核电站技术廊道内火灾场景下人员伤害事故应急救援路线优化研究

陈伦道，崔嵬嵬*，姚天宇，吴 郑

(1.辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116300；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

电缆火灾是对核电站威胁最大的安全事故之一[1]。截至2020年，我国大陆运行核电机组数量达到49台，装机总容量约5 102万kW，核电站运行安全问题不容小觑[2]。国内核电站技术管廊是向厂区大多数建筑物提供所需管道和电缆的敷设场所，其普遍存在电缆杂乱、交叉、堆集的位置[3]，在这些位置上如果电缆发生过载、短路，则容易产生能量聚集最终导致电缆被引燃[4]，引发火灾。另外，核电厂技术廊道空间曲折、通道狭窄、各种管道和线缆交错布置，一旦在火灾事故的同时发生其他人员伤害事故，应急救援工作的开展将面临非常大的阻碍。

国内外有关学者对类似的地下空间火灾事故发生规律和人员疏散时间已经开展了大量研究。如王振榕[5]在小尺寸长通道实验模型中验证了火源与排烟口的相对位置以及排烟口换气速率对综合管廊内电缆火灾烟气蔓延的影响；Ingason等[6]开展了纵向隧道火灾缩尺寸模型实验研究，得到了火源热释放速率、火源增长率、火焰长度、纵向通风速度等参数对火灾烟气纵向流动的影响；王羽尘等[7]对公路隧道内火灾情景下的人员疏散路径选择进行了研究，得到了火灾发生位置与人行通道的距离对人员疏散时间的影响；潘勇等[8]对大断面沉管隧道火灾情景下的疏散救援点设置进行了研究，为工程实际提供了参考。

针对本文涉及的核电厂电缆火灾，王煜宏等[3]对核电厂多层电缆桥架横向燃烧时烟气层温度进行了研究，并对比研究了MQH公式对自然通风条件下横向电缆燃烧烟气层温度的预测效果；吴天琦等[9]验证了双区域模型对横向电缆火灾过程模拟的有效性和误差范围。但是，目前专门针对核电站技术廊道内火灾场景下人员伤害事故应急救援路径的研究较欠缺[10-15]，亟需开展相应的研究以提高核电站技术廊道内火灾事故的应急处置能力。为了研究如何在火灾情形下更好地开展应急救援工作，本文应用数值模拟软件对核电站技术廊道内不同位置的火灾事故和应急救援工作进行了仿真分析[16]，研究了核电站技术廊道内电缆火灾火势发展规律以及火灾场景下开展事故应急救援工作的最佳救援路径。

1 核电站技术廊道内电缆火灾事故风险分析及参数设计

1.1 事故风险分析

基于某核电站现场调研开展了危险源辨识(见图1)，共识别出核电站技术廊道内潜在的10种主要事故类型，分别为物体打击、高处坠落、机械伤害、淹溺、灼烫、坍塌、触电、火灾、爆炸和中毒窒息。

图1 某核电站组现场调研Fig.1 Investigation of a nuclear power plant

其中，遍布核电站技术廊道内的各类电缆为火灾事故的发生提供了必要条件，因此本文主要针对核电站技术廊道内电缆火灾事故风险进行分析。而物体打击、高处坠落、机械伤害、淹溺、灼烫、坍塌、触电和中毒窒息8种事故都可能与火灾事故同时发生，受火灾事故的影响，应急救援工作的开展难度也会增加。

该核电站技术廊道内空间狭小、电缆布置杂乱，存在明显的电缆交叉堆叠现象(见图2)，这既加大了电缆短路的风险，也增加了热量聚集的程度，因此本文以电缆的重叠程度为标准，在技术廊道现场挑选了A、B两处电缆堆叠程度最大的点作为火灾事故起火点进行仿真模拟；由于技术廊道内的空间曲折、环境复杂，当发生前述的人员伤害事故时，应急救援难度非常大，故基于应急救援难度和作业频率，选取了人员伤害事故风险最大的3个点a、b、c进行应急救援仿真模拟分析。核电站技术廊道内火灾事故点和人员伤害事故高风险点位置，见图3。

图2 某核电站技术廊道内电缆交叉堆叠Fig.2 Cable overlap position in the technical corridor of a nuclear power plant

图3 某核电站技术廊道平面图Fig.3 Plan of the technical corridor of a nuclear power plant

1.2 火灾模拟参数设置

根据核电厂防火设计报告及现场测量，技术廊道墙壁厚度在0.4～0.5 m之间不等，材质为混凝土；技术廊道内电缆托架宽度一般为500 mm，层数为5～8层不等，底部托架厚度忽略不计，1 m托架上的等效可燃物质量为22.5 kg PVC，即假设电缆桥架上电缆均匀铺满，在单层电缆0.1 m的情况下，PVC的密度设置为450 kg/m3。

美国消防协会将非稳态火灾发展划分为超快速火、快速火、中速火和慢速火[17]。非稳态“t2”火灾增长模型的公式为Q=at2，其中Q为火源热释放功率(kW)，a为火灾增长系数(kW/s2)，t为火灾的发展时间(s)。根据前人的研究经验，电缆火灾的火灾增长系数取值为200 kW/s2[18]，火源热释放速率为2 MW/m2,火源面积为0.25 m2。

考虑模型的规模和计算成本，并且由于单层电缆厚度为0.1 m，为了保证电缆层在火灾模拟过程中不会被软件重新定位，对起火点附近15 m范围内的网格进行局部加密，加密区域的网格尺寸设置为0.5 m×0.5 m×0.1 m，其余位置的网格尺寸设置为0.5 m×0.5 m×0.5 m，火灾模拟时间为2 400 s[19-20]。

1.3 事故应急救援参数设计

应急救援时间可以分为到达事发地点所用时间和撤离现场所用时间两部分。通过现场的调研和实验(见图1)发现，消防人员在核电站技术廊道内携带救援装备和转运假人伤员两种情况下通过长约140 m的廊道分别用时约78 s和175 s，得出当消防人员携带救援装备进入廊道的平均行走速度为1.8 m/s，抬担架时在无严重障碍物疏散路线上的平均行走速度为0.8 m/s,所得结果与实际应急演练结果相近。由于核电站技术廊道内存在较多障碍物，例如廊道内存在部分楼梯(钢梯)的坡度较大，会严重影响消防人员的行走速度，故在软件模拟时间的基础上对消防人员通过障碍物的时间进行了修正，得出了实际模拟时间，具体计算公式如下：

Ts=Tr+Tb

(1)

式中：Ts指实际模拟时间(s)；Tr指软件模拟时间(s)；Tb指消防人员通过各障碍物的时间(s)。

本文通过Pathfinder仿真软件建立核电站技术廊道的等比模型，通过软件模拟得出救援人员在未受到障碍物阻碍时的撤离时间，从而得出软件模拟时间Tr。通过现场消防人员携带假人伤员在各障碍物进行多次搬运，得出消防人员通过坡度较大的楼梯、设备和岔口等障碍物的时间，见表1。

表1 消防人员通过各障碍物的时间Table 1 Time of fire fighters passing the obstacles

据与消防人员沟通，当核电站技术廊道内发生电缆火灾事故时，救援人员在5 min内能够到达廊道内各出入口，故在考虑火灾事故与人员伤害事故叠加时，可假设两种事故相差10 min发生或同时发生。若人员伤亡事故提前10 min发生，则火灾事故发生时伤员已经被救援人员救出，因此本研究仅考虑两事故同时发生和火灾事故提前10 min发生两种情况。

2 仿真模拟结果分析及路径选择研究

2.1 火灾事故模拟

2.1.1 起火点A处火情分析

该核电站技术廊道内火灾事故起火点A处火势发展的仿真模拟结果和温度监测曲线，见图4和图5。

图4 某核电站技术廊道内起火点A处的火势发展 仿真模拟结果Fig.4 Simulated results of fire development at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

图5 某核电站技术廊道内起火点A处的温度监测曲线Fig.5 Temperature curve at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

通过截取火灾事故起火点A处的火势发展仿真模拟结果(见图4)可以发现，在69 s时起火位置出现火焰，在约20 min后火场内火势急剧扩展，出现轰燃现象，此时火灾事故点附近已不能允许人员的存在。通过观察布置在该位置的热电偶温度监测曲线(见图5)可以发现，此时火焰温度逼近920℃，达到火场最高温度，随后由于起火位置的氧气被消耗殆尽，火势逐渐减弱，内部温度也在逐步降低，但是30 min后内部温度仍高于100℃。

通过观察该核电站技术廊道内火灾烟气扩展趋势可以发现，火灾烟气扩展的速度要明显大于火势扩展的速度。此外，通过查看该核电站技术廊道内起火点A处附近应急救援孔位置的烟气能见度监测曲线可以发现(见图6)，在124 s时，应急救援孔附近火灾烟气现场能见度为9.7 m，依据《中国消防手册(第三卷)》[21]中规定的10 m作为现场火灾烟气安全能见度，当现场火灾烟气能见度低于安全能见度时，表明此时该位置已被火灾烟气封堵，若技术廊道内发生事故，应急救援人员将不能从此处开展救援。

图6 某核电站技术廊道内起火点A处应急救援孔 位置的烟气能见度监测曲线Fig.6 Visibility curve at an emergency rescue hole at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

由此可见，如果在火灾烟气蔓延到此处后再进行紧急撤离，留给救援人员反应的时间极少，因此作为核电站安全管理者应加强火灾探测系统的日常检查，在火灾初起时即发出报警，以为突发事件的处理提供充足的时间。

同样，在166 s时厂房12出口被火灾烟气封堵(见图7)，此出口同样不能再被作为应急救援通道使用。

图7 某核电站技术廊道内起火点A处发生火灾事 故时厂房12的出口位置烟气能见度监测曲线Fig.7 Smoke visibility curve at outlet of plant 12 when a fire accident occurs at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

2.1.2 起火点B处火情分析

该核电站技术廊道内火灾事故点B处的火势发展仿真模拟结果和温度监测曲线，见图8和图9。

由图8和图9可见，该核电站技术廊道内起火点B处的火势发展与A处大致类似，同样在60 s左右出现火焰，但是由于技术廊道内起火点B处电缆高低交错，火势发展较慢，该处的轰燃时间较起火点A处要晚5 min左右。

图8 某核电站技术廊道内火灾事故起火点B处的 火势发展仿真模拟结果Fig.8 Simulated results of fire development at the fire ignition (position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

图9 某核电站技术廊道内起火点B处的温度监测 曲线Fig.9 Temperature curve at the fire ignition (position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

该核电站技术廊道内起火点B处发生火灾事故时位置1和位置2的烟气能见度监测曲线，见图10和图11。

图10 某核电站技术廊道内起火点B处发生火灾 事故时位置1的烟气能见度监测曲线Fig.10 Smoke visibility curve at position 1 when fire occurs at the fire ignition(position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

图11 某核电站技术廊道内起火点B处发生火灾 事故时位置2的烟气能见度监测曲线Fig.11 Smoke visibility curve at position 2 when fire occurs at the fire ignition(position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

从火灾的模拟结果来看，在173 s时位置1处火灾烟气能见度降至安全能见度以下，此时位置1已被烟气封堵(见图10)；在243 s时火灾烟气蔓延至位置2(见图11)，由于厂房19存在管道预留口，借助烟囱效应，火灾烟气在到达厂房19内部后停止了向前扩散(见图12)，转而向上扩散至技术廊道外。由此发现，在核电站技术廊道内适当地利用烟囱效应可以延缓火灾烟气的蔓延。

图12 火灾烟气在厂房19的扩散状态Fig.12 Fire smoke diffusion state in plant 19

2.2 前往事故点应急救援路线模拟分析

本研究使用假人模拟伤员转运过程测得，当消防人员携带救援装备进入廊道的平均行走速度为1.8 m/s。

2.2.1 前往人员伤害事故点a的应急救援路线分析

人员伤害事故点a仿真模型及部分出入口位置见图13，当人员伤害事故点a发生事故时从各入口抵达人员伤害事故发生点a所需的时间见表2。

图13 人员伤害事故点a仿真模型及部分出入口位置Fig.13 Simulation model at personnel injury accident point a and location of partial entrances and exits

表2 从各入口抵达人员伤害事故点a所需的时间Table 2 Arrival time from each entrance to personnel injury accident point a

结合图13,由表2通过对比分析可知：抵达人员伤害事故点a最快的入口为Y13段应急救援口，同时抵达山顶T16段人井和H2段人井所需的时间较短；但由于消防人员在进行应急救援时，需携带应急救援设备进入。故综合考虑，当人员伤害事故点a发生事故时，医护人员和消防人员应从Y13段管道应急救援口进入廊道。

2.2.2 前往人员伤害事故点b的应急救援路线分析

人员伤亡事故点b仿真模型及部分出入口位置见图14,当人员伤害事故点b发生事故时从各入口抵达人员伤害事故点b的时间见表3。

结合图14,由表3通过对比分析可知:抵达人员伤害事故点b所需时间最短的入口为厂房12和厂房20;但由于事故点b前往厂房20路线中，道路中有设备严重阻碍人员进入，且厂房20出入口为关闭状态，需要联系相关人员开启，而在前往厂房12路线中仅有设备阻碍。故综合考虑，在人员伤害事故点b发生事故时，医护人员和消防人员应从厂房12进入廊道。

图14 人员伤害事故点b仿真模型及部分出入口位置Fig.14 Simulation model at personnel injury accident point b and location of partial entrances and exits

表3 从各入口抵达人员伤害事故点b所需的时间Table 3 Arrival time from each entrance to personnel injury accident point b

2.2.3 前往人员伤害事故点c的应急救援路线分析

人员伤害事故点c仿真模型及部分出入口位置见图15,当人员伤害事故点c发生事故时从各入口抵达人员伤害事故点c所需的时间见表4。

图15 人员伤害事故点c仿真模型及部分出入口位置Fig.15 Simulation model at personnel injury accident point c and location of partial entrances and exits

结合图15,由表4通过对比分析可知:当人员伤害事故点c发生事故时，消防人员和医护人员进入现场所需时间最短的入口为T16段人井，其次是Z11段人井，但T16段人井进入廊道的空间较小，不利于携带应急救援设备进入，而其余廊道入口前往事故点c时路途较远，且需要经过数个坡度较大的楼梯。故综合考虑，当消防人员和医护人员需要携带大型设备时，应从Z11段人井进入廊道，若只需携带简单救援设备时，应从T16段人井进入廊道。

表4 从各入口抵达人员伤害事故点c所需的时间Table 4 Arrival time from each entrance to personnel injury accident point c

2.3 撤出事故点应急救援路线模拟分析

根据人员伤害事故疏散模拟背景，设置消防人员和医护人员共7人进入廊道内开展救援工作，事故现场人员为3人，其中一人处于昏迷状态。

2.3.1 撤出人员伤害事故点a的应急救援路线分析

当人员在人员伤亡事故点a发生事故，且处于昏迷状态时，人员可选择的撤离出口及相应的撤出时间，见表5。

表5 撤出人员伤害事故点a可选择的出口及撤出时间Table 5 Available exits and evacuation time from personnel injury accident point a

由表5可知：当人员在人员伤害事故点a发生事故被救援撤离时，通过Y13段应急救援口撤出所需的时间最短，同时若在T16段管道层增设应急救援口对救援效果也具有明显改善；在撤离过程中经过楼梯所用时间占救援时间的绝大部分，且此处楼梯为钢梯，具有一定的可修改性，因此改善廊道内楼梯坡度可以明显改善对人员伤害事故点a处人员的救援效果。

2.3.2 撤出人员伤害事故点b的应急救援路线分析

当人员在人员伤害事故点b发生事故，且处于昏迷状态时，人员可选择的撤离出口及相应的撤出时间，见表6。

表6 撤出人员伤害事故点b可选择的出口及撤出时间Table 6 Available exits and evacuation time from personnel injury accident point b

由表6可知：消防人员和医护人员从厂房20撤离路线中有设备对疏散通道造成了严重阻碍，严重影响了人员撤出速度，造成人员从该出口撤出的实际模拟时间与软件模拟时间相差较大；除厂房20撤离路线外，人员从Y18段电缆层应急救援口、厂房16和Y13段应急救援口撤离所需的时间最短，由于从厂房16撤离路线中需要经过直梯，从而会使应急救援时间加长，故此时建议从Y18段电缆层应急救援口或Y13段应急救援口撤离。同时，由于廊道土建结构的影响，Y18段电缆层应急救援口对廊道P段南部的人员救援的影响较小，故建议在Y18段管道层增设应急救援口，通过模拟结果显示，此时应急救援所需的时间明显减少。

2.3.3 撤出人员伤害事故点c的应急救援路线分析

当人员在人员伤害事故点c发生事故，且处于昏迷状态时，人员可选择的撤离出口及相应的撤出时间，见表7。

表7 撤出人员伤害事故点c可选择的出口及撤出时间Table 7 Available exits and evacuation time from personnel injury accident point c

由表7可知:当人员在人员伤害事故点c发生事故时，人员从各出口撤出的实际模拟时间与软件模拟时间相差较大，这是由于撤离路线中需经过数个坡度、长度均较大的斜梯，会严重影响人员撤出速度，增加救援难度，使受伤人员无法得到救援。因此，建议在T16段管道层增设应急救援口，通过模拟结果显示，人员撤离时间明显减少，同时也可以有效改善山顶各段人员的疏散效率。

2.4 叠加事故场景下应急救援路径规划研究及建议

通过模拟分析，得出起火点A、B两处分别发生火灾事故情况下，当a、b、c三处分别发生人员伤害事故时该技术廊道内应急救援出入口布置，见表8。

表8 火灾情况下人员伤害事故的应急救援出入口布置Table 8 Layout of rescue entrances and exits of personnel injury accidents in case of fire

由表8通过对比分析可知：当起火点A处发生火灾事故时，对人员伤害事故点b、c的影响较大，会造成Y18段应急救援口无法使用，需要选择其他救援出口进行撤离，即当火灾事故点A处和人员伤害事故点b、c发生事故时，救援出口由原Y18段应急救援口和T16段应急救援口变为厂房16，同时在应急救援时须进行灭火；当起火点B处发生火灾事故时，对人员伤害事故点a、c的影响较大，以目前廊道内应急救援出入口的设置，无法满足应急救援的要求，可在T16段管道层增设应急救援口，此时人员仅能从增设的应急救援口撤离。

3 结 论

(1) 核电站技术廊道内发生的电缆火灾在起火初期火势发展较慢，大概在20 min后廊道内部发生轰燃现象，此时起火位置周围已不再允许人员的存在。

(2) 核电站技术廊道内电缆火灾的烟气蔓延速度要远大于火焰的蔓延速度，因此安全管理人员应严格保证核电站技术廊道内火灾探测器的有效性，并在发生火情时及时处置。

(3) 选取3个人员伤害事故风险最大的事故点，借助Pathfinder软件通过对相关区域的应急救援时间进行仿真模拟对比，确定了不同人员伤害事故位置的最佳应急救援路线。

(4) 结合火灾烟气蔓延规律和不同人员伤害事故位置的最佳应急救援路线分析，确定了最不利工况下核电站技术廊道内人员应急救援疏散方案，并给出了技术廊道内应急出口设置的改进建议。