核電廠地下綜合管廊火災薄弱性分析及改進建議

白緒濤,孫丹丹，張曉晨

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

截至2020年3月31日,我國在運核電機組已經超過47臺，核電廠的安全可靠運行對我國經濟發展具有舉足輕重的作用。核電廠地下綜合管廊是指在核電廠地下集中敷設通信、電力、給水、排水、蒸汽等線路、管道的專用隧道，是核電廠的神經和血管，地位至關重要。地下綜合管廊具有多種管線共存、可燃物數量大、連接區域廣、火災撲救困難的特點，如果發生火災，容易蔓延，導致火災范圍的擴大，進而產生大范圍的影響，威脅機組的穩定運行。核電廠地下綜合管廊的設計安全準則主要參照《核電廠防火》《核電廠防火準則》《壓水堆核電廠防火設計和建造規則》等文件，設計規范及標準主要依照《火災自動報警控制系統設計規范》《建筑設計防火規范》《火災自動報警控制系統施工及驗收規范》，同時參照《民用建筑電氣設計規范》《火力發電廠及變電站設計防火規范》等標準的相關條款，地下綜合管廊的消防設計尚無有針對性的標準或規范。

1 地下綜合管廊的火災特征

地下綜合管廊在機組正常運行狀態下，可燃物主要以動力電纜、控制電纜及管道保溫為主，具體為：線路填充物、線路絕緣層和保護層、保溫填充物，以及管廊內照明、消防、保衛系統運行設備等固體火災載荷。特殊情況下，可能存在排水管道析出或制氫站泄露的可燃氣體等氣體火災載荷。

根據地下綜合管廊內火災載荷及運行設備的特點，在管廊內主要的起火原因如下：

(1)設備短路：管廊內照明系統、消防系統、保衛系統所屬的電氣設備或者動力電纜發生短路故障，產生電火花；

(2)線路過載、過熱：動力電纜過負荷，導致線路過熱，易引發火災；

(3)動火作業：管廊內維修、改造涉及動火作業時，若動火作業保護措施不到位；

(4)落葉、雜物陰燃：管廊內地形復雜，部分區域人員經過較少，落葉、雜物從通風井飄落、堆積后，在夏季易發生陰燃；

(5)通風不良或有阻礙等現象造成的管廊起火或起火后監控失效造成更大火情的情況。

按照功能，核電廠的地下綜合管廊主要分為：重要廠用水進水管廊和綜合技術管廊。重要廠用水進水管廊為地下現澆鋼筋混凝土管廊，連接聯合泵房和電氣廠房，將電氣廠房的應急電源分四個系列送至聯合泵房，同時布置兩臺機組的A、B列重要廠用水供水管道分別布置在單獨的安全防火區內,該管廊內主要火災危險為電纜。綜合技術管廊的功能是向廠區大多數建(構)筑物提供所需工藝管道和電纜的敷設場所，同時要求所敷設的管道和電纜檢修和檢查方便。綜合技術管廊因其敷設距離長、設備類型多、管廊分支數量大、結構復雜等特點，導致其火災風險較高，且一旦發生火災，撲救及疏散難度極大。

以國內某核電廠綜合技術管廊為例，其總長約3400 m，將包括汽輪機廠房、電氣廠房、制氫站、開關站、綜合辦公樓在內的34個廠房通過地下綜合管廊連接在一起，某地下綜合管廊具體布局如圖1所示。

圖1 國內某核電廠綜合技術管廊布局示意

其地下綜合管廊呈網狀結構，局部包含“回”字型結構，“正”字型結構，整體結構分支非常多，布局較為復雜，對火災探測系統的靈敏性、防火間隔的有效性、滅火系統的完備性都提出了更高的要求。

2 地下綜合管廊設計現狀

2.1 橋架及管道布置

核電廠地下綜合管廊電纜橋架和管道的布置主要分下面幾種類型(如圖2所示)：

(1)電纜數量較多時，電纜和工藝管道單獨敷設，中間設隔墻。若無法進行分隔，同一管廊內電纜橋架敷設在管道的上方或側面；

(2)管廊一側布置工藝管道，另一側布置電纜橋架，中間預留0.8 m的人行通道；

(3)管廊內管道與電纜橋架在一側布置，管道布置在電纜橋架的下方；

(4)純電纜管廊，管廊內僅布置電纜橋架。

圖2 核電廠地下綜合管廊電纜橋架及管道布局示意

2.2 防火間隔及分區設置

地下綜合管廊內的電纜采用交聯聚乙烯絕緣、低煙無鹵阻燃聚烯烴護套電纜；動力電纜與控制電纜分層布置，由于空間限制，動力電纜與控制電纜敷設在同一層的托盤，設置隔板分開；管廊內的每個建筑伸縮縫處(間距約20 m)設置獨立阻火墻，通向地面建筑物的入口處設置阻火墻，以防止火災蔓延。

核電廠地下綜合管廊設計時，依據《建筑設計防火規范》，將地下綜合管廊按照機組劃分為防火區，并統一設置滅火系統。以某核電廠4臺機組為例，其地下綜合管廊主要用于輔助廠房的連接，整體劃分為一個防火分區。

2.3 火災探測方式

地下綜合管廊內的火災探測，主要以早期發現電纜火情為主，在敷設有電纜的綜合管廊內采用點式光電感煙探測器與纜式線形感溫電纜相結合的火災探測方式。內部只敷設管道的管廊未設置火災探測裝置。點式光電感煙探測器采用吸頂居中安裝方式，保護半徑小于6 m；纜式線形感溫電纜按照電纜敷設的層數，在每層橋架內電纜的上方采用正弦波形式緊貼電纜表面進行敷設。每個地下綜合管廊內所有探測設備按照同一個防火分區設計。

2.4 滅火設施

在地下綜合管廊中，以移動式滅火器為主要的滅火設施，未設置固定式滅火裝置。在有氫氣管道通過的部位按照C類火災嚴重危險級配置MF/ABC8型滅火器，保護間距小于18 m；其余部位按照保護間距25～30 m配置MF/ABC3型滅火器。

2.5 防排煙及照明系統

地下綜合管廊內部設置了一定數量的安裝孔，在安裝結束后，露出地面的安裝孔兩側做通風百葉窗，防排煙以自然通風為主，未設置主動式防排煙系統及擋煙垂壁。

地下綜合管廊屬于技術性廠房，設有正常照明和應急照明，正常照度要求為100 lux。每三個燈具中設置一個應急照明燈具。應急照明由相應應急照明配電箱供電，燈具自帶蓄電池，正常照明和應急照明發生故障時，應急燈具自帶的蓄電池提供維持1 h的必要照明，以保證運行人員安全疏散。正常照明和應急照明選用密封型工業單管熒光燈。

3 火災薄弱環節分析

3.1 防火分區劃分不合理

根據《核電廠常規島設計防火規范》的要求：電纜溝道、電纜隧道以及含有油管道的或電纜的綜合管廊內每個防火分區的長度不應大于200 m。目前，地下綜合管廊防火分區的設計與《核電廠常規島設計防火規范》的要求存在差異性。整體管廊之間未設置任何物理隔斷，一旦發生火災，僅在橋架間設置的阻火墻無法有效阻止火災蔓延。

3.2 火災探測類型單一

目前，國內核電廠地下綜合管廊僅對敷設有電纜的區域布置火災自動報警系統進行監視。部分核電廠采取點式光電感煙探測器與纜式線型感溫電纜或感溫光纖組合的探測方式進行監視，還有一部分核電廠采用纜式線型感溫電纜或感溫光纖單一方式進行探測。對于不包含電纜的區域，未設置火災探測裝置，存在監視盲區，一旦該區域內附屬設備或含油、含氫管道發生火災，難以及時發現并響應。在與可燃氣體生產廠房的連接段，未設置可燃氣體檢測裝置。管廊內照明、通風等設備均為非防爆裝置，一旦可燃氣體進入管廊，極易發生爆燃。

3.3 滅火設施不足，形式單一

地下綜合管廊中，滅火設施僅配置移動式滅火器，無法滿足地下綜合管廊內火災撲救需求。由于地下綜合管廊布局的復雜性，在發生火災后，消防隊難以在第一時間到達起火地點進行撲救，很可能發生火災大面積蔓延的情況?；馂陌l生時，手提式滅火器無法滿足火災撲救需求。

3.4 防排煙設施不足

防排煙設施不足，自然通風措施無法滿足防火要求。管廊內未設置防排煙設施，管廊上部分露出地面的安裝孔兩側做通風百葉窗。

4 改進措施建議

4.1 優化防火分區設置

以某核電廠地下綜合管廊為例，其總長約3400 m，根據《核電廠常規島設計防火規范》的要求，結合地下綜合管廊實際功能及建筑結構,參照如下規則進行劃分：

(1)管廊與廠房(或地溝)的接口處均應設置防火隔斷墻，防止廠房與地下綜合管廊的火災的相互影響；

(2)電纜管廊在管道管廊的上方或側面時，對電纜管廊按照《核電廠常規島設計防火規范》的要求進行防火分區，管道側僅在管廊兩端設置隔離墻，在物理上徹底隔斷管道管廊與電纜管廊，以免火災相互影響；

(3)管道與電纜在同一個管廊內時，按照規范要求進行防火分區。

根據上述規則，該地下綜合管廊可劃分為20個防火分區。防火區間通過防火屏障物理隔離，把火災限制在防火區內，隔離潛在的火災，使火災的蔓延風險以及隨之產生的腐蝕性氣體，滅火劑，煙氣等污染造成的危害最小化。

管廊與各子項連接處增加混凝土實心砌塊墻體以滿足防火隔離要求。根據各子項與管廊連接的不同現狀，采用不同的方式：

(1)管廊與子項以淺溝形式連接，沒有人員通行的需求與可行性時，在適當的位置砌筑墻體完全封堵。

(2)管廊與子項連接處有人員通行需求的情況下，在子項建筑物一側砌筑墻體，并在墻體預留人員通行的門洞，安裝滿足耐火極限要求的防火門。

(3)在子項建筑物一側砌筑墻體無法實現時，選擇在管廊一側進行封堵。根據現場實際管道布局，選擇連接處附近、橋架較少便于砌筑墻體的位置進行防火隔離，同時預留人員通道，安裝滿足耐火極限要求的防火門。

由于墻體是在各種管道橋架安裝就位后砌筑，穿越墻體的物項所在的洞口無法在設計階段準確定位，需施工單位在施工現場根據管線布置情況密切配合施工。且該墻體上所開孔洞需進行防火封堵，以滿足墻體的防火要求。

4.2 優化火災探測手段

由于地下綜合管廊由于未設置主動通風系統，且部分區段排水不暢，在雨季管廊內積水嚴重，火災探測器由于長期處于高濕度環境下，在夏季故障率居高不下，給火災監測帶來一定隱患。建議在加強通風除濕、降低環境濕度的同時，選用探測范圍大，耐高濕環境的探測裝置(例如：紅外火焰探測器、紅外對射式感煙探測器)對探測方式進行補充。

地下綜合管廊部分區段存在氫氣管道與電纜共用的情況，在這部分區段未設置可燃氣體探測裝置，如果管道發生泄漏，現有火災探測手段無法發現泄漏情況。所以，應在敷設氫氣管道的區段增加可燃氣體探測裝置，并與制氫設備聯動控制。

4.3 提高滅火能力

地下綜合管廊滅火系統以移動式滅火器為滅火主要裝備，未設置固定滅火系統。地下綜合管廊滅火系統的設置，僅能滿足當時條件下的規范要求和監管部門要求，面對日益嚴峻的消防形勢和不斷提高的滅火標準，當時的設計標準已經無法滿足要求。《核電廠常規島設計防火規范》中，也規定了在電纜隧道設置水噴霧/干粉滅火裝置。因此，應根據管廊實際情況，增設滅火系統。結合國內外相關規范，對綜合管廊推薦的固定滅火措施有自動噴水滅火系統、水噴霧滅火系統、氣體滅火系統、高壓細水霧、超細干粉等。

(1)自動噴水滅火系統

《核電廠防火設計規范》中規定電纜管廊及電纜層可采用水噴淋系統。在國內大亞灣核電站、嶺澳一期核電站已完成了相應的消防改造，目前未有不良反饋。如設置該滅火設施，發生火災后地下綜合管廊中電纜需及時斷電，避免發生人員觸電傷害，并考慮消防排水。

(2)水噴霧滅火系統

國內相關工業標準中，對電纜隧道推薦采用水噴霧滅火系統。水噴霧滅火系統是利用水霧噴頭把水粉碎成細小的水霧滴之后噴射到正在燃燒的物質表面，通過表面冷卻、窒息以及乳化、稀釋的同時作用實現滅火。水噴霧具有電氣絕緣性好的特點，電氣火災中廣泛應用。但是，結合地下綜合管廊的特點，采用水噴霧也存在以下問題：核電站電氣管廊及綜合管廊距離較長，水噴霧系統為開式系統，為控制消防水量，需要劃分為多個防火分區進行設置。造成雨淋閥設置數量過多，系統復雜。設置水噴霧系統，需要在保護的防火分區附近設置雨淋閥間，對于已有項目改造困難。

(3)氣體消防系統

氣體滅火系統的滅火機理主要有窒息、隔離及化學抑制，目前主要應用的滅火劑為CO2、七氟丙烷等，主要為全淹沒方式。地下綜合管廊為一個大空間，設置氣體滅火系統需要將其分成若干個保護區，配備氣瓶量大，系統設置復雜。此外無法實現密封及泄壓口設置要求，因此，氣體滅火系統不適用于地下綜合管廊。

(4)干粉自動滅火裝置

目前，懸掛式干粉措施在電纜層和電纜隧道中多有應用，具有體積小巧、安裝方便、報警迅速等特點。能撲滅局部或大空間的A類、B類、C類、E類、F類火災，需要5～10年更換一次。干粉自動滅火裝置無管網、常態無壓、無需日常維護，設計簡單、安裝方便。與水噴霧滅火系統相比，無需雨淋閥間，沒有復雜的管網、閥門，初期工程節約投資。近幾年出現的口碑較好的新型超細干粉滅火劑，具有用量少、效果好、防復燃、防受潮失效、壽命可達10年的特點。

綜上所述，考慮到以上滅火方式的優缺點，結合已建核電廠綜合管廊空間制約及管廊消防改造經驗，對于已有電站綜合管廊的消防改造，建議采用水噴淋或超細干粉滅火系統，由于場地受限，可適當簡化系統設置。

4.4 增設主動防排煙系統

目前管廊通風主要通過預制的通風孔、百葉窗在正常情況和事故狀態進行通風和排煙。當發生火災時，無法有效阻止有毒煙霧的擴散。為了改善管廊環境降低消防系統故障率，保證火災時能夠有效防止煙霧的擴散，防止火災的蔓延，應分段增設主動通風系統。正常運行期間，根據溫濕度變化情況，對地下綜合管廊內的環境進行調節，防止因濕度過大造成附屬設備大量報警，影響火災監測；事故狀態及時隔離火災區域，防止煙毒氣擴散并及時排出管廊。

5 總結

通過分析地下綜合管廊消防設計的特點，結合核電廠地下綜合管廊的布局、火災載荷和火災特征，提出有針對性的消防設計改進建議，可以有效增強地下綜合管廊的消防防控能力，為核電廠的安全穩定運行提供基礎性的保障。