核島防火區火災荷載量化評估研究

楊偉濤，王 威

(1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

核電廠設計階段的火災危害性分析主要基于機組裝料前固定可燃物的布置情況。HAF 102—2016《核動力廠設計安全規定》第5.2.4.1 條要求“必須進行核動力廠火災危害性分析，以確定所需的防火屏障耐火能力，并且提供必要能力的火災探測系統和滅火系統”。故在設計階段，需將冗余設置的安全重要物項分開布置在不同防火區，從而確保火災發生時不會引起共模失效，實現機組安全停堆功能，以防止事故進一步擴大。

核電廠轉入運行后，可燃物料的火災荷載評估是火災危害性分析的基礎。從核安全的角度分析，機組運行后消防管理人員需熟悉核島防火區內可燃物火災荷載的現狀，關注技改引入可燃物變更及臨時可燃物的存放，從而確保防火區的原有防火屏障和消防設計滿足要求。

1 火災荷載和可持續時間

1.1 火災荷載及火災荷載密度

1.1.1 火災荷載

火災荷載是指防火區內所有可燃物燃燒所釋放的熱量總和，單位為MJ。計算公式見式(1)。

其中，Lf為火災荷載，MJ；Mi為各種可燃物質量，kg；Ci為各可燃物相對應的燃燒熱值，MJ/kg；i為可燃物的類別。

1.1.2 火災荷載密度

火災荷載密度是指設定房間內按地面的單位面積計算的火災荷載，單位為MJ/m2。計算公式見式(2)。

其中，If為火災荷載密度，MJ/m2；A為防火區的地面表面積，m2。

例如：某核電廠1 號機組安全廠房UCB5129防火區設有自動氣體滅火系統，防火區內可燃物及火災荷載分別為電纜(等效PVC 質量) 572.87 kg，火災載荷10 300.16 MJ；電氣設備(等效PVC 質量) 10.00 kg，火災載荷179.80 MJ；油漆98.53 kg，火災載荷2 059.27 MJ。由此計算出防火區總火災荷載為12 539.23 MJ，該防火區總面積為28.40 m2，故防火區火災荷載密度為441.52 MJ/m2。

1.2 火災可持續時間

火災持續時間是假設防火區內所有可燃物燃盡且不考慮任何滅火干預行動，可通過比對國際標準燃燒曲線而獲得。根據防火區平均火災荷載密度及國際標準燃燒曲線，得出火災可持續時間和最高溫度。其中最高溫度是指在火災持續時間內防火區內的最高環境溫度，計算公式見式(3)。

其中，t為時間，min；T為t時刻的溫度，℃；T0為初始溫度，℃。

根據國際標準燃燒曲線可知：若火災荷載密度If＜1 070.00MJ/m2，則火災持續時間t=0.048 66×If；若1070.00MJ/m2＜If＜2 550.00 MJ/m2，t=0.090 36×If-44.496。因此，該安全廠房UCB5129 防火區火災荷載密度為441.52 MJ/m2(小于1 070.00 MJ/m2)，得出防火區火災持續時間為t=21.48 min。

2 火災荷載裕量確定方法及分析原則

2.1 火災荷載裕量確定方法

結合該核電廠各機組的火災危害性分析報告，梳理各機組核島防火區火災荷載現狀，計算出各防火區最大允許火災荷載限值和火災荷載裕量。由于火災荷載跟可燃物熱值密切相關，根據機組運行期間可能引入的臨時可燃物種類，經調研其他核電廠機組不同可燃物的熱值取值，給出各類可燃物的火災荷載評估推薦值，為評價技術改造后的火災危害和管理臨時可燃物存放提供支撐。

2.2 火災荷載裕量分析原則

2.2.1 一般方法

為確保核島廠房防火區的安全，在確定最大容許火災荷載時需考慮一定安全裕量。對于邊界完全封閉的防火區，根據區域內是否設有固定滅火系統，有以下兩種情況。

1) 設有固定滅火系統的防火區。安全裕量取耐火極限的10 %且不少于10 min 計算，得出容許火災持續時間；通過查閱國際標準中燃燒曲線(火災荷載密度和火災持續時間的對應關系曲線)，得出防火區的最大容許火災荷載。

例如：1 號機組安全廠房UKD4003 防火區耐火極限為120 min，設有固定滅火系統。根據安全裕量取耐火極限的10 %且不少于10 min 的原則，最大容許火災荷載密度為108 min 的對應值，即1 687.00 MJ/m2。防火區現有火災荷載密度為1 426.00 MJ/m2，總面積為3.90 m2，故火災荷載裕量為1 017.90 MJ。

2) 未設固定滅火系統的防火區。按照最大容許火災荷載不超過固定滅火系統設置的原則，如設計階段要求火災荷載密度大于400.00 MJ/m2的防火區安裝固定滅火系統，機組運行后對于未設置固定滅火系統的防火區，可燃物的最大容許荷載按400.00 MJ/m2計算。防火區火災荷載裕量=(最大容許火災荷載密度-現有火災荷載密度)×防火區地面面積。

例如：3 號機組安全廠房UKD00S130 防火區耐火極限為120 min，火災危害性分析報告中的火災荷載密度為129.82 MJ/m2，未設置固定滅火系統，故最大容許火災荷載為400.00 MJ/m2。該防火區的總面積為1 391.70 m2，故火災荷載裕量為376 009.50 MJ。

2.2.2 特殊情況

由于核島廠房部分區域要求嚴格控制可燃物，或原可燃物量已超過邊界容許耐火極限限值等原因，因此符合下列情況的防火區建議其最大容許火災荷載值等于原設計總火災荷載值(火災危害性分析報告中的計算結果)。

1) 未設置固定滅火系統且原設計火災荷載密度大于設置準則(如400.00 MJ/m2)的防火區。

2) 用于人員疏散的防火小區以及原設計中邊界沒有耐火極限要求的區域。

3) 主控室、遠程停堆工作站所在防火區。

4) 設計火災持續時間(火災危害性分析報告中的計算結果)等于或大于防火區耐火極限要求的區域，如應急柴油發電機廠房主貯油罐間等。

例如：2 號機組電氣廠房UCB5130 防火區(主控室所在防火區)耐火極限為120 min，防火區的總面積為76.10 m2。按照一般方法，該防火區未設置固定滅火系統，故最大容許火災荷載為400.00 MJ/m2，按此方法計算最大容許火災荷載值應為30 440.00 MJ；然而該防火區適用于特殊情況，火災危害性分析報告中的火災荷載密度為189.73 MJ/m2，防火區最大容許火災荷載值為14 439.00 MJ，故最大容許火災荷載值為14 439.00 MJ，即最大容許火災荷載值等于原設計的總火災荷載值，不允許再存放可燃物項。

3 防火區火災荷載裕量與可燃物熱值確定

3.1 防火區和火災荷載裕量

防火區設置的目的是在規定時間內防止火災蔓延，通過保持防火區邊界的完整性予以實現，具體方法有以下兩種。

方法一：采用具有足夠耐火極限的防火屏障作為邊界，使火災在該屏障遭到破壞前停止燃燒。

方法二：提供足夠的能動和非能動的防火手段，并與防火屏障的耐火極限一起使火災在屏障遭到破壞之前被撲滅。

該核電廠各機組核島廠房防火區劃分時優先采用方法一，即根據防火區內火災荷載及其燃燒時間確定防火區邊界的耐火極限，不考慮使用實際存在的滅火裝置。對于少數局部火災荷載過高的防火區應采用方法二，同時為減輕火災后果，防火區內應配備足夠的火災自動報警和滅火裝置。其中主控室、備用控制室、高火災荷載的房間若屬于同一安全通道內的安全系統房間，則應單獨劃分為獨立的防火區；通常火災荷載差異很大的房間應劃分在不同的防火區內，故控制區和非控制區的房間分別劃分在不同的防火區內；另外，具有高火災荷載的房間只有經過特殊論證后才能與其他房間劃分在同一個防火區內。

該核電廠1、2 號機組核島共劃分為600 多個防火區，3、4 號機組核島共劃分500 多個防火區，5、6 號機組核島共劃分200 多個防火區(防火區數量差異大的主要原因是機組堆型差異以及選用的技術路線不同)。基于各機組的火災危害性分析報告，按照前述火災荷載裕量分析原則，計算出各機組核島防火區最大允許火災荷載限值和火災荷載裕量，形成數據庫。

3.2 可燃物熱值的確定

機組運行后，核島防火區內引入的可燃物可分為臨時可燃物和固定可燃物兩種。其中臨時可燃物主要由日常維修引入，該類可燃物進入防火區時會有嚴格的管控流程和許可制度，如動火許可、物項存放許可等，同時工作人員也會在現場監護，直至維修工作結束臨時可燃物全部撤出。考慮機組運行后發生的技術改造和物項變更，為提前積累火災危害性分析定期審查所需資料，引入可燃物的相關信息需做記錄和存檔，如物項修改涉及的房間號和防火區名稱、物項名稱、材料類型、重量等。

通過調研目前國內核電廠可燃材料的類型、熱值選取情況及國內標準提供的數據，發現機組在運行過程中對可燃物進行管控時，一般根據可燃物類型和參考各種材料熱值，再結合可燃物質量或體積來評估火災荷載。考慮到核電廠各機組內存在大量的電纜和電氣柜，故對電纜的火災荷載評估提供一些測算方法。電纜由導線(銅或鋁)、絕緣層、金屬屏蔽、護套等組成，材料類型主要為交聯聚乙烯(XLPE)、PVC 和橡膠等，電纜火災荷載評估時首先考慮采用聚丙烯(PP)的燃燒熱值×總質量，如果火災風險超出可控范圍，且又無其他替代方案時可再根據具體的材料組成和比重做詳細分析。

4 火災荷載量化評估的應用

依據火災荷載分析原則，并結合火災危害性分析報告，計算出機組核島各防火區內火災荷載裕量，核島防火區火災荷載數據庫；通過調研目前國內核電廠可燃材料的類型和熱值選取情況，以及國內標準提供的數據，建立可燃物熱值數據庫。以核島防火區火災荷載數據庫和可燃物熱值數據庫為基礎，建立基于火災荷載量化評估的可燃物項存放管理流程，實現在核島防火區內存放可燃物項時，自動對比各防火區火災荷載裕量，并根據對比結果給出評估意見，幫助消防管理人員評價新引入可燃物的存放風險，為核電廠各機組核島防火區可燃物精細化管理提供技術支持。可燃物項存放管理運用平臺操作時有以下三個步驟。

1) 創建申請。在流程中創建廠房物項存放申請，選擇“核島”區域，填寫房間號后會自動匹配和顯示“防火區”“防火區類型”“火災荷載裕量”。

2)“火災荷載裕量”管理要求。當選擇“核島”且“物資類型”選擇為“可燃物項”時，則提示“當前選擇為核島可燃物項，必須添加物項”；當匹配房間對應防火區的“火災荷載裕量”值為“0”時，則顯示“當前房間禁止存放可燃物！”，且無法發起流程。

3) 添加可燃物項。當選擇“添加核島可燃物”按鈕，通過輸入“物項名稱”會自動匹配相關物項及其對應物項類型、單位和單位熱值，選擇對應物項及數量后自動計算火災荷載，流程批準完成后該火災荷載會自動計入后臺數據。

5 結束語

通過研究和規范核電廠核島防火管理工作，在預防火災發生、控制火災蔓延、確保火災發生后反應堆安全停堆等方面具有一定的指導意義；且火災荷載評估方法定量化，不僅使防火工作增加了抓手，同時對核電廠火災危害性分析報告的定期升版及構建消防監督管理信息化平臺提供了技術支撐和數據支持。核電廠火災不僅會造成一定的經濟損失，還會形成較大的社會輿論壓力。防止或減少火災發生，就是在降低企業安全生產管理的成本，提高企業安全管理的效益，同時保護人身、設備安全不受威脅，保障核電機組安全穩定運行。