative screening process，in order tomake the resultsmore actual，it isnecessary to analyze fire scenario of the fire compartmentwhich risk important.Determ ining the specific fire scenario，analysising fire spread and evaluating theoccurrence frequency of firescenario，provides thebasis for the finalquantitative fire risk.Thispaperdiscussesthe firescenarioanalysisapplication in fire PSA，and introduce themethod of firescenario forsingle fire compartment，then to providesupport for firePSA innuclearpower plant.

firePSA；fire compartment；firescenario

TL48

：A

：1672-5360（2015）04-0090-05

2015-08-11

2015-09-25

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)201309054

倪 曼（1984—），女，河北省石家莊人，工程師，現(xiàn)主要從事核電廠PSA審評(píng)工作

*通訊作者：李 娟，E-mail：Lijuan90112@163.com