核电厂火探灭火装置应用研究

肖 飞，林特君，张 琨，刘旭升，陈军勇，王正义，朱传波

(大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518000)

0 引言

火灾是核电厂面临的最现实的威胁之一。核电厂一旦发生火灾，将可能引起核安全相关系统事故，经济损失大，社会影响大，后果极其严重，火灾安全已成为核电厂安全的重要课题。

作为核电站变配电系统的主要设备之一，配电柜主要起对电能进行分配和控制的作用。核电站内多个区域如电气厂房、汽轮机主厂房等设有配电室，设置有数量众多的高压及中低压配电柜。目前核电站内重要区域配电室设置有全淹没气体灭火系统，但是对于配电柜等微环境设备火灾的早期探测和扑灭尚缺乏相应的手段及措施，无法实现配电柜火灾的早期探测和灭火动作。

1 系统对比及介绍

目前核电站重要区域配电室主要采用的消防系统为全淹没式气体灭火系统，灭火剂一般采用二氧化碳或七氟丙烷。全淹没气体灭火系统在实际运用中主要存在以下几个问题。

(1) 系统保护对象(防护区)必须为密闭区域，对于敞开空间或者独立配电柜可能无法适用。

(2) 烟感探测或者温感探测都需要达到一定程度才能够实现报警，无法实现初期火灾的早期探测及扑灭。

(3) 对于配电柜等电气设备内部微环境火灾，无法实现早期探测及灭火。

(4) 系统复杂，投资造价高。

针对传统气体灭火系统存在的问题，火探管式感温自启动灭火装置是国际上近年来发展中的一种新型灭火装置。它是一套简单、低成本且高度可靠的独立自动灭火系统，它无需电源，无需专门的烟、温感探测器，无需复杂的设备及管线，利用自身储压，依靠一根经充压的火探管和一套火探瓶组就能快速、准确、有效地探测及扑灭火灾，是集报警和灭火于一体的灭火系统。

将火探管置于靠近或在火源最可能发生处的上方，一旦着火时，火探管在受热温度最高处会被软化并发生爆破，将灭火介质通过火探管本身(直接系统)或喷嘴(间接系统)释放到被保护区域，从而达到自动探火、灭火的目的。火探管式自动灭火装置技术参数如表1所示，火探管主要技术参数如表2所示。

表1 火探管式自动灭火装置技术参数

表2 火探管主要技术参数

2 系统设计和布置

2.1 设计相关标准

自火探管式自动灭火装置引入中国后，公安部以及相关的行业协会颁布了一系列标准，用于规范火探装置的产品生产及应用。

针对火探管式自动灭火装置的系统设计、计算、布置应用，国家尚未颁布相对应的国家标准，但是火探管式自动灭火装置自进入市场以来，凭借其一系列优点，发展迅速，已成功应用于电力、通讯、医疗等多个行业。为了便于火探管式自动灭火装置的更好应用，多个省份均出台相应的地方标准。同时在标准中明确提出在设置时应考虑GB 50193—93《二氧化碳灭火系统设计规范》(2010年版)的要求。具体采用标准如表3所示。

表3 标准规范一览表

2.2 设计计算

根据火探管式自动灭火装置的灭火特点，其灭火方式主要为局部全淹没式的灭火方式，保护空间为单个配电柜或控制柜的密闭空间，故根据GB 50193—93《二氧化碳灭火系统设计规范》(2010年版)，对于全淹没系统的计算如下：

式中：M—二氧化碳设计用量(kg)；Kb—物质系数；K1—面积系数(kg/m2)，取0.2 kg/m2；K2—体积系数(kg/m3)，取0.7 kg/m3；A—折算面积(m2)；Vv—防护区的内侧面、底面、顶面(包括其中的开口)的总面积(m2)；Ao—开口总面积(m2)；V—防护区的净容积(m3);Vv—防护区容积(m3);Vg—防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积(m3)。

根据计算公式，在计算中过程中，需要考虑的因素如下：

(1) 物质系数的选取，计算机、通讯机、电缆间与沟槽等区域Kb取1.5；开关电气室、配电间Kb取1.2；

(2) 防护区开口总面积Ao，对于电厂的配电柜及控制柜等区域，一般状态下均相对密闭空间，故防护区开口总面积Ao为0；

(3) 防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积Vg，由于火探装置为局部全淹没式的灭火方式，实体部分无法淹没灭火剂(即不损耗灭火剂)，所以不考虑中间实体部分的体积，即防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积Vg取0。

根据上述计算公式以及考虑因素，针对核电厂常用的配电柜尺寸，相关的计算如4所示。

表4 灭火剂计算

根据火探装置的规格型号，选用灭火剂容量为6 kg的灭火装置可以满足上表中的单一机柜的计算用量要求。

2.3 系统布置

根据相关规范以及实际应用要求，火探管式自动灭火装置的灭火剂容器瓶以及探火管的布置，主要要求有以下几点。

(1) 灭火剂容器须以瓶架妥善固定，尽可能靠近保护对象并直立安装，安装处温度在0～50 ℃。

(2) 火探管式自动灭火装置应将探火管设在防护区内，火探管布置距防护区最远点不应超过1m。

(3) 单套火探管式自动灭火装置的保护对象不宜超过6个，同时火探管的长度不应超过25m。

(4) 火探管、释放管及主要组件的连接应采用专用的接头等零配件，以保证其密封性，当需穿过墙壁或箱体应安装专用接头或保护件以防磨损。

(5) 火探管需专用固定夹固定，火探管固定夹间距不大于0.5m。

(6) 火探管终端的压力表应安装在被保护区域的外部或便于检查的部位。

3 系统环境适应性和使用影响建议

3.1 抗震要求

当火探管式自动灭火装置用于核岛，比如电气厂房的配电装置的消防保护时，应考虑相应的抗震要求。在这种情况下，火探管式自动灭火装置虽然不是安全级设备，但为安全有关系统提供灭火措施，应满足抗震(SL-2)要求。

瓶头阀作为火探装置的主要能动部件，已经按 照IEC 60068-2-6 Environmental Testing- Vibration的要求，进行相关的振动试验，后续将根据核电厂抗震的要求，进行试验以验证满足要求。

3.2 环境影响

火探管式自动灭火装置主要用于保护配电柜、控制柜等区域，布置在室内的正常环境下，一般不考虑恶劣环境影响，根据相关规范要求，火探管式自动灭火装置主要考虑温度对于灭火装置的影响。

火探管式自动灭火装置采用的灭火剂CO2，正常状态下储存在压力容积中，呈气液两相态，温度过高导致气相增加，压力容器会处于高压状态，不利于设备安全；温度过低会导致灭火性能降低，故要求环境温度处于正常状态范围内，根据相关规范要求，CO2火探管式自动灭火装置的工作温度范围应处于0～49 ℃，核电站配电室均设置有通风及空调系统，可满足火探管式自动灭火装置的温度范围要求。

3.3 使用影响及建议

3.3.1 安装影响

当采用火探装置对电气中、低压配电柜和励磁柜等屏柜进行火灾探测及灭火时，火探管安装时需要从中、低压配电柜侧壁开孔穿至柜体内，在柜间安装时也需要开孔，孔径为10～15mm，穿孔处设置专用穿墙接头。火探管安装时在开关柜侧壁开孔，可能造成开关设备电气绝缘破坏、火探管与开关导电部分的带电距离不够等问题，面对这种情况，建议火探管在布置过程中，从配电柜上部或底部开口进出机柜内，有效避免设备开孔问题。

3.3.2 设备检修

由于火探管直接布置在电气设备内占用了设备内的检修空间，给电气设备的检修造成一定的干扰，并且存在电气检修时火探管被机械损伤引起火探装置误动作造成检修人员人身伤害的危险。因此，在进行电气检修时，需临时关闭灭火剂气瓶阀门，待电气检修完毕后再开启灭火剂气瓶阀门。为保证火探装置的正常运行和检修人员的安全，故需在电气设备检修规程中将检修前后对火探装置灭火剂气瓶阀门的关闭和开启操作作为一项必须的操作步骤。

3.3.3 通风影响问题

根据相关规范要求，火探管工作环境要求满足风速不宜大于2m/s。对于部分机柜，如励磁整流屏、变频器柜等运行时发热量巨大的电气设备均采取强制通风，屏柜内部风速一般会超过2m/s，造成被保护的屏柜内部无法形成局部CO2全淹没效果。针对这种情况，在确需设置火探管式自动灭火装置的情况下，可由末端压力开关送出启动信号至火警控制器，联动关闭相应通风设施，可保证CO2全淹没效果。

3.3.4 火探管安全问题

火探管作为整个装置的主要探测及灭火手段，如果出现问题，可能会导致系统的误喷放或设备不可用。同时由于火探管布置在屏柜内部，面临高温及高压的危险。火探管工作环境温度范围为0～50 ℃。而中、低压开关柜、励磁整流屏、变频器柜等电气设备内部运行温度高于50 ℃，对于火探管的安全问题，主要的措施如下：

(1) 根据火探管的设备数据显示，使用温度范围为-30～80 ℃，可以承受内部的运行温度；

(2) 火探管为非金属复合材料，根据火探管生产厂家的数据报告，按照IEC 60243-1的要求，其耐受电压等级为39 kV，可保证使用安全；

(3) 根据安装要求，火探管在敷设过程中，与电气柜内的保护对象有一定距离，不能直接敷设在高温设备上，可有效避免高温及高压问题。

4 结束语

相对于传统气体灭火系统，火探管式感温自启动灭火装置有着诸多优点，反应迅速、运维简便、灭火有效性高。但是作为一种新型的消防设备，火探管灭火装置在核电站中尚未实际应用。建议后续尽快在核电站内开展火探管装置的推广示范应用，实现配电柜火灾的早期探测和灭火动作，极大提升电气火灾的防控水平，进而改善核电厂消防安全管理水平，保障核电站的火灾安全。