核电厂地下综合管廊火灾薄弱性分析及改进建议

白绪涛,孙丹丹，张晓晨

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

截至2020年3月31日,我国在运核电机组已经超过47台，核电厂的安全可靠运行对我国经济发展具有举足轻重的作用。核电厂地下综合管廊是指在核电厂地下集中敷设通信、电力、给水、排水、蒸汽等线路、管道的专用隧道，是核电厂的神经和血管，地位至关重要。地下综合管廊具有多种管线共存、可燃物数量大、连接区域广、火灾扑救困难的特点，如果发生火灾，容易蔓延，导致火灾范围的扩大，进而产生大范围的影响，威胁机组的稳定运行。核电厂地下综合管廊的设计安全准则主要参照《核电厂防火》《核电厂防火准则》《压水堆核电厂防火设计和建造规则》等文件，设计规范及标准主要依照《火灾自动报警控制系统设计规范》《建筑设计防火规范》《火灾自动报警控制系统施工及验收规范》，同时参照《民用建筑电气设计规范》《火力发电厂及变电站设计防火规范》等标准的相关条款，地下综合管廊的消防设计尚无有针对性的标准或规范。

1 地下综合管廊的火灾特征

地下综合管廊在机组正常运行状态下，可燃物主要以动力电缆、控制电缆及管道保温为主，具体为：线路填充物、线路绝缘层和保护层、保温填充物，以及管廊内照明、消防、保卫系统运行设备等固体火灾载荷。特殊情况下，可能存在排水管道析出或制氢站泄露的可燃气体等气体火灾载荷。

根据地下综合管廊内火灾载荷及运行设备的特点，在管廊内主要的起火原因如下：

(1)设备短路：管廊内照明系统、消防系统、保卫系统所属的电气设备或者动力电缆发生短路故障，产生电火花；

(2)线路过载、过热：动力电缆过负荷，导致线路过热，易引发火灾；

(3)动火作业：管廊内维修、改造涉及动火作业时，若动火作业保护措施不到位；

(4)落叶、杂物阴燃：管廊内地形复杂，部分区域人员经过较少，落叶、杂物从通风井飘落、堆积后，在夏季易发生阴燃；

(5)通风不良或有阻碍等现象造成的管廊起火或起火后监控失效造成更大火情的情况。

按照功能，核电厂的地下综合管廊主要分为：重要厂用水进水管廊和综合技术管廊。重要厂用水进水管廊为地下现浇钢筋混凝土管廊，连接联合泵房和电气厂房，将电气厂房的应急电源分四个系列送至联合泵房，同时布置两台机组的A、B列重要厂用水供水管道分别布置在单独的安全防火区内,该管廊内主要火灾危险为电缆。综合技术管廊的功能是向厂区大多数建(构)筑物提供所需工艺管道和电缆的敷设场所，同时要求所敷设的管道和电缆检修和检查方便。综合技术管廊因其敷设距离长、设备类型多、管廊分支数量大、结构复杂等特点，导致其火灾风险较高，且一旦发生火灾，扑救及疏散难度极大。

以国内某核电厂综合技术管廊为例，其总长约3400 m，将包括汽轮机厂房、电气厂房、制氢站、开关站、综合办公楼在内的34个厂房通过地下综合管廊连接在一起，某地下综合管廊具体布局如图1所示。

图1 国内某核电厂综合技术管廊布局示意

其地下综合管廊呈网状结构，局部包含“回”字型结构，“正”字型结构，整体结构分支非常多，布局较为复杂，对火灾探测系统的灵敏性、防火间隔的有效性、灭火系统的完备性都提出了更高的要求。

2 地下综合管廊设计现状

2.1 桥架及管道布置

核电厂地下综合管廊电缆桥架和管道的布置主要分下面几种类型(如图2所示)：

(1)电缆数量较多时，电缆和工艺管道单独敷设，中间设隔墙。若无法进行分隔，同一管廊内电缆桥架敷设在管道的上方或侧面；

(2)管廊一侧布置工艺管道，另一侧布置电缆桥架，中间预留0.8 m的人行通道；

(3)管廊内管道与电缆桥架在一侧布置，管道布置在电缆桥架的下方；

(4)纯电缆管廊，管廊内仅布置电缆桥架。

图2 核电厂地下综合管廊电缆桥架及管道布局示意

2.2 防火间隔及分区设置

地下综合管廊内的电缆采用交联聚乙烯绝缘、低烟无卤阻燃聚烯烃护套电缆；动力电缆与控制电缆分层布置，由于空间限制，动力电缆与控制电缆敷设在同一层的托盘，设置隔板分开；管廊内的每个建筑伸缩缝处(间距约20 m)设置独立阻火墙，通向地面建筑物的入口处设置阻火墙，以防止火灾蔓延。

核电厂地下综合管廊设计时，依据《建筑设计防火规范》，将地下综合管廊按照机组划分为防火区，并统一设置灭火系统。以某核电厂4台机组为例，其地下综合管廊主要用于辅助厂房的连接，整体划分为一个防火分区。

2.3 火灾探测方式

地下综合管廊内的火灾探测，主要以早期发现电缆火情为主，在敷设有电缆的综合管廊内采用点式光电感烟探测器与缆式线形感温电缆相结合的火灾探测方式。内部只敷设管道的管廊未设置火灾探测装置。点式光电感烟探测器采用吸顶居中安装方式，保护半径小于6 m；缆式线形感温电缆按照电缆敷设的层数，在每层桥架内电缆的上方采用正弦波形式紧贴电缆表面进行敷设。每个地下综合管廊内所有探测设备按照同一个防火分区设计。

2.4 灭火设施

在地下综合管廊中，以移动式灭火器为主要的灭火设施，未设置固定式灭火装置。在有氢气管道通过的部位按照C类火灾严重危险级配置MF/ABC8型灭火器，保护间距小于18 m；其余部位按照保护间距25～30 m配置MF/ABC3型灭火器。

2.5 防排烟及照明系统

地下综合管廊内部设置了一定数量的安装孔，在安装结束后，露出地面的安装孔两侧做通风百叶窗，防排烟以自然通风为主，未设置主动式防排烟系统及挡烟垂壁。

地下综合管廊属于技术性厂房，设有正常照明和应急照明，正常照度要求为100 lux。每三个灯具中设置一个应急照明灯具。应急照明由相应应急照明配电箱供电，灯具自带蓄电池，正常照明和应急照明发生故障时，应急灯具自带的蓄电池提供维持1 h的必要照明，以保证运行人员安全疏散。正常照明和应急照明选用密封型工业单管荧光灯。

3 火灾薄弱环节分析

3.1 防火分区划分不合理

根据《核电厂常规岛设计防火规范》的要求：电缆沟道、电缆隧道以及含有油管道的或电缆的综合管廊内每个防火分区的长度不应大于200 m。目前，地下综合管廊防火分区的设计与《核电厂常规岛设计防火规范》的要求存在差异性。整体管廊之间未设置任何物理隔断，一旦发生火灾，仅在桥架间设置的阻火墙无法有效阻止火灾蔓延。

3.2 火灾探测类型单一

目前，国内核电厂地下综合管廊仅对敷设有电缆的区域布置火灾自动报警系统进行监视。部分核电厂采取点式光电感烟探测器与缆式线型感温电缆或感温光纤组合的探测方式进行监视，还有一部分核电厂采用缆式线型感温电缆或感温光纤单一方式进行探测。对于不包含电缆的区域，未设置火灾探测装置，存在监视盲区，一旦该区域内附属设备或含油、含氢管道发生火灾，难以及时发现并响应。在与可燃气体生产厂房的连接段，未设置可燃气体检测装置。管廊内照明、通风等设备均为非防爆装置，一旦可燃气体进入管廊，极易发生爆燃。

3.3 灭火设施不足，形式单一

地下综合管廊中，灭火设施仅配置移动式灭火器，无法满足地下综合管廊内火灾扑救需求。由于地下综合管廊布局的复杂性，在发生火灾后，消防队难以在第一时间到达起火地点进行扑救，很可能发生火灾大面积蔓延的情况。火灾发生时，手提式灭火器无法满足火灾扑救需求。

3.4 防排烟设施不足

防排烟设施不足，自然通风措施无法满足防火要求。管廊内未设置防排烟设施，管廊上部分露出地面的安装孔两侧做通风百叶窗。

4 改进措施建议

4.1 优化防火分区设置

以某核电厂地下综合管廊为例，其总长约3400 m，根据《核电厂常规岛设计防火规范》的要求，结合地下综合管廊实际功能及建筑结构,参照如下规则进行划分：

(1)管廊与厂房(或地沟)的接口处均应设置防火隔断墙，防止厂房与地下综合管廊的火灾的相互影响；

(2)电缆管廊在管道管廊的上方或侧面时，对电缆管廊按照《核电厂常规岛设计防火规范》的要求进行防火分区，管道侧仅在管廊两端设置隔离墙，在物理上彻底隔断管道管廊与电缆管廊，以免火灾相互影响；

(3)管道与电缆在同一个管廊内时，按照规范要求进行防火分区。

根据上述规则，该地下综合管廊可划分为20个防火分区。防火区间通过防火屏障物理隔离，把火灾限制在防火区内，隔离潜在的火灾，使火灾的蔓延风险以及随之产生的腐蚀性气体，灭火剂，烟气等污染造成的危害最小化。

管廊与各子项连接处增加混凝土实心砌块墙体以满足防火隔离要求。根据各子项与管廊连接的不同现状，采用不同的方式：

(1)管廊与子项以浅沟形式连接，没有人员通行的需求与可行性时，在适当的位置砌筑墙体完全封堵。

(2)管廊与子项连接处有人员通行需求的情况下，在子项建筑物一侧砌筑墙体，并在墙体预留人员通行的门洞，安装满足耐火极限要求的防火门。

(3)在子项建筑物一侧砌筑墙体无法实现时，选择在管廊一侧进行封堵。根据现场实际管道布局，选择连接处附近、桥架较少便于砌筑墙体的位置进行防火隔离，同时预留人员通道，安装满足耐火极限要求的防火门。

由于墙体是在各种管道桥架安装就位后砌筑，穿越墙体的物项所在的洞口无法在设计阶段准确定位，需施工单位在施工现场根据管线布置情况密切配合施工。且该墙体上所开孔洞需进行防火封堵，以满足墙体的防火要求。

4.2 优化火灾探测手段

由于地下综合管廊由于未设置主动通风系统，且部分区段排水不畅，在雨季管廊内积水严重，火灾探测器由于长期处于高湿度环境下，在夏季故障率居高不下，给火灾监测带来一定隐患。建议在加强通风除湿、降低环境湿度的同时，选用探测范围大，耐高湿环境的探测装置(例如：红外火焰探测器、红外对射式感烟探测器)对探测方式进行补充。

地下综合管廊部分区段存在氢气管道与电缆共用的情况，在这部分区段未设置可燃气体探测装置，如果管道发生泄漏，现有火灾探测手段无法发现泄漏情况。所以，应在敷设氢气管道的区段增加可燃气体探测装置，并与制氢设备联动控制。

4.3 提高灭火能力

地下综合管廊灭火系统以移动式灭火器为灭火主要装备，未设置固定灭火系统。地下综合管廊灭火系统的设置，仅能满足当时条件下的规范要求和监管部门要求，面对日益严峻的消防形势和不断提高的灭火标准，当时的设计标准已经无法满足要求。《核电厂常规岛设计防火规范》中，也规定了在电缆隧道设置水喷雾/干粉灭火装置。因此，应根据管廊实际情况，增设灭火系统。结合国内外相关规范，对综合管廊推荐的固定灭火措施有自动喷水灭火系统、水喷雾灭火系统、气体灭火系统、高压细水雾、超细干粉等。

(1)自动喷水灭火系统

《核电厂防火设计规范》中规定电缆管廊及电缆层可采用水喷淋系统。在国内大亚湾核电站、岭澳一期核电站已完成了相应的消防改造，目前未有不良反馈。如设置该灭火设施，发生火灾后地下综合管廊中电缆需及时断电，避免发生人员触电伤害，并考虑消防排水。

(2)水喷雾灭火系统

国内相关工业标准中，对电缆隧道推荐采用水喷雾灭火系统。水喷雾灭火系统是利用水雾喷头把水粉碎成细小的水雾滴之后喷射到正在燃烧的物质表面，通过表面冷却、窒息以及乳化、稀释的同时作用实现灭火。水喷雾具有电气绝缘性好的特点，电气火灾中广泛应用。但是，结合地下综合管廊的特点，采用水喷雾也存在以下问题：核电站电气管廊及综合管廊距离较长，水喷雾系统为开式系统，为控制消防水量，需要划分为多个防火分区进行设置。造成雨淋阀设置数量过多，系统复杂。设置水喷雾系统，需要在保护的防火分区附近设置雨淋阀间，对于已有项目改造困难。

(3)气体消防系统

气体灭火系统的灭火机理主要有窒息、隔离及化学抑制，目前主要应用的灭火剂为CO2、七氟丙烷等，主要为全淹没方式。地下综合管廊为一个大空间，设置气体灭火系统需要将其分成若干个保护区，配备气瓶量大，系统设置复杂。此外无法实现密封及泄压口设置要求，因此，气体灭火系统不适用于地下综合管廊。

(4)干粉自动灭火装置

目前，悬挂式干粉措施在电缆层和电缆隧道中多有应用，具有体积小巧、安装方便、报警迅速等特点。能扑灭局部或大空间的A类、B类、C类、E类、F类火灾，需要5～10年更换一次。干粉自动灭火装置无管网、常态无压、无需日常维护，设计简单、安装方便。与水喷雾灭火系统相比，无需雨淋阀间，没有复杂的管网、阀门，初期工程节约投资。近几年出现的口碑较好的新型超细干粉灭火剂，具有用量少、效果好、防复燃、防受潮失效、寿命可达10年的特点。

综上所述，考虑到以上灭火方式的优缺点，结合已建核电厂综合管廊空间制约及管廊消防改造经验，对于已有电站综合管廊的消防改造，建议采用水喷淋或超细干粉灭火系统，由于场地受限，可适当简化系统设置。

4.4 增设主动防排烟系统

目前管廊通风主要通过预制的通风孔、百叶窗在正常情况和事故状态进行通风和排烟。当发生火灾时，无法有效阻止有毒烟雾的扩散。为了改善管廊环境降低消防系统故障率，保证火灾时能够有效防止烟雾的扩散，防止火灾的蔓延，应分段增设主动通风系统。正常运行期间，根据温湿度变化情况，对地下综合管廊内的环境进行调节，防止因湿度过大造成附属设备大量报警，影响火灾监测；事故状态及时隔离火灾区域，防止烟毒气扩散并及时排出管廊。

5 总结

通过分析地下综合管廊消防设计的特点，结合核电厂地下综合管廊的布局、火灾载荷和火灾特征，提出有针对性的消防设计改进建议，可以有效增强地下综合管廊的消防防控能力，为核电厂的安全稳定运行提供基础性的保障。