某核電廠電氣儀控房間火災(zāi)排煙溫度分析

曹熔泉 徐志軍 張彩良 謝 舒

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,上海;2.福建寧德核電有限公司,寧德)

0 引言

火災(zāi)是核電廠日常運(yùn)行中較為常見的事故,對(duì)核電廠的安全有著不可忽視的威脅。核電廠電氣廠房中集中了大量的電氣柜、電纜、蓄電池及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等,火災(zāi)荷載很大。某核電廠電氣廠房設(shè)置有火災(zāi)排煙系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)以下功能:1) 排除高溫?zé)煔?提高能見度,以便消防人員能夠接近房間進(jìn)行人工滅火;2) 降低或延緩房間內(nèi)的溫升;3) 直接排走可能含有有毒物質(zhì)的煙氣,避免煙氣進(jìn)入通風(fēng)系統(tǒng)或損害設(shè)備;4) 火災(zāi)撲滅后,為房間提供清洗通風(fēng)。由于核電廠的特殊性、電氣廠房主控制室的正壓設(shè)計(jì)等原因,這類排煙系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為手動(dòng)啟動(dòng)。本文對(duì)該排煙系統(tǒng)火災(zāi)時(shí)排煙溫度進(jìn)行分析,為核電廠運(yùn)行和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介

1.1 系統(tǒng)流程

電氣廠房排煙系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng),子系統(tǒng)A為安全系列A電氣儀控房間、主控室、計(jì)算機(jī)房及2個(gè)核電機(jī)組公用房間服務(wù),子系統(tǒng)B為安全系列B電氣儀控房間、遠(yuǎn)程停堆站等服務(wù)。排煙系統(tǒng)由排煙風(fēng)機(jī)、防火風(fēng)管、排煙閥及止回閥等組成。系統(tǒng)流程簡圖見圖1。

圖1 某電氣廠房排煙系統(tǒng)流程簡圖

子系統(tǒng)A與子系統(tǒng)B的排煙風(fēng)機(jī)入口設(shè)置旁通母管,母管上設(shè)置耐火隔離風(fēng)閥。當(dāng)任一子系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí),可以通過打開旁通母管上的耐火隔離風(fēng)閥,由另一個(gè)子系統(tǒng)的排煙風(fēng)機(jī)排除煙氣。排煙系統(tǒng)平時(shí)不運(yùn)行,排煙閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),手動(dòng)打開相應(yīng)的排煙閥和排煙風(fēng)機(jī),排除著火區(qū)的煙氣。

1.2 主要設(shè)備及部件設(shè)計(jì)

排煙系統(tǒng)主要設(shè)備及部件按照以下要求設(shè)計(jì):

1) 排煙風(fēng)管、排煙閥按照2 h耐火極限設(shè)計(jì)。

2) 排煙風(fēng)機(jī)能夠在400 ℃高溫條件下運(yùn)行不低于2 h。

3) 軟接頭在400 ℃高溫條件下性能正常。

2 防火空間火災(zāi)溫度計(jì)算方法

2.1 計(jì)算假設(shè)

計(jì)算排煙溫度時(shí)忽略管路的熱量損失,假設(shè)排煙溫度與房間煙氣溫度相等。本文對(duì)著火空間的平均溫度進(jìn)行計(jì)算,不對(duì)火災(zāi)發(fā)展過程、空間內(nèi)部溫度分布進(jìn)行詳細(xì)模擬計(jì)算。計(jì)算過程中進(jìn)行以下假設(shè)及取值:

1) 不考慮噴淋等滅火系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)煙氣溫度的影響。

2) 假設(shè)各防火空間內(nèi)的電纜布置等滿足文獻(xiàn)[1]中FLASH-CAT模型的基本假設(shè)。

3) 假設(shè)多層電纜橋架的火災(zāi)最大熱釋放速率按照其中一整層電纜橋架全部燃燒計(jì)算[2]。

4) 參照文獻(xiàn)[1-2],假設(shè)電纜(熱塑性)燃燒的平均熱釋放速率為250 kW/m2。

5) 著火空間室內(nèi)初始溫度、鄰近房間溫度均假設(shè)為25 ℃。

2.2 封閉空間火災(zāi)煙氣溫度計(jì)算

按照文獻(xiàn)[3-4],無排煙時(shí),封閉空間火災(zāi)煙氣的溫度可按照下式計(jì)算:

(1)

防火空間上部空氣與鄰近空間的傳熱系數(shù)hk可采用文獻(xiàn)[3]中的自然通風(fēng)空間的傳熱系數(shù)計(jì)算式確定:

(2)

式中λ為防火空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù),kW/(m·℃);ρ為防火空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密度,kg/m3;c為防火空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比熱容,kJ/(kg·℃);δ為防火空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度,m。

防火空間上部煙氣與鄰近空間的傳熱面積AT按照下式計(jì)算[4]:

AT=WCLC+2(WC+LC)(HC-HF)

(3)

式中WC、LC、HC分別為防火空間寬度、長度和高度,m;HF為防火空間燃料面高度,m。

2.3 著火空間排煙工況下的火災(zāi)煙氣溫度計(jì)算

根據(jù)能量守恒定律,著火空間排煙工況下的煙氣溫度可在式(1)的基礎(chǔ)上增加排煙的影響,可用式(4)表達(dá):

(4)

式中mg為排煙量,kg/s。

此時(shí)防火空間上部空氣與鄰近空間的傳熱系數(shù)hk采用下式計(jì)算[3]:

(5)

式中τp為熱穿透時(shí)間,s。

(6)

2.4 火災(zāi)熱釋放速率

排煙系統(tǒng)服務(wù)的防火區(qū)內(nèi)可燃物主要為電纜、油漆和電氣儀控設(shè)備等,其中電纜占絕大部分。本文以電纜為可燃物進(jìn)行火災(zāi)熱釋放速率計(jì)算,將防火區(qū)內(nèi)的火災(zāi)荷載全部當(dāng)量成電纜燃燒產(chǎn)生的火災(zāi)荷載。

火災(zāi)條件下的熱釋放速率與諸多因素有關(guān),在無燃燒模型的情況下難以通過數(shù)值模擬確定,通常都直接通過試驗(yàn)測(cè)量或采用一些簡化的特征火災(zāi)發(fā)展模型。一種常用的方式是按照火災(zāi)發(fā)展過程將熱釋放速率曲線分為3個(gè)階段:初期增長階段、充分發(fā)展階段和減弱階段。

火災(zāi)時(shí)電纜的燃燒過程可簡化為3個(gè)階段:1) 初期增長階段,持續(xù)時(shí)間Δτ/6(其中Δτ為火災(zāi)持續(xù)時(shí)間),熱釋放速率從0 kW線性增大至最大;2) 充分發(fā)展階段,持續(xù)時(shí)間(2/3)Δτ,熱釋放速率基本維持不變;3) 減弱階段,持續(xù)時(shí)間Δτ/6,熱釋放速率從最大值線性降低至0 kW[1-2]。Δτ可按照式(7)計(jì)算:

(7)

式中mc為單位面積可燃物的質(zhì)量,kg/m2;ΔH為可燃物的燃燒熱,kJ/kg;qa為可燃物燃燒的平均熱釋放速率,kW/m2。

單位面積可燃物的燃燒熱可按照火災(zāi)荷載折算,即火災(zāi)持續(xù)時(shí)間Δτ可表示為

鑒別的時(shí)候需要確認(rèn)魚腥味的程度、純凈度。魚粉應(yīng)該有較為強(qiáng)烈的魚腥味，但也因原料種類、加工方式及脂肪含量等差別而存在一定的差異，鑒定人員需要鑒別魚腥味中的細(xì)微差異。魚腥味的純凈度則是指是否含有魚腥味之外的其他味，非魚腥味應(yīng)該越少越好。

(8)

式中L為計(jì)算房間的火災(zāi)荷載,kW;A為計(jì)算房間可燃物的面積,m2。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算防火空間選取

排煙系統(tǒng)服務(wù)于多個(gè)防火空間,計(jì)算過程中根據(jù)防火空間可燃物種類、火災(zāi)荷載及火災(zāi)荷載密度進(jìn)行比選。由于可燃物種類類似,選取火災(zāi)荷載密度、火災(zāi)荷載較大的2個(gè)電氣儀控房間A1、B1進(jìn)行計(jì)算。

房間A1長27.2 m、寬6.8 m、高3.5 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為混凝土,兩面墻體厚度為900 mm,剩余墻體一面厚度為300 mm、另一面厚度為200 mm,頂板厚度為400 mm,地板厚度為500 mm。房間總火災(zāi)荷載為200 834.71 MJ(平均火災(zāi)荷載1 088.48 MJ/m2),其中電纜的火災(zāi)荷載為189 505.29 MJ,占總火災(zāi)荷載的93.4%,其余為油漆和電氣設(shè)備。房間內(nèi)電纜橋架層數(shù)為11層,最大電纜托盤寬0.5 m、長20.3 m。

房間B1長20.2 m、寬6.8 m、高3.5 m。房間總火災(zāi)荷載為223 075.87 MJ(平均火災(zāi)荷載1 543.35 MJ/m2),其中電纜的火災(zāi)荷載為193 585.19 MJ,占總火災(zāi)荷載的86.8%,其余為油漆和電氣設(shè)備。房間內(nèi)電纜橋架層數(shù)為11層,最大電纜托盤寬0.5 m、長17.3 m。

3.2 計(jì)算結(jié)果

圖2、3分別給出了房間A1、B1電纜火災(zāi)的熱釋放速率曲線。房間A1的最大熱釋放速率為2 162.5 kW,火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為11 253 s。房間B1的最大熱釋放速率為2 537.5 kW,火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為8 634 s。

圖2 房間A1火災(zāi)熱釋放速率曲線

圖3 房間B1火災(zāi)熱釋放速率曲線

圖4、5分別給出了房間A1、B1火災(zāi)后的空氣溫度。最上邊的曲線表示排煙系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)室內(nèi)的溫度變化,下部的曲線表示在300 s(5 min)、900 s(15 min)、1 500 s(25 min)啟動(dòng)排煙系統(tǒng)時(shí)房間內(nèi)空氣溫度變化。

圖4 火災(zāi)后房間A1空氣溫度

圖5 火災(zāi)后房間B1空氣溫度

火災(zāi)后,2個(gè)房間內(nèi)的空氣溫度變化呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。若整個(gè)火災(zāi)過程中,排煙系統(tǒng)一直不啟動(dòng),房間空氣溫度隨著熱釋放速率的變化先升高后降低。若火災(zāi)過程中啟動(dòng)排煙系統(tǒng),排煙系統(tǒng)啟動(dòng)前房間空氣溫度與封閉空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度相同,系統(tǒng)啟動(dòng)后房間空氣溫度迅速降低,然后逐漸升高(此時(shí)火災(zāi)熱釋放速率維持最大值),最后隨著火災(zāi)熱釋放速率的降低房間空氣溫度逐漸降低。

房間A1:排煙系統(tǒng)不啟動(dòng)的情況下,發(fā)生火災(zāi)后,室內(nèi)空氣最高溫度約為1 304.7 ℃,發(fā)生在9 407～9 421 s,在1 195 s(約20 min)時(shí)室內(nèi)空氣溫度達(dá)到280.0 ℃,1 395 s(約23 min)時(shí)達(dá)到350.0 ℃,1 529 s(約25 min)時(shí)達(dá)到400.0 ℃。相比封閉空間發(fā)生火災(zāi)的空氣溫度,排煙系統(tǒng)啟動(dòng)后房間空氣溫度降低明顯,除去系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻的峰值,系統(tǒng)運(yùn)行之后,房間空氣溫度在8 014 s(約2.2 h)時(shí)達(dá)到400.0 ℃,在9 387 s(約2.6 h)時(shí)達(dá)到峰值427.0 ℃。

房間B1:發(fā)生火災(zāi)之后,室內(nèi)空氣溫度同樣呈先升高后降低的趨勢(shì),最高溫度約為1 026.5 ℃,發(fā)生在7 224～7 231 s,在1 087 s(約18 min)時(shí)室內(nèi)空氣溫度達(dá)到280.0 ℃,1 267 s(約21 min)時(shí)達(dá)到350.0 ℃,1 388 s(約23 min)時(shí)達(dá)到400.0 ℃。排煙系統(tǒng)啟動(dòng)后,除去系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻的峰值,系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后房間空氣溫度最高約為360.0 ℃,峰值出現(xiàn)在第7 204 s。

3.3 分析與討論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,若采用火災(zāi)排煙系統(tǒng)手動(dòng)啟動(dòng)設(shè)計(jì),系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要選擇合適的啟動(dòng)時(shí)機(jī),才能有效排除火災(zāi)中的煙氣、降低防火空間溫度。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置280 ℃排煙防火閥時(shí),按照理論計(jì)算,房間A1必須在火災(zāi)發(fā)生1 195 s(約20 min)前啟動(dòng)排煙系統(tǒng)。考慮火災(zāi)報(bào)警的延遲、計(jì)算不確定度等,還需適當(dāng)提前。

若排煙系統(tǒng)未設(shè)置由溫感器關(guān)閉的排煙防火閥,當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)過遲時(shí),可能排煙風(fēng)機(jī)和軟接頭等都會(huì)遭到破壞,從而使得煙氣蔓延至排煙機(jī)房。例如,對(duì)于房間A1,理論上必須在1 529 s(約25 min)前啟動(dòng)排煙風(fēng)機(jī),如此才能確保排煙溫度不超過400 ℃,滿足軟接頭和排煙風(fēng)機(jī)使用溫度限值要求。

4 結(jié)論

1) 核電廠采用火災(zāi)排煙系統(tǒng)手動(dòng)啟動(dòng)時(shí),需及時(shí)啟動(dòng)才能有效排除火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣。

2) 需合理設(shè)置排煙防火閥,避免因系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)機(jī)不當(dāng)損壞排煙風(fēng)機(jī)和軟接頭等,從而導(dǎo)致煙氣蔓延至其他防火空間。