核電廠火災概率安全評價中詳細火災情景分析方法探討

倪 曼，宮 宇，肖 軍，晉宏博，李 娟

（環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電廠火災概率安全評價中詳細火災情景分析方法探討

倪 曼，宮 宇，肖 軍，晉宏博，李 娟*

（環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

火災概率安全評價（PSA）是評估核電廠風險并發現薄弱環節的有效工具，詳細的火災情景分析是其中一個重要環節。在火災概率安全評價的火災隔間定量篩選的過程中，火災隔間的分析通常較為保守，為使結果更貼近核電廠實際，有必要對風險重要的火災隔間進行詳細的火災情景分析。通過確定特定的火災情景，分析火災的發展蔓延并評估火災情景的發生頻率，從而為最終的火災風險定量化提供基礎。本文探討了詳細火災情景分析在火災概率安全評價中的應用，并以單一火災隔間為例闡述分析方法，為核電廠火災概率安全評價工作提供支持和參考。

火災概率安全評價；火災隔間；火災情景

火災是核電廠面臨的重要風險之一。已有的研究表明，在核電廠內，火災發生的頻率比較高，其事故發展也較難以預測，對核電廠的安全構成了嚴重威脅［1］。有些火災還可能成為嚴重熔堆事故的先導［2］。據美國電力研究所統計，1991年至2008年間核電站火災發生的頻率為0.14次／（堆·年），火災的相對高發頻度已不容忽視［3］。世界各國核電廠已經在汽輪機廠房、電氣廠房中發生多次大型火災，另外發生過多次電纜火災并蔓延至其他防火區最終造成嚴重損失［4］。例如，1975年3月22日，美國Brown’s Ferry核電廠火災，其發生在電纜貫穿區并蔓延進反應堆廠房，損毀600多根安全相關系統電纜［5］。

長期以來，核電廠火災風險分析主要采用確定論的方法。自從美國核管理委員會（NRC）1975年發表的報告WASH-1400準確分析出與美國三哩島核電站反應堆熔堆事故序列一致的事故序列［6］，概率安全評價（PSA）方法逐步得到推廣。核電廠火災概率安全評價能在確定論火災危害性分析的基礎上，定量評價火災給核電廠帶來的風險，從而進一步優化火災防御措施，提高核電廠的安全性和經濟性［7］。

火災情景分析是核電廠火災概率安全評價中的一個重要環節。在火災隔間的定量篩選過程中，通常假設隔間內所有設備均不可用，這種保守的處理方法有可能會高估核電廠的風險。為使火災概率安全評價結果如實反映核電廠的真實風險，則有必要對重要的火災隔間進行詳細的火災情景分析。

從而為最終的火災風險定量化提供基礎。美國核管會（NRC）和電力研究所（EPRI）聯合發布的文件NUREG/CR-6850中對火災情景分析方法進行了較詳細的論述。本文重點探討該方法及其在火災概率安全評價中的應用，并以單一火災隔間為例闡述重要分析步驟，從而為核電廠火災概率安全評價工作提供支持和參考。

1 火災情景分析特點

廣義上來講，火災情景就是人為設定一個火災發生、發展、蔓延的整個過程［8］。在對特定火災隔間進行詳細的火災情景分析時，通常以隔間內火災的發生為起點，重點關注火災的發生、發展以及蔓延，明確隔間內的火災目標物、火災探測及滅火系統、人員響應等特征，確定火災是否導致目標物不可用以及相應的時間窗口，最終評估設定的火災情景發生頻率。

通常，針對分析對象需要設定多個不同的火災情景來描述所有可能發生的火災，每個特定的火災情景都需要評估其火災的發生、損壞行為、火災探測以及滅火響應等。目前的分析通常暫不考慮多重火災同時發生的可能性，而只考慮單一火災的發生，同時，也不考慮地震所引發的火災風險。

火災情景分析和火災概率安全評價中的其他任務密不可分。首先，通過火災隔間定性、定量篩選，將風險貢獻小的火災隔間篩除，保留風險重要的火災隔間作為火災情景分析的輸入。此外，核電廠實際巡訪作為火災情景分析的支持性任務，也可提供必要信息來支持特定火災情景的選擇和分析。最終，得到特定火災情景列表以及相應的發生頻率，為最終風險定量化以及不確定性分析提供信息輸入。

火災情景分析與火災概率安全評價中的其他任務接口如下圖所示：

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

2 火災情景分析模型

在進行火災情景分析之前，有必要對火災隔間進行全面而充分地了解。首先，對火災隔間信息進行收集并分析，目的是明確火災隔間的特征。在對火災隔間的各類信息進行收集分析之后，則需要設定火災情景并計算其頻率。

2.1 火災情景發生頻率計算公式

所有火災情景的發生頻率可用以下公式計算：

式中：λk為火災情景k發生的頻率；λi，k為火災情景k中點火源i的點火頻率；Wg，k為臨時火災情景k的地板面積比，對于固定點火源的火災情景，該值取1.0；SFk為火災情景k的嚴重因子；Pns，k為火災情景k中滅火失效的概率。

其中，點火頻率λi，k定義為火災情景k中點火源i的點火頻率。某類點火源的點火頻率計算公式［9］如下：

式中：λIS為點火源IS的電廠級點火頻率；WL為點火源IS的位置權重因子；WIS，J，L為點火源的權重因子。

通常，在進行詳細的火災情景分析前，已經對火災隔間內各類點火源的點火頻率進行了計算，在此可直接引用先前得到的點火頻率數據，本文不再贅述。

2.2 嚴重因子計算公式

公式（1）中的SFk為火災嚴重性的概率表述，代表火災的火勢發展、釋放能量的程度和持續時間達到使目標物損壞的概率。由于用來表述火災強度特征的熱釋放速率（HRR）以及其他參數存在不確定性，所以導致目標物的損壞時間存在不確定性，從而影響滅火失效的概率Pns，k。因此，最終的火災情景嚴重因子用SFk·Pns，k表示。

SFk·Pns，k可用公式（3）進行計算，表示如下：

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

3 火災嚴重因子計算

3.1 離散型火災嚴重因子

為了簡化計算，可將公式（3）的概率曲線簡化為離散性的概率分布，表述為：

采用以下步驟計算離散性火災嚴重因子的概率分布：

（1）首先，將熱釋放速率（HRR）的分布曲線離散化，劃分為合理數量的區間，得到相應的概率值（Pk，i）以及熱釋放速率值（HRRk，i）。每個區間的概率值為該區間中點值對應的概率值；

（2）根據設定的火災情景條件，采用合理的方法來確定每個區間熱釋放速率值（HRRk，i）對應的目標物損壞時間（tk，i）；

（3）根據步驟（2）的結果，建立以目標物損壞時間（tk，i）為橫坐標的離散型概率分布曲線；

（4）確定每個目標物損壞時間（tk，i）所對應的滅火失效概率（Pns，k，i）；

（5）將以上各步驟所得結果代入公式（4），計算嚴重因子值。

表1為參數記錄的簡易方式。

表1 嚴重因子計算參數列表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）定義為單位時間內火災釋放的熱量，用BTU/s或kW表示。熱釋放速率是表述火災后果非常重要的參數。火災情景設計的核心工作是確定火源的熱釋放速率［10］。

通常，評估熱釋放速率最有效的方式是燃燒試驗。熱釋放速率隨著時間會經歷初始階段、增長、充分發展以及衰落這幾個階段。具體如圖2所示。

圖2 熱釋放速率與時間關系示意圖Fig.2 Relationship between heat release rate and tim e

3.2.2 熱釋放速率（HRR）值

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

表2列出了部分典型點火源的熱釋放速率（HRR）值［10］。

表2 典型點火源的熱釋放速率（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間相應的概率值Pi。

以表2中豎直電氣柜中的電纜，火災限定于一束電纜的這類點火源為例，具體數值見表3。

3.3 目標物損壞時間

目標物損壞時間定義為火災開始直到目標物最終損壞的時間。根據離散型火災嚴重因子計算方法，在確定了離散曲線每個區間熱釋放速率值（HRRk，i）后，則需要依據設定的火災情景條件來確定所對應的目標物損壞時間（tk，i）。在確定目標物損壞時間（tk，i）后，計算其所對應的滅火失效概率（Pns，k，i）。

3.4 滅火失效概率

滅火失效概率是描述火災嚴重性和影響火災熱量釋放速率不確定性的一個重要參數，能夠對最終結果造成較大的影響，進而影響核電廠火災風險決策的正確性［11］。當需要的滅火時間大于目標物損壞時間時，則認為滅火失效。

3.4.1 事件樹模型

事件樹（ET）是一種圖解式模型，可以根據火災事故遞進的發展模式構建火災探測-滅火事件樹來計算滅火失效的概率。事件樹的題頭事件可分為快速探測及滅火、自動探測及滅火和人工探測及滅火三部分。事件樹如圖3所示。在實際應用中，可依據火災情景的特征對事件樹題頭進行修改以反映實際的火災情景。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-滅火事件樹圖Fig.3 Detection suppression event tree

3.4.2 滅火失效概率取值

（1）火災探測和滅火系統失效概率

在美國電力研究協會發布的《核電廠火災自動和人工撲救可靠性數據》［12］中，給出了各類自動消防設施的滅火失效概率：二氧化碳類滅火系統為0.04，鹵素類滅火系統為0.05，濕式自動滅火系統為0.02，預作用噴水滅火系統為0.05。人工開啟固定滅火系統失效的概率由兩部分組成：設備的失效概率和人員操作失誤概率。

（2）消防隊滅火失效概率

當火災發生后，目標物是否損壞取決于火災發展的速度以及滅火的速度。火災發展的速度可以通過試驗或模擬來確定，而滅火的速度則取自核電廠的火災事件數據統計。修正后的消防隊滅火失效概率可通過下式計算［13］：

式中：λ含義為不同類型火災的平均滅火速率，Tfb-t為消防隊平均響應時間，Tfb-s為特定核電廠的消防隊響應時間。其中，不同類型火災的平均滅火速率［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，我國出臺的《核安全與放射性污染防治“十二五”規劃及2020年遠景目標》中提出“新建核電機組具備較完善的嚴重事故預防和緩解措施，每堆年發生嚴重堆芯損壞事件的概率低于十萬分之一”［15］。火災概率安全評價定量化的結果是論證核電廠滿足概率安全目標的重要手段，同時，也是發現核電廠火災薄弱環節并提出風險見解的有效工具。

火災情景分析是火災概率安全評價中非常重要的一個要素，也是火災風險定量化的基礎。一個火災隔間可能有多個火災情景，而火災情景分析涉及到點火源頻率計算、火災情景模擬、滅火失效概率等，因此，火災情景分析也是一項繁復的工作。目前，我國實際開展的火災概率安全評價工作中，也都廣泛使用了上述方法對火災情景進行分析。首先，對風險重要的火災隔間進行火災情景分析可以減少保守性，使結果更貼近核電廠實際；其次，通過分析隔間內火災的發展及蔓延趨勢，計算目標物損壞時間及滅火失效概率，可以提出相關建議，為核電廠的安全決策提供技術支持。此外，需要注意的是，通用的火災情景分析方法中采用的數據多以美國核電廠為基礎。以熱釋率為例，方法中所列舉的數據是在大量試驗基礎上得出的。我國在開展相應分析工作時，應考慮數據對我國核電廠的適用性，并也應逐步開展相關試驗。隨著火災概率安全評價技術的不斷發展，火災情景分析也將是一個不斷發展完善的過程。

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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

環保公益性行業科研專項，項目編號201309054

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

*通訊作者：李 娟，E-mail：Lijuan90112@163.com