核電廠核島移動排煙設計參考標準和實踐

王軍民

(深圳中廣核工程設計有限公司,深圳)

0 引言

HAF 102—2016《核動力廠設計安全規定》[1]與HAD 102/11—2019《核動力廠防火與防爆設計》[2]中明確了設置核電廠核島排煙系統的必要性與目的及其設計考慮因素,為核島排煙系統設計提供了頂層必要指導。

HAF 102—2016第6.7.5.1條規定了必須在適當考慮火災危害分析(又稱火災危險源分析)結果的情況下設置煙氣控制系統。HAF 102—2016沒有給出如何實施此要求的具體指導,相關指導參見HAD 102/11—2019。

HAD 102/11—2019第5.6條規定了應通過煙氣的潛在影響及后果評估來確定排煙需求,排煙需求在于降低溫度和支持火災撲救等。在排煙系統設計時應考慮構成火災風險系統的危險源、路徑、目標三方面因素。其中,危險源包括火災荷載存量、煙氣產量及其能見度、毒性、放射性等;而路徑包括燃料特性、煙氣擴散流動特性、固定滅火系統等;目標包括放射性釋放量可接受性、火災撲救通道可居留性等。

HAD 102/11—2019第6.4條規定了必要時在放射性物質包容防火區(或小區)設排煙措施,以滿足安全要求。盡管排煙可能導致放射性物質釋放到外部環境,但若排煙過程中放射物質釋放受控,排煙改善了火災撲救條件,可防止大量放射性物質釋放。

HAD 102/11—2019第6.1.2條明確了排煙的主要目的在于提供通道以支持火災撲救、手動啟動固定滅火系統和人工操作必要的其他系統、控制滅火劑的擴散以防止損壞核安全重要物項等。

若將防止物項損壞(又稱財產保護)作為火災撲救特例,則HAD 102/11—2019第6.1.2條、第5.6條、第6.4條所明確的排煙必要性與目的包括改善火災撲救條件以支持火災撲救。

但HAD 102/11—2019沒有規定可接受的火災撲救應急排煙(又稱輔助排煙)方法,結合建筑火場排煙實踐和核島排煙設計實踐來看,不限于固定排煙方法,另有移動排煙方法可供選擇,但國內尚沒有指導移動排煙的設計標準,為此本文圍繞移動排煙主要應用和設計考慮因素給出了核島移動排煙設計參考標準和實踐。

1 應用與設計范圍

在核島移動排煙設計中,常見的參考標準與具體規定如下。

1) EJ/T 1082—2005《核電廠防火準則》[3]第5.6.1條與《核電廠防火國際導則》[4]第2-6條規定每一個防火區(或小區)均應安裝排煙設施,可通過2種方法進行排煙:裝設永久性排煙設備;由消防隊員操作臨時排煙設備。

2) NB/T 20095—2012《壓水堆核電廠安全殼外供暖、通風、空調系統設計準則》[5]第6.2.5條與ANSI/ANS-59.2-1985《安全殼外供暖通風空調系統安全準則》[6]第4.2(4)條規定火災撲救期間和以后可用移動通風系統或手動操作控制的固定通風系統排煙。

3) NFPA 804:2020《先進型輕水堆發電廠防火標準》[7]第6.9條規定在固定通風系統不具有排煙能力時,應急人員應使用移動通風設備排煙。

4) RCC-F-2017《壓水堆核電廠防火設計和建造規則》[8]第D1430條規定論證移動排煙方法可行時,可用移動排煙設備進行排煙。

5) RCC-I (1997-10)《壓水堆核電站防火設計和建造規則》[9]第2.5.4.2條規定可用專門通風系統、屋頂排煙口或移動設備進行排煙。

6) XF/T 1190—2014《地下建筑火災撲救行動指南》[10]第5.8.4條規定應利用防排煙系統進行火場排煙;根據火場需要使用排煙車、排風機等移動裝備排煙。

7) XF/T 1191—2014《高層建筑火災撲救行動指南》[11]第5.8.2條和第5.8.5條規定應啟用高層建筑內的固定防排煙系統設施,利用高層建筑內部專用的排煙口、排煙豎井實施排煙。根據火場需要使用排煙車、排風機等移動裝備排煙。

雖然上述參考標準支持在核島排煙設計時可選用移動排煙方法,但目前GB/T 22158—2021《核電廠防火設計規范》[12]并沒有涉及移動排煙方法。與此相同,對于鋰離子電池工廠排煙設計參考標準來說,雖然SJ/T 11798—2022《鋰離子電池和電池組生產安全要求》[13]明確了應急排煙包括移動排煙方法,但GB 51377—2019《鋰離子電池工廠設計標準》[14]中不涉及移動排煙方法。國內建筑排煙設計標準聚焦于固定排煙設計要求,沒有涉及移動排煙,只有XF/T 1190—2014《地下建筑火災撲救行動指南》與XF/T 1191—2014《高層建筑火災撲救行動指南》支持根據火場需求使用移動排煙設備。

結合國內特定建筑和部位存在設置固定火災撲救應急排煙設施的需求及建筑火災撲救存在使用移動排煙設備的需求,可將移動排煙設備歸為移動火災撲救應急排煙設施,用于未設置固定排煙設施、固定排煙設施失效或效能不足等場所的火災撲救應急排煙。從上述允許核島采用移動排煙的設計參考標準來看,核島不屬于經常有人停留但屬于可燃物較多的無窗廠房,無需設置為人員疏散服務的固定排煙設施,可作為不設置固定排煙設施而設置移動排煙設施的典型場所之一。

從建筑與核島火災撲救應急排煙設計實踐比較來看,建筑火災撲救應急排煙無需考慮移動排煙設計,而核島火災撲救應急排煙設計需要考慮移動排煙設計。由此可見,核島火災撲救應急排煙設計范圍更廣。

2 常用設計準則

2.1 設計排煙量與補風量

由于目前國內尚缺少移動排煙設計排煙量確定準則,因此可參考國外移動排煙設計標準來確定,如CFPA-E Guideline No 35:2015 F《排煙排熱通風系統規劃和設計》[15]第7條規定防煙分區的最大允許面積(或體積)、排煙換氣次數不因排煙方法的改變而改變。與此相同,文獻[16]給出的建筑移動排煙設計排煙量與固定排煙設計排煙量也無區別。

GB/T 22158—2021第10.2.3.6條規定對存在火災風險但未設置自動滅火設施的房間,其排煙容積宜為350 m3,最大排煙容積宜為500 m3;第10.2.3.8條規定機械排煙系統宜按照12～20 h-1的換氣次數計算排煙量。GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[17]第4.6.1條規定排煙系統的設計排煙量不應小于此系統計算排煙量的1.2倍;第4.5.3條規定補風系統應直接從室外引入空氣,且補風量不小于排煙量的50%。

參考CFPA-E Guideline No 35:2015 F第7條規定,結合GB/T 22158—2021第10.2.3.6條和第10.2.3.8條、GB 51251—2017第4.6.1條規定,假定未設置自動滅火設施房間排煙容積為500 m3,此類房間換氣次數取20 h-1,其設計排煙量為計算排煙量的1.2倍,經計算得到移動排煙設計排煙量不小于12 000 m3/h、補風量不小于6 000 m3/h。

2.2 工作溫度與時間

GB 27901—2011《移動式消防排煙機》[18]第5.10.6條和6.12條規定水力驅動消防排煙風機、電動消防排煙風機應在不低于150 ℃氣流通過時連續運轉60 min無異常現象,按XF 211—2009《消防排煙風機耐高溫試驗方法》[19]的相關規定進行水力驅動消防排煙風機、電動消防排煙風機耐高溫性能試驗。選用氣動消防排煙風機也應如此。而XF 211—2009第4.4.2條規定地鐵區間隧道內用固定消防排煙風機應在不低于150 ℃氣流通過時連續運轉60 min無異常現象。也就是說,水力驅動消防排煙風機、電動消防排煙風機、氣動消防排煙風機與地鐵區間隧道內用固定消防排煙風機的應用場景相似,耐高溫性能相同。

除GB 27901—2011外,GB 7956.17—2019《消防車 第17部分:排煙消防車》[20]第4.4.2條與第5.4.1.5條規定排煙軟管的直徑應與車載排煙裝置的進出口相匹配,負壓式車載排煙裝置應選用耐高溫材質的排煙軟管,車載排煙裝置(含作為其組成部件的排煙軟管)應在輸送介質平均溫度280 ℃下連續工作30 min。而XF 211—2009第4.4.2條規定建筑內用固定消防排煙風機應在不低于280 ℃氣流通過時連續運轉30 min無異常現象。也就是說,負壓式車載排煙裝置(含作為其組成部件的排煙軟管)與建筑內用固定消防排煙風機的應用場景相似,耐高溫性能相同。另外,建筑內用固定排煙風管與排煙軟管耐高溫性能并不相同,在停止排煙后,固定排煙風管外部仍需耐受依據標準時間-溫度曲線確定的耐火時間對應的溫升,而在停止排煙后排煙軟管無該需求。

比較而言,GB 27901—2011適用于人力移動式消防排煙風機,沒有考慮正壓式移動排煙與負壓式移動排煙的區別,耐高溫性能要求較低。而GB 7956.17—2019適用于車載排煙裝置,考慮了正壓式移動排煙與負壓式移動排煙的區別,耐高溫性能要求較高,非車載移動排煙風機也可參考使用。因此,需要根據使用場景來確定移動排煙風機和排煙軟管的耐高溫性能。

3 設計實踐

3.1 應用條件和場所

核島分為放射性控制區和非放射性控制區,均存在容納電纜、易燃液體的無人值守高火災荷載房間,顯然不屬于經常有人停留的房間,而屬于可燃物較多的房間,但根據GB/T 22158—2021第10.2.3.3 條規定,無論防火區(或小區)規模或火災荷載存量大小,位于非放射性控制區內,火災時會產生濃煙的、火災荷載密度大于400 MJ/m2的防火區(或小區)宜設置機械排煙系統,同時規定位于應急人員進入不便的放射性控制區內,火災時會產生濃煙的、火災荷載密度大于400 MJ/m2的防火區(或小區)可用固定機械通風系統代替排煙系統。結合這些房間排煙的主要目的,將其歸為火災撲救應急排煙。

為滿足外部危害防護和放射性靜態包容的要求,核島地上部分被設計為無窗建筑,并且力求外部危害防護邊界和放射性靜態包容邊界(簡稱2類邊界)開口面積及其防護措施規模最小化。由于自然排煙需要在這些邊界上增加大面積開口,與此設計準則相悖,因此不宜采用自然排煙。如果存在火災撲救應急排煙需求,核島宜采用移動或固定機械排煙。

比較而言,GB/T 22158—2021第10.2.3.3條規定的非放射性控制區的排煙要求較高,而放射性控制區的排煙要求較低,顯然要求并不平衡。在核島排煙設計時遵循了平衡化的排煙要求,除了非全直流通風系統僅服務1個防火區(或小區)之外,位于采用非全直流通風的非放射性控制區內,火災時會產生濃煙的、火災荷載密度大于400 MJ/m2的防火區(或小區)設置移動或固定機械排煙系統。選用移動排煙時,還按照HAD 102/11—2019第5.5.6條規定在適當位置設置自持式呼吸裝置(包括備用儲氣鋼瓶和再充氣設備),以供應急人員使用。而位于采用全直流通風的非放射性控制區和放射性控制區內,火災時會產生濃煙的、火災荷載密度大于400 MJ/m2的防火區(或小區),若設置了固定滅火系統,則用固定通風系統代替排煙系統。也就是說,只有采用固定滅火系統控制火災規模時,才能用耐高溫性能與排風量有限的通風系統兼作排煙系統。

3.2 設計考慮因素

火災發生時核島除著火的防火區(或小區)停運外,其他防火區(或小區)仍然繼續運行,仍然需要保持2類邊界完整性,而且構成2類邊界的外墻與屋頂的厚度超常,導致通過臨時破拆2類邊界來提供移動排煙補風路徑和排煙路徑的策略不可行。因此,若采用移動排煙方法,需要在設計階段就規劃移動排煙所需的補風路徑和排煙路徑。

若核島非放射性控制區多個樓層有移動排煙需求,核島豎直方向常用豎井作為多個樓層移動排煙共用的補風路徑和排煙路徑,僅將補風豎井始端與排煙豎井終端作為貫穿2類邊界的開口,最大程度減小2類邊界開口面積及其防護措施規模,而核島水平方向常用軟管作為每個樓層移動排煙共用的補風路徑和排煙路徑,軟管通過過道將豎井與著火房間連通。也就是說,核島火災撲救應急排煙常用移固結合排煙的方法,并非整個系統均可移動。

若著火房間有2個或多個出入門,讓補風軟管與排煙軟管分別從2個相距最遠的出入門伸進著火房間,剩余其他出入門保持關閉,并盡可能封閉穿過排煙軟管的出入門,以在著火房間形成良好氣流,確保著火房間內煙氣流動方向與應急人員火災撲救行動方向相同。而如果著火房間只有1個出入門,既可讓補風軟管與排煙軟管均從相同出入門伸進著火房間,也可讓補風軟管從出入門伸進著火房間,而排煙軟管與著火房間墻壁上預留接口連通。

在補風路徑和排煙路徑確定后,還需確定消防排煙風機設計運行時間,移動與固定消防排煙風機設計運行時間存在區別。GB 27901—2011規定移動消防排煙風機可在室溫條件下連續運轉8 h,而GB 7956.17—2019規定車載排煙裝置可在室溫條件下連續運轉6 h,移動消防排煙風機具有自持性,無需依靠建筑提供電源。固定消防排煙風機通常需要外部消防電源支持,而消防電源設計供電時間一般僅為2 h,因此設計連續運轉時間不會超過2 h。若有必要延長固定排煙風機運轉時間,可接入移動電源。

4 應用挑戰

在CFPA-E Guideline No 35:2015 F和文獻[21]給出的典型進攻型正壓送風排煙應用示例中,可將移動消防排煙風機設置在樓梯間出口處,打開樓梯間通往著火房間過道的防火門及著火房間門窗進行排煙,同層未著火房間門和樓梯間其余防火門則處于關閉狀態。但GB 51251—2017第4.5.3條規定防火門窗不得用作補風設施,若遵循此標準無疑會限制移動排煙的應用,難以充分發揮移動排煙設施優勢以幫助提高火災撲救的戰斗力。

從火災撲救火場排煙實踐來看,會依據通往著火房間過道的樓梯間煙氣能見度選擇正壓送風排煙類型和策略。如果樓梯間能見度未達到要求,首先采用防御型正壓送風排煙,通過設置在樓梯間出口處的移動消防排煙風機和設置在樓梯間頂部或最上層外墻上的應急排煙窗排出煙氣,待樓梯間煙氣能見度達到要求后才使用進攻型正壓送風排煙,反之只使用進攻型正壓送風排煙。

當使用進攻型正壓送風排煙時,由于通往著火房間過道的樓梯間內部不存在可燃物,以及受災人員已疏散結束,只采取了臨時等效補償性防火分隔措施,如進攻型正壓送風排煙與臨時隔煙簾、射流冷卻等其他火災撲救措施相配合,足以阻止煙氣通過防火門流向其內部,則防火門也可作為著火房間進攻型正壓送風排煙補風設施,以便最大程度地創造有利條件支持火災撲救。

5 結束語

結合法規、設計標準、火場排煙和設計實踐來看,核島火災撲救應急排煙可以采用移固結合排煙的方法;從國外標準來看移動排煙與固定排煙設計要求異同互見。目前國內已有移動消防排煙風機與裝置標準,但尚需在參考國外移動排煙設計標準與國內火災撲救移動排煙實踐的基礎上,識別出移動排煙與固定排煙設計要求的差異,在達成廣泛共識后訂立移動排煙設計標準,為移動排煙設計提供指導。