核電廠安全級DCS機柜火災荷載分析

高 楠 劉明明 劉全東 李尉弘

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

根據火災在發生時的蔓延快、覆蓋廣等的特點，假設核電廠內某些電力電纜或其他設備發生著火，引發火災，有可能將會影響核電廠的安全。因此，對核電設計而言，對火災進行提前預測顯得尤為重要。而火災荷載是用來提前預測火災發生的大小和火災事故等級的物理量。關注火災在核電廠安全級DCS機柜中的影響，以及將其細化到機柜內的火災荷載，對于后期開展防火分區設計、消防系統設計、火災概率分析及部分設備的選型有著舉足輕重的作用。

1 火災荷載概念及其特點

2019年四川涼山森林火災致使多人遇難；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致使100余間房屋燒毀，這場火災是我國傳統村落的一場“災難”。不僅僅人們生活的周邊存在火災，在核電領域也發生過多起火災事故。1975年，布朗斯·費里核電廠的火災，被稱為“一根小蠟燭，毀了核電廠的半條命”，火災導致反應堆停堆主控室失去部分監控能力，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。多起核電火災事故，都在警示人們關注核電廠火災。

當然針對核電火災，核行業相關機構出臺了多部法規及標準，如國家核安全局發布的HAF 102《核動力廠設計安全規定》[1]、國際原子能機構Safety Series NO.50-P-9—1995《Evaluation of fire hazard analyses for nuclear power plants》[2]等。這些法規及標準都要求在核電設計過程中，進行火災分析，對受保護的目標以及實際火災荷載分布情況開展針對性的防火分析及設計，也就是說需要對火災荷載進行評估計算。

GB/T 22158—2008《核電廠防火設計規范》[3]對火災荷載進行了定義，即火災荷載是指作用區域內易燃物燃燒釋放的熱能。火災荷載值越大，火災持續時間越長。然而，通常火災荷載不能直接說明與區域面積的關系。這個時候火災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機柜而言，火災荷載（Q）是其柜內可燃物（如電纜、端子等上易燃材料）火災荷載之和，單位為兆焦（MJ）。機柜火災荷載密度（DQf）是該機柜相對單位面積的火災荷載。火災荷載密度以兆焦每平方米（MJ/m2）為單位。當一個區域內的火災荷載密度大于400MJ/m2時，為防止或限制火災蔓延引發的機組產生事故工況，一般需要建立防火區。

核電廠安全級DCS機柜作為核安全級電子設備的容載體，對核電站的安全起到關鍵作用。對于DCS機柜而言，火災荷載通常分為三類，分別是固定式火災荷載、移動式火災荷載和臨時性火災荷載[4]。固定式火災荷載是指機柜內結構框架設計用的位置不變，結構件上使用的可燃、易燃材料所產生的熱能且長時期不會發生變化。由于DCS機柜結構件基本為Q235B或SUS304不銹鋼，因此機柜的固定式火災荷載較少。移動式火災荷載是指為保證DCS機柜能夠運行而另外根據需求及功能布置的設備，通常指機柜內布置的各種工程器件等，包括機箱、繼電器、斷路器、浪涌抑制器、電纜等所產生的熱能。移動式火災荷載根據機柜的功能及需求等，機柜內部布置的設備規格型號、數量及柜內布置位置等方面會發生變化。移動式火災荷載是DCS機柜內最主要的火災荷載。臨時性火災荷載指機柜的設計或裝配人員臨時放置于機柜的設備，因此具有不確定性，所以這類火災荷載在分析過程中通常不予考慮。

2 核電廠安全級DCS機柜火災荷載分析

2.1 基于火災荷載的機柜火災分析

火災的發生需要可燃物、燃點、助燃物并存，煙氣是火災發生過程中，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機柜中的煙氣都會伴隨著火災的產生而產生。假設機柜內的主要可燃燒點在機柜下部，當發生火災初期時，煙氣比重小，煙氣將會在熱壓力的作用下，向上蔓延到達機柜頂部，此時將會轉化為層流狀態流動，當它碰到機柜內側板、橫梁時，將會越過這些繼續擴散，并再次到達機柜下部，這種現象也就是流體中常見的水躍現象。如圖1所示，隨著此現象的發生，火災開始迅速蔓延。核電廠安全級DCS機柜內的火災荷載伴隨著柜內可燃物的燃燒逐步增加。而當機柜內某個機箱或工程器件等的火災荷載影響到相鄰設備時，則需要考慮對該區域進行隔離分區或重新更換工程器件等設備。

圖1 機柜內的水躍現象

2.2 機柜內火災荷載的計算

對機柜內的可燃物設備進行分析，柜內可燃物主要有：模塊PCB板、機箱、后IO、終端單元、空開、繼電器、端子、二極管、電纜等類型（因標簽、線號管等輔料和小件質量小不參與計算，在最終的計算結果上進行適當的預估），由供貨商提供各設備的材料特性、質量及燃燒特性等，來評估每種設備可燃物的質量，并通過查詢每種可燃物類型的熱值（參考CECS 200—2006《建筑鋼結構防火技術規范》[5]附錄），建立通用的設備清單數據庫（包括設備的質量、可燃物質量等），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四個機柜為例加以說明。

機柜A的機箱估算4個，機柜B和C的機箱估算2個，機柜D估算3個機箱，對應機箱槽位板卡按照滿配計算。對于機柜A而言，火災荷載等于機柜內包括模塊PCB板、機箱等在內的各設備可燃物火災荷載之和，即，694.6 MJ≤700 MJ同理，機柜B～D的火災荷載計算同機柜A一致，得出以上四個機柜的火災荷載如表1。

表1 各機柜火災荷載

通過火災荷載的計算，即可求得各機柜的火災荷載密度。假定機柜A、B、C和D的大小都為800 mm（W）×2 200 mm（H）×800 mm（D），則機柜A的火災密度。機柜B、C和D的火災荷載密度計算同機柜A類似，計算結果見表2。

表2 各機柜火災荷載密度

通過上述計算得出機柜A、B、C和D的火災荷載密度均大于400 MJ/m2，因此在做四個機柜內部設計時，需要考慮建立一定的隔離防火區，保證其均于安全防火區域內，或者對機柜內部設備進行重新選型。

3 研究展望

對于核電廠安全級DCS機柜而言，當內部發生火災時，火災燃燒的過程除了層流和湍流現象外，還有可能是混合燃燒。由于機柜內部的空間較為狹窄，當火災產生時，假設內部風扇不能正常工作，導致內部設備的燃燒物質燃燒不完全，將會產生大量的有毒氣體，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生帶來的一系列物理及化學反應，了解火災過程中污染物和有毒有害氣體的產生狀況。

通過火災荷載的計算，在結合火災數值模擬分析軟件（Pyrosim、FDS軟件等），將常規參數可燃物的單位熱值、可燃物的質量、氧氣/燃料配比值、熱輻射系數、火災擴散因子、熱釋放速率等因素集中到一個統一的模型中，對于安全級DCS機柜火災內部分析有著重要的意義。當然也可以將火災荷載計算及火災數值模擬分析運用到整個核電廠（如核電控制室盤臺），同時結合人員疏散模擬軟件（Pathfinder），對核電廠火災過程中的人員安全疏散進行研究。

4 結語

本文通過火災荷載的概念及特點，針對性地對核電廠安全級DCS機柜的火災荷載進行計算分析，并對機柜內的火災發生及發展進行了研究，本文中的機柜火災荷載計算為定量描述，因此在應用過程中，可以根據研究項目的不同有針對性地改動部分設備信息，即可使用，所得出的結論可以應用于核電廠控制室盤臺等儀控設備，對于后期消防系統設計提供技術指導與理論參考。