核電廠安全級DCS機柜可燃物分析及火災仿真模擬

高 楠，劉明明，覃 吳，馬 權，肖 林，鄭 興

（1.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，成都 610213；2.華北電力大學 國家新能源發電工程研究中心，北京 102206）

0 引言

安全級DCS必須常年處于可靠的運行狀態[1]，其高可靠性是確保反應堆正常、安全、可靠運行的關鍵，同時為避免造成DCS系統可用性降低，其安全故障率要限制在最低水平[2，3]。火災作為假設始發事件，其造成的后果會影響核電廠安全。若安全級DCS機柜內部著火，設備發生故障安全，會直接影響并威脅到DCS系統的穩定運行。因此，對安全級DCS機柜進行火災危害性分析，對火災進行提前預測，降低火災發生的頻率，可以有效保證系統的可靠性。

當前國內對于安全級DCS機柜相關的火災分析處于起步階段，缺乏相關研究。經其他工控DCS行業反饋，通過對機柜內部可燃物分析及火災仿真，分析柜內煙霧蔓延、火焰燃燒、溫度場等火災模擬要素，便于對柜內薄弱點進行針對性優化，以減弱火災帶來的影響，同時對降低機柜火災危險系數，以及火災探測、滅火預案等分析與設計起著關鍵的作用[4]。因此，建立一套完整的安全級DCS機柜火災仿真流程尤為重要。

本文擬通過設計一臺安全級DCS機柜，將其作為分析對象，基于建立的一套適用于安全級DCS機柜火災仿真流程，對其內部可燃物進行分析，依托FDS、Pyrosim、Smokeview軟件搭建火災仿真模型，對機柜火災模擬數據進行分析。

1 安全級DCS機柜火災仿真流程

安全級DCS機柜火災仿真流程如圖1，其中包含了各個過程的主要工作等。本文主要對機柜可燃物分析及仿真模型進行說明。

圖1 安全級DCS機柜火災仿真流程Fig.1 Safety-level DCS cabinet fire simulation process

2 安全級DCS機柜可燃物分析

機柜內可燃物、火源（燃點）和氧氣條件（助燃物）是機柜燃燒理論的基本三要素。可燃物是機柜火災發生、燃燒及蔓延的物質基礎，也是機柜火災預測的重要因素之一。在分析機柜設備是否可以被點燃，火災如何蔓延的過程中，機柜內可燃物比其他因素更為重要。對機柜內可燃物進行管理，可以從根本上解決機柜火災發生和蔓延問題。

機柜內可燃物特性包括理化性質和空間組合特征，理化性質描述可燃物的化學性質以及密度、燃點、熱值、比熱等物理性質；空間組合特征描述可燃組合的特征，包括數量、大小和質量[5]。可燃物的理化性質作為機柜動態仿真的基礎，其參數對于機柜火災模擬分析起著重要影響。

結合可燃物的重要性，需對機柜設備可燃物進行分析。本文中設計的安全級DCS機柜主要承力結構（框架、柜門、頂蓋等）使用冷軋鋼板Q235B，內部的各類支架、盲板、導流板等使用熱浸鍍鋅鋼板Zn125或不銹鋼SUS304，該部分結構件基本都為阻燃材料，因此在分析時可忽略不計，僅對機柜內部設備可燃物進行分析。機柜內部主要布置機箱、各類功能模塊、空氣開關、電源模塊、濾波器、浪涌抑制器、連接器和線纜等，其可燃物種類主要為PA（聚酰胺、尼龍）、PBT（聚對苯二甲酸丁二酯）、ABS（丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S）、PE（交聯聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、FR4（環氧樹脂）等。通過查閱中外文獻及設備生產廠家提供的數據，對可燃物材質、燃燒熱值、密度等理化性質進行了統計，具體統計數據見表1。

表1 可燃材料的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of combustible materials

3 安全級DCS機柜火災仿真模型搭建框架

安全級DCS機柜發生的火災大多是由于過熱、短路等原因導致的電氣火災，通常都將火災發展速度分為4種類型：超快速、快速、中速和慢速[6]。本文所設計安全級DCS機柜基本尺寸為800mm（寬）×800mm（深）×2280mm（高）（含底部槽鋼尺寸），機柜內部由下至上配置3臺6U機箱，機箱兩兩間配置風扇，其他可在安裝區域布置電氣設備等。機柜火災仿真模型搭建框架如圖2。

圖2 火災仿真模型搭建框架Fig.2 Framework of fire simulation model building

4 安全級DCS機柜火災模型建立

根據設計的安全級DCS機柜內部設備安裝現狀及第3節搭建框架，建立機柜火災仿真模型，具體如下：

1）網格劃分

網格劃分是有限元分析的基礎，網格尺寸的大小決定模擬結果的精確程度[7]。本文對機柜網格劃分進行了多次模擬試驗，發現火災規模較大時，不同尺寸之間網格邊界會因參數突變過大而造成數值不穩定，使系統停止運行。因此，為避免同一模型中定義不同尺寸網格，本次分析的機柜網格坐標設定為X（-0.4，0.4），Y（-0.4，0.4），Z（0，2.28），網格單元尺寸為0.02m×0.02m×0.02m，整體模型網格數共182400個。

2）材料理化性質設置

機柜內可燃物的理化性質涉及的參數包括DENSTTY、SPECIFIC_HEAT和CONDUCTIVITY，這3個參數用于設置材料的密度、比熱和導熱系數。在進行模擬分析時，三者缺一不可，任何參數的缺失將導致FDS停止計算。根據表1中機柜中的可燃物理化性質設置各類參數。

3）“表面”設置

“表面”用于設定熱邊界條件，引用2）設置的材料屬性定義出PA、ABS、PBT、PE/PVC、環氧樹脂、OPEN、burn等的“表面”。其中OPEN為FDS默認的開口邊界條件，邊界條件設定為OPEN后，FDS將根據計算結果在OPEN設定區域自由通風，同實際打開的機柜門窗一樣。而burn表面為熱表面，用于定義點火源。為避免點火源的功率對火災蔓延的影響[8]，定義火源的熱釋放速率隨時間t2變化，第0s時火源的熱釋放速率為0，第10s時為650kW/m2，第20s～100s時熱釋放速率為1300kW/m2，第120s時熱釋放速率為0，即火源的最大熱釋放功率為6.24kW。

4）“障礙物”設置

“障礙物”用于設置火災場景內的物體，包括機柜框架、橫梁、角規、機箱、空氣開關、繼電器等設備。依據機柜的布置圖設置各設備的位置和大小，引用之前3）設置的“表面”來定義各物體邊界條件。圖3即為機柜的“障礙物”建模。

圖3 機柜建模Fig.3 Cabinet modeling

5）火源設置

火源參數是場景文件的核心參數，其本質是描述可燃物的燃燒行為。由于固體可燃物需經歷熱解再到燃燒的過程，因而火源參數設置需包括熱解參數與燃燒參數兩部分內容。本文通過在可燃物的“表面”直接設定熱釋放速率來定義熱解，其中設定熱釋放速率實際上是設置向柜內噴射的可燃氣體量。點火源引用“burn”表面，根據機柜的不同點火源位置而自主設定位置、面積。

5 安全級DCS機柜火災模擬數據分析

根據第4節搭建的機柜火災仿真模型，對煙霧/火焰蔓延、溫度場分布等火災屬性進行數據分析。具體如下：

5.1 點火源及熱電偶位置設置

根據機柜內模塊板卡等設備布置，及6U機箱后部終端單元接線走線復雜性，將點火源設定在機柜由下至上第一層的1U風扇后部側處，取一個位于1U風扇+Z方向的面作為火源，其表面定義為“burn”熱表面。由于點火源的作用是引燃可燃物，在保證能引燃可燃物的前提下，點火源的面積應該盡量減小，因而點火源面積設定為0.0048m2。在點火源和機柜后部上方每間隔一定距離放置一個熱電偶（TCP1-TCP8），用來直接測量所處位置的溫度。熱電偶位置如圖4中黃點所示。

圖4 熱電偶位置Fig.4 Thermocouple location

5.2 煙霧蔓延

在點火源的作用下，機柜內起火后，煙霧向上蔓延，并隨時間增加，機柜內可見度逐漸下降，如圖5。至300s時，機柜進出風口基本被煙霧籠罩，且能見度很低。隨著時間推移，機柜的可見度并未逐漸提高，且由于機柜上方出風口較小，煙霧不能及時排出。隨著火勢的增強，煙霧仍持續籠罩，直至1000s模擬運行結束。模擬發現，機柜后半部分1U風扇處點火后，煙霧生成速度較慢，這可能是因為6U機箱“表面”第一層定義為不銹鋼SUS304，第二層才定義為可燃物，而不銹鋼SUS304的不可燃燒性影響了內部可燃材料的燃燒反應。

圖5 煙霧蔓延Fig.5 Smoke spread

5.3 火焰蔓延

當100s時，機柜由下至上第二個6U機箱下表面基本開始燃燒。由于前面盲板的阻擋，火焰從機柜側面與后面蔓延出來。300s時，設備熱解生成的可燃氣體擴散在進風口處且機柜后半部分有火焰燃燒。600s時，火焰蔓延至機柜后部下側面電氣設備處，但此時溫度較低，不足以引燃電氣設備。900s時，機柜后部下側面電氣設備被引燃并開始燃燒，火勢逐漸增大直至1300s模擬結束。模擬得到的火勢蔓延過程如圖6。通過火勢蔓延可看出，機柜內的火焰不會立刻產生并蔓延，這是由于機柜內大部分設備采用阻燃材料，抑制或者延滯了其快速燃燒。

圖6 火焰蔓延Fig.6 Flame spread

5.4 溫度場分布

5.4.1 熱電偶測溫

將機柜運行環境溫度設置為20℃，火源上方溫度變化情況如圖7，熱電偶溫度測點TCP1-TCP4位于距火源點1U風扇盒后部側處上方且高度依次增加，溫度測點TCP5-TCP8位于機柜后半部分且高度依次增加。從圖7中可以看出，在燃燒開始階段各測點溫度逐漸升高；120s時點火源熄滅，TCP1溫度下降，之后TCP1檢測的溫度為機箱下表面與1U風扇盒燃燒溫度，逐漸穩定于800℃左右。相較于機柜后半部分，著火源上方的溫度較低，這是因為機柜后半部分一直存在火焰蔓延，熱空氣不斷產生且未及時流出，造成熱量聚集在機柜后部中部高度。

圖7 熱電偶測溫Fig.7 Thermocouple temperature measurement

5.4.2 X軸方向溫度場

沿著X=0m平面不同時刻溫度場如圖8，從圖中可以看出機柜火災沿Y軸方向的發展過程。200s時機箱大面積燃燒，熱解產生的可燃氣體向機柜后部上升，頂部位置煙氣層溫度升高，達到200℃左右；400s時，頂部溫度達到350℃，高溫煙氣聚集在機柜后部出風口處。500s時，隨著燃燒反應的進行，溫度持續升高，熱煙氣層開始繞過前盲板，向機柜盲板前部下移。700s后，X=0平面內機柜后部溫度迅速升高，整個平面內大范圍溫度升到400℃左右。1300s時，整個平面內大范圍溫度升到500℃及以上，此時溫度已達到機柜內絕大多數可燃物燃點，火災燃燒強度隱患加劇。整個過程中機柜出風口處在煙氣的作用下，溫度較其他區域內的溫度高。從溫度場可以看出，火災發生后沿X軸方向發展趨勢明顯。

圖8 X軸方向溫度場Fig.8 Temperature field in X-axis direction

5.4.3 Y軸方向溫度場

沿著燃燒火源Y=0m平面不同時刻溫度場如圖9，從圖中可以看出機柜火災沿X軸方向發展過程。200s時只有機柜下表面大面積燃燒，頂部位置煙氣層溫度升高，達到200℃左右；400s開始，6U機箱和機柜頂部溫度較高。700s后，Y=0平面機柜內部溫度迅速升高，整個平面內大范圍溫度升到300℃以上。1300s時，平面內上頂部溫度達到350℃，機箱著火點處溫度較高，溫度最高達到650℃，中間部分溫度較低到達250℃。

圖9 Y軸方向溫度場Fig.9 Temperature field in Y-axis direction

6 結論

根據建立的安全級DCS機柜火災仿真流程，對機柜火災仿真模擬結果分析，發現設計的安全級DCS機柜隨著時間的變化，機柜內火災燃燒反應加劇，且內部溫度逐步升高500℃及以上后，該溫度已達到機柜內絕大多數可燃物燃點，存在較大的火災燃燒強度隱患。對該臺機柜燃燒劇烈點進行分析后，發現可在流場、結構方面對機柜進行優化改進，同時對機柜中熱-結構的多物理場耦合問題進行分析和測試[9]，來減少機柜內火災蔓延，為火災的預防提供有效支撐，便于后期消防等設計。根據改進路徑后續欲在如下幾方面進行優化改進，從而降低機柜著火概率：①機柜風扇優化；②機柜進風口優化設計；③機柜出門口優化設計；④機柜結構優化設計。