某核電廠蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)防火響應(yīng)分析與改進(jìn)

林佳 劉超杰 昌薇薇

（中國(guó)核電工程有限公司華東分公司 浙江嘉興 314000）

1 背景

蓄電池作為核電站的應(yīng)急電源，在整個(gè)核電站電氣系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［1］。蓄電池組與充電器、配電柜一起構(gòu)成了48V、110V、220V3個(gè)電壓等級(jí)的直流電源系統(tǒng)。這些系統(tǒng)分別為核電廠邏輯控制回路、核測(cè)量?jī)x表、中壓柜開關(guān)操作回路、交流不間斷電源的逆變器回路提供直流電源。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，蓄電池組與充電器并聯(lián)供電至配電柜直流母線，以浮充電方式運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)，由充電器帶負(fù)荷并保證蓄電池處于充滿狀態(tài)；在充電器發(fā)生故障或供充電器的交流電源失去時(shí)，蓄電池組不間斷地向用電設(shè)備提供直流電源，并且最少維持1h。蓄電池組也可提供瞬時(shí)尖峰負(fù)荷需要的電流。

蓄電池間設(shè)置在電氣廠房+3.8m，蓄電池分為A、B兩列，采用核安全級(jí)（1E）GFD 固定型防酸鉛酸蓄電池。由于鉛酸蓄電池在充電時(shí)水的電解，即當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時(shí)（一般在2.3V/單體以上），在蓄電池的正極上放出氧氣，負(fù)極上放出氫氣，特別在充電末期氫釋放較多。根據(jù)核島蓄電池設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)，蓄電池靠近明火或由靜電感應(yīng)產(chǎn)生的火花，可能引起氫氧氣體爆炸，對(duì)操作人員、蓄電池均有損傷危險(xiǎn)。蓄電池間通風(fēng)應(yīng)按防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)保證換氣次數(shù)，及時(shí)排除房間內(nèi)的氫氣，防止積聚，因此，蓄電池間通風(fēng)防火設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀態(tài)需重點(diǎn)關(guān)注。

根據(jù)通用起火頻率組合表［2］，M310+蓄電池間通用起火頻率為0.75×10-3/（堆·年），蓄電池間主要的火源貢獻(xiàn)因子為電氣危害，蓄電池電解液為質(zhì)量百分比為31%的硫酸，著火后高溫?zé)煔鈹y帶硫酸溶液，危害巨大，因此，對(duì)于核電廠蓄電池間的火災(zāi)的預(yù)防和火災(zāi)響應(yīng)防護(hù)措施不容忽視。

2 蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)屬于電纜層通風(fēng)系統(tǒng)（DVE）的子項(xiàng)，主要功能是滿足蓄電池間的通風(fēng)需求，以維持設(shè)備正常運(yùn)行的環(huán)境溫度；為蓄電池間提供合適的換氣條件（12V/h），采用直流式全新風(fēng)系統(tǒng)，包括一臺(tái)100%容量的送風(fēng)機(jī)和一臺(tái)100%容量的排風(fēng)機(jī)。在寒冷季節(jié)，新風(fēng)通過電加熱器進(jìn)行加熱，風(fēng)機(jī)由380V 低壓配電盤控制。蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量略小于排風(fēng)量，保證室內(nèi)有微小的負(fù)壓，防止氫氣積聚和外逸。

如圖1 所示，根據(jù)蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)的流程示意圖，蓄電池間設(shè)置在電氣廠房+3.8m，蓄電池分為A、B兩列，分別對(duì)應(yīng)防火分區(qū)4SFSL0390A和4SFSL0391B。防火分區(qū)4SFSL0390A 包括：A 列電纜層，A 列蓄電池間W342、W343、W343、W345，送風(fēng)機(jī)4DVE015ZV，排風(fēng)機(jī)4DVE005ZV，以及B列蓄電池間送風(fēng)機(jī)4DVE008ZV、防火閥4DVE036VAF 和部分防火排風(fēng)管道。防火分區(qū)4SFSL0391B 包括：B 列電纜層，B 列蓄電池間W346、W347、W348，排風(fēng)機(jī)4DVE006ZV。根據(jù)核島火災(zāi)分析設(shè)計(jì)［3］，布置蓄電池間防火分區(qū)火災(zāi)探測(cè)器，蓄電池間火災(zāi)探測(cè)器由多組感煙火災(zāi)探測(cè)器和氫氣探測(cè)器組成。

圖1 蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)流程示意圖

3 蓄電池間通風(fēng)防火響應(yīng)分析

3.1 通風(fēng)防火響應(yīng)情況描述

執(zhí)行某核電4號(hào)機(jī)組安全防火分區(qū)功能試驗(yàn)規(guī)程TP4SFZ17 中防火分區(qū)4SFSL0391B 時(shí)，模擬B 列蓄電池間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，當(dāng)觸發(fā)的火災(zāi)探頭數(shù)量為1時(shí)，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)JDT將觸發(fā)SJ.9信號(hào)并將其送到自動(dòng)控制系統(tǒng)DCS，由DCS 在主控制室畫面KIC 上顯示防火分區(qū)火災(zāi)報(bào)警（SFZ 報(bào)警）；當(dāng)觸發(fā)的火災(zāi)探測(cè)器數(shù)量≥2時(shí)，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)JDT將觸發(fā)SJ信號(hào)并將其送到DCS，由DCS自動(dòng)發(fā)出命令關(guān)閉防火閥［4］4DVE03 6VAF。而蓄電池間送、排風(fēng)機(jī)均由380V 低壓配電盤上操作，當(dāng)防火閥關(guān)閉時(shí)，風(fēng)機(jī)未能及時(shí)停運(yùn)，導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)4DVE008ZV 出口被關(guān)閉，排風(fēng)機(jī)4DVE006ZV 吸入蓄電池間的高溫腐蝕性煙氣。

根據(jù)電纜層通風(fēng)系統(tǒng)手冊(cè)，特殊瞬態(tài)運(yùn)行：如果一個(gè)房間失火，關(guān)閉防火閥隔離該房間，其相應(yīng)的DVE系統(tǒng)是否停運(yùn)，視具體情況而定。隔離包括起火房間（或幾個(gè)房間）在內(nèi)的防火區(qū)［5］，如果防火區(qū)的隔離切斷來自風(fēng)機(jī)的氣流，通風(fēng)系統(tǒng)可以手動(dòng)停運(yùn)或保持運(yùn)行。蓄電池間的通風(fēng)在380V 配電盤上手動(dòng)啟動(dòng)和停運(yùn)，因此，對(duì)于蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)的啟停需要人為決策。然而，設(shè)計(jì)并未明確火災(zāi)情況下通風(fēng)系統(tǒng)啟停的判斷依據(jù)，并且由于整個(gè)蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)僅在蓄電池間A/B邊界設(shè)置了一個(gè)防火閥，此時(shí)，無論是否停運(yùn)蓄電池間送排風(fēng)機(jī)，均不利于火災(zāi)的控制，無法對(duì)火災(zāi)進(jìn)行有效隔離，可能導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)對(duì)應(yīng)列的蓄電池間和電纜層的災(zāi)情有進(jìn)一步擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 防火響應(yīng)問題分析

根據(jù)核電廠防火HAD102/11［6］，核電廠在所有情況下都必須具備足夠的防火能力。應(yīng)通過在設(shè)計(jì)上運(yùn)用縱深防御概念，實(shí)現(xiàn)下述3個(gè)主要目標(biāo)，即：（1）防止核電廠發(fā)生火災(zāi)；（2）快速探測(cè)并撲滅核電廠已發(fā)生的火災(zāi)，從而減輕火災(zāi)的危害；（3）限制尚未撲滅的火災(zāi)蔓延，從而將火災(zāi)對(duì)核電廠的影響降至最低。

第一個(gè)目標(biāo)，要求在電廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中將發(fā)生火災(zāi)的概率降至最低；要求蓄電池間配備適用的強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，排氣管道應(yīng)位于防火區(qū)的最高處；空氣濕度應(yīng)不大于70%，防止因絕緣不合格，導(dǎo)致短路，發(fā)生火災(zāi)；蓄電池間安裝和使用的所有電氣設(shè)備都應(yīng)防爆。現(xiàn)有的蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到了防火設(shè)計(jì)的第一個(gè)目標(biāo)。

第二個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)涉及采用自動(dòng)和（或）人工消防技術(shù)的組合達(dá)到火災(zāi)的早期探測(cè)和撲滅，因而它取決于能動(dòng)防火技術(shù)。蓄電池間屬于爆炸性氣體混合物環(huán)境，需配置氫氣探測(cè)器對(duì)室內(nèi)氫氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。蓄電池間火災(zāi)探測(cè)器由多組感煙火災(zāi)探測(cè)器和氫氣探測(cè)器組成，同時(shí)，在探測(cè)器的加工制作中，必須選用耐腐蝕器件和防腐蝕工藝處理，保證探測(cè)器的耐酸腐蝕性能。由于蓄電池間的電氣設(shè)備工作特性（如圖2 所示），蓄電池房間內(nèi)未布置雨淋噴淋系統(tǒng)，滅火只采用了人工消防技術(shù)，由消防隊(duì)員進(jìn)行火災(zāi)干預(yù)，使用二氧化碳滅火器手動(dòng)滅火，而蓄電池間內(nèi)著火后存在大量攜帶酸液的高溫?zé)煔猓黾恿藴缁鸬碾y度和危害性。

圖2 蓄電池間防火分區(qū)圖

第三個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須特別強(qiáng)調(diào)使用非能動(dòng)的防火屏蔽和實(shí)體分隔，包括在不能實(shí)現(xiàn)第一個(gè)和第二個(gè)目標(biāo)時(shí)，作為最后一道防線的特殊分隔和防火隔斷。為了第三個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)置了防火分區(qū)進(jìn)行隔離，但是現(xiàn)有設(shè)計(jì)將蓄電池間與對(duì)應(yīng)列電纜間劃分進(jìn)同一個(gè)防火分區(qū)，其中，電纜層的火災(zāi)危害為電纜電氣火災(zāi)［7-8］，火災(zāi)危害性較大。采用此方案設(shè)計(jì)的前提是，若火災(zāi)在本防火空間發(fā)生，相關(guān)系統(tǒng)的B列設(shè)備將不可用，此時(shí)，操縱員可完全依靠A列設(shè)備將機(jī)組帶到安全狀態(tài)，但此時(shí)的防火分區(qū)設(shè)置不能將火災(zāi)對(duì)電廠安全重要功能的影響降至最低，火災(zāi)會(huì)在防火分區(qū)內(nèi)蔓延擴(kuò)大，導(dǎo)致整列直流電源完全不可用，損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

根據(jù)電纜層通風(fēng)系統(tǒng)手冊(cè)，失火情況下控制原則為：“隔離包括起火房間（或幾個(gè)房間）在內(nèi)的防火分區(qū)，如果防火區(qū)的隔離切斷來自風(fēng)機(jī)的氣流，通風(fēng)系統(tǒng)可以手動(dòng)停運(yùn)或保持運(yùn)行。”蓄電池間送排風(fēng)機(jī)均需在380V 低壓配電盤上手動(dòng)啟停，無自動(dòng)啟停邏輯，則火災(zāi)情況下風(fēng)機(jī)狀態(tài)控制需要人為決策。由上所述，設(shè)計(jì)并未明確通風(fēng)系統(tǒng)是否停運(yùn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)在火災(zāi)情況下停運(yùn)或保持運(yùn)行需根據(jù)情況討論研究。現(xiàn)以B 列防火分區(qū)火災(zāi)時(shí)風(fēng)機(jī)是否停運(yùn)進(jìn)行討論：當(dāng)蓄電池間房間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，JDT 火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)聯(lián)鎖防火閥4DVE036VAF自動(dòng)關(guān)閉，送風(fēng)系統(tǒng)中斷，蓄電池間內(nèi)產(chǎn)生高溫?zé)煔猓瑹煔鉁囟壬唧w積膨脹，向外擴(kuò)散，且煙氣會(huì)攜帶硫酸溶液，具有腐蝕性。

（1）若不停運(yùn)排風(fēng)機(jī)：排風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行，排出著火房間內(nèi)的煙氣，有利于消防響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員滅火。但排風(fēng)機(jī)4DVE006ZV未按照防火設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，其要求空氣吸入溫度僅為10～35℃，同時(shí)，風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口軟接均未按防火設(shè)計(jì)。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)軟接頭技術(shù)規(guī)格書，軟接頭的材料是根據(jù)RCC-I 壓水堆核電廠防火設(shè)計(jì)和建造規(guī)則1.8.2 條定為M2 級(jí)（難燃燒材料），排風(fēng)機(jī)吸入高溫腐蝕性煙氣，存在由煙氣引燃軟接導(dǎo)致電纜層起火的風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，將高溫腐蝕性氣體直接通過風(fēng)口排到室外，煙氣擴(kuò)散到廠房外，酸霧遇冷冷凝，可能造成人員受傷。

（2）若消防響應(yīng)人員在380V 低壓配電間停運(yùn)風(fēng)機(jī)，由于火災(zāi)產(chǎn)生高溫?zé)煔猓瑹煔鉁囟壬唧w積膨脹，根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)管的布置，煙氣極易通過風(fēng)管擴(kuò)散到其他蓄電池間，導(dǎo)致整個(gè)B 列蓄電池間受到高溫腐蝕性煙氣的影響，此時(shí)，由于通風(fēng)系統(tǒng)已被停運(yùn)，無法排出蓄電池釋放的氫氣，氫氣在房間頂部積聚，可能造成火災(zāi)的擴(kuò)散或爆炸，進(jìn)一步擴(kuò)大火災(zāi)危害。

因此，根據(jù)蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)火災(zāi)情況下，視具體情況停運(yùn)和保持運(yùn)行通風(fēng)系統(tǒng)，無論是否停運(yùn)通風(fēng)系統(tǒng)，以現(xiàn)有風(fēng)管布置方案，均不利于火災(zāi)控制，此時(shí)的通風(fēng)消防設(shè)計(jì)未到達(dá)核電廠防火HAD102/11防火設(shè)計(jì)的第三個(gè)目標(biāo)。

4 改進(jìn)方案

為滿足核電廠防火HAD102/11 的第三個(gè)目標(biāo)，防止尚未撲滅的火災(zāi)蔓延，從而將火災(zāi)對(duì)電廠安全重要功能的影響降至最低，現(xiàn)就蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行以下方面改進(jìn)。同時(shí)，更新核電廠消防行動(dòng)卡，當(dāng)蓄電池間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防響應(yīng)分為下列兩個(gè)階段。

（1）蓄電池間通風(fēng)管道布置進(jìn)行修改，以B列蓄電池間通風(fēng)系統(tǒng)為例，如圖3所示，蓄電池間的送排風(fēng)管均設(shè)置防火閥［9］，根據(jù)火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)信號(hào)聯(lián)鎖防火閥的關(guān)閉，將火災(zāi)房間進(jìn)行單獨(dú)隔離，且不影響其他房間的正常送排風(fēng)，防止火災(zāi)蔓延，為消防滅火人員提供寶貴的響應(yīng)時(shí)間。

圖3 B 列蓄電池流程示意圖

（2）排風(fēng)機(jī)及其軟接材料采用防火設(shè)計(jì)，材料需耐火、耐高溫、防腐蝕，排風(fēng)管選擇防火風(fēng)管。排風(fēng)口需重新布置，不能將高溫腐蝕性的煙氣直接排放到+3.8m的室外，防止酸霧冷凝腐蝕設(shè)備和危害人員健康。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)消防效應(yīng)人員進(jìn)行人工滅火時(shí)，將通風(fēng)系統(tǒng)切換至排煙模式，即關(guān)閉未著火房間的出口防火閥［13］，打開著火房間的出口防火閥，此時(shí)，著火房間的入口防火閥仍保持關(guān)閉，將有害含酸煙氣排出，為消防響應(yīng)人員滅火提供合適條件。送風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行，用于稀釋未著火房間的氫氣濃度，同時(shí)，保持該房間正壓，防止臨近房間的煙氣侵入。

因此，根據(jù)上述修改，蓄電池間發(fā)生火災(zāi)情況下，可以將著火房間單獨(dú)隔離，且并不影響其他房間的正常送排風(fēng)，防止火災(zāi)蔓延和其他房間內(nèi)氫氣的積聚。滅火過程中，可將通風(fēng)系統(tǒng)切至排煙模式，將有害含酸煙氣排出，為消防響應(yīng)人員滅火提供合適條件。