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        核電廠安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)荷載分析

        2022-04-09 03:24:04劉明明劉全東李尉弘
        科技視界 2022年8期
        關(guān)鍵詞:核電廠設(shè)備分析

        高 楠 劉明明 劉全東 李尉弘

        (中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室,四川 成都 610213)

        0 引言

        根據(jù)火災(zāi)在發(fā)生時的蔓延快、覆蓋廣等的特點,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),有可能將會影響核電廠的安全。因此,對核電設(shè)計而言,對火災(zāi)進(jìn)行提前預(yù)測顯得尤為重要。而火災(zāi)荷載是用來提前預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的大小和火災(zāi)事故等級的物理量。關(guān)注火災(zāi)在核電廠安全級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,對于后期開展防火分區(qū)設(shè)計、消防系統(tǒng)設(shè)計、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

        2019年四川涼山森林火災(zāi)致使多人遇難;2021年被稱為“中國最后一個原始部落”的云南翁丁村老寨火災(zāi)致使100余間房屋燒毀,這場火災(zāi)是我國傳統(tǒng)村落的一場“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)生過多起火災(zāi)事故。1975年,布朗斯·費里核電廠的火災(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年美國紐約印第安角核電站爆炸;2017年法國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)然針對核電火災(zāi),核行業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)出臺了多部法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn),如國家核安全局發(fā)布的HAF 102《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》[1]、國際原子能機(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)計過程中,進(jìn)行火災(zāi)分析,對受保護(hù)的目標(biāo)以及實際火災(zāi)荷載分布情況開展針對性的防火分析及設(shè)計,也就是說需要對火災(zāi)荷載進(jìn)行評估計算。

        GB/T 22158—2008《核電廠防火設(shè)計規(guī)范》[3]對火災(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)時間越長。然而,通?;馂?zāi)荷載不能直接說明與區(qū)域面積的關(guān)系。這個時候火災(zāi)荷載密度研究就顯得尤為重要,其值越大,燃燒越強。對核電廠安全級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)一個區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)荷載密度大于400MJ/m2時,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DCS機(jī)柜作為核安全級電子設(shè)備的容載體,對核電站的安全起到關(guān)鍵作用。對于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、移動式火災(zāi)荷載和臨時性火災(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)生的熱能且長時期不會發(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。移動式火災(zāi)荷載是指為保證DCS機(jī)柜能夠運行而另外根據(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、數(shù)量及柜內(nèi)布置位置等方面會發(fā)生變化。移動式火災(zāi)荷載是DCS機(jī)柜內(nèi)最主要的火災(zāi)荷載。臨時性火災(zāi)荷載指機(jī)柜的設(shè)計或裝配人員臨時放置于機(jī)柜的設(shè)備,因此具有不確定性,所以這類火災(zāi)荷載在分析過程中通常不予考慮。

        2 核電廠安全級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、助燃物并存,煙氣是火災(zāi)發(fā)生過程中,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DCS機(jī)柜中的煙氣都會伴隨著火災(zāi)的產(chǎn)生而產(chǎn)生。假設(shè)機(jī)柜內(nèi)的主要可燃燒點在機(jī)柜下部,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)初期時,煙氣比重小,煙氣將會在熱壓力的作用下,向上蔓延到達(dá)機(jī)柜頂部,此時將會轉(zhuǎn)化為層流狀態(tài)流動,當(dāng)它碰到機(jī)柜內(nèi)側(cè)板、橫梁時,將會越過這些繼續(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)開始迅速蔓延。核電廠安全級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)某個機(jī)箱或工程器件等的火災(zāi)荷載影響到相鄰設(shè)備時,則需要考慮對該區(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)荷載的計算

        對機(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、繼電器、端子、二極管、電纜等類型(因標(biāo)簽、線號管等輔料和小件質(zhì)量小不參與計算,在最終的計算結(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,來評估每種設(shè)備可燃物的質(zhì)量,并通過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(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算。

        計算示例:以某核電項目A、B、C和D四個機(jī)柜為例加以說明。

        機(jī)柜A的機(jī)箱估算4個,機(jī)柜B和C的機(jī)箱估算2個,機(jī)柜D估算3個機(jī)箱,對應(yīng)機(jī)箱槽位板卡按照滿配計算。對于機(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)荷載計算同機(jī)柜A一致,得出以上四個機(jī)柜的火災(zāi)荷載如表1。

        表1 各機(jī)柜火災(zāi)荷載

        通過火災(zāi)荷載的計算,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)荷載密度計算同機(jī)柜A類似,計算結(jié)果見表2。

        表2 各機(jī)柜火災(zāi)荷載密度

        通過上述計算得出機(jī)柜A、B、C和D的火災(zāi)荷載密度均大于400 MJ/m2,因此在做四個機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計時,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),或者對機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行重新選型。

        3 研究展望

        對于核電廠安全級DCS機(jī)柜而言,當(dāng)內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時,火災(zāi)燃燒的過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,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)生帶來的一系列物理及化學(xué)反應(yīng),了解火災(zāi)過程中污染物和有毒有害氣體的產(chǎn)生狀況。

        通過火災(zāi)荷載的計算,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統(tǒng)一的模型中,對于安全級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)荷載計算及火災(zāi)數(shù)值模擬分析運用到整個核電廠(如核電控制室盤臺),同時結(jié)合人員疏散模擬軟件(Pathfinder),對核電廠火災(zāi)過程中的人員安全疏散進(jìn)行研究。

        4 結(jié)語

        本文通過火災(zāi)荷載的概念及特點,針對性地對核電廠安全級DCS機(jī)柜的火災(zāi)荷載進(jìn)行計算分析,并對機(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)荷載計算為定量描述,因此在應(yīng)用過程中,可以根據(jù)研究項目的不同有針對性地改動部分設(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臺等儀控設(shè)備,對于后期消防系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)與理論參考。

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