某核电厂电气仪控房间火灾排烟温度分析

曹熔泉 徐志军 张彩良 谢 舒

(1.上海核工程研究设计院股份有限公司,上海;2.福建宁德核电有限公司,宁德)

0 引言

火灾是核电厂日常运行中较为常见的事故,对核电厂的安全有着不可忽视的威胁。核电厂电气厂房中集中了大量的电气柜、电缆、蓄电池及计算机系统等,火灾荷载很大。某核电厂电气厂房设置有火灾排烟系统,以实现以下功能:1) 排除高温烟气,提高能见度,以便消防人员能够接近房间进行人工灭火;2) 降低或延缓房间内的温升;3) 直接排走可能含有有毒物质的烟气,避免烟气进入通风系统或损害设备;4) 火灾扑灭后,为房间提供清洗通风。由于核电厂的特殊性、电气厂房主控制室的正压设计等原因,这类排烟系统通常设计为手动启动。本文对该排烟系统火灾时排烟温度进行分析,为核电厂运行和系统设计提供参考。

1 排烟系统设计简介

1.1 系统流程

电气厂房排烟系统分为2个子系统,子系统A为安全系列A电气仪控房间、主控室、计算机房及2个核电机组公用房间服务,子系统B为安全系列B电气仪控房间、远程停堆站等服务。排烟系统由排烟风机、防火风管、排烟阀及止回阀等组成。系统流程简图见图1。

图1 某电气厂房排烟系统流程简图

子系统A与子系统B的排烟风机入口设置旁通母管,母管上设置耐火隔离风阀。当任一子系统的风机发生故障时,可以通过打开旁通母管上的耐火隔离风阀,由另一个子系统的排烟风机排除烟气。排烟系统平时不运行,排烟阀处于关闭状态。当发生火灾时,手动打开相应的排烟阀和排烟风机,排除着火区的烟气。

1.2 主要设备及部件设计

排烟系统主要设备及部件按照以下要求设计:

1) 排烟风管、排烟阀按照2 h耐火极限设计。

2) 排烟风机能够在400 ℃高温条件下运行不低于2 h。

3) 软接头在400 ℃高温条件下性能正常。

2 防火空间火灾温度计算方法

2.1 计算假设

计算排烟温度时忽略管路的热量损失,假设排烟温度与房间烟气温度相等。本文对着火空间的平均温度进行计算,不对火灾发展过程、空间内部温度分布进行详细模拟计算。计算过程中进行以下假设及取值:

1) 不考虑喷淋等灭火系统对火灾烟气温度的影响。

2) 假设各防火空间内的电缆布置等满足文献[1]中FLASH-CAT模型的基本假设。

3) 假设多层电缆桥架的火灾最大热释放速率按照其中一整层电缆桥架全部燃烧计算[2]。

4) 参照文献[1-2],假设电缆(热塑性)燃烧的平均热释放速率为250 kW/m2。

5) 着火空间室内初始温度、邻近房间温度均假设为25 ℃。

2.2 封闭空间火灾烟气温度计算

按照文献[3-4],无排烟时,封闭空间火灾烟气的温度可按照下式计算:

(1)

防火空间上部空气与邻近空间的传热系数hk可采用文献[3]中的自然通风空间的传热系数计算式确定:

(2)

式中λ为防火空间围护结构的导热系数,kW/(m·℃);ρ为防火空间围护结构的密度,kg/m3;c为防火空间围护结构的比热容,kJ/(kg·℃);δ为防火空间围护结构的厚度,m。

防火空间上部烟气与邻近空间的传热面积AT按照下式计算[4]:

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

(3)

式中WC、LC、HC分别为防火空间宽度、长度和高度,m;HF为防火空间燃料面高度,m。

2.3 着火空间排烟工况下的火灾烟气温度计算

根据能量守恒定律,着火空间排烟工况下的烟气温度可在式(1)的基础上增加排烟的影响,可用式(4)表达:

(4)

式中mg为排烟量,kg/s。

此时防火空间上部空气与邻近空间的传热系数hk采用下式计算[3]:

(5)

式中τp为热穿透时间,s。

(6)

2.4 火灾热释放速率

排烟系统服务的防火区内可燃物主要为电缆、油漆和电气仪控设备等,其中电缆占绝大部分。本文以电缆为可燃物进行火灾热释放速率计算,将防火区内的火灾荷载全部当量成电缆燃烧产生的火灾荷载。

火灾条件下的热释放速率与诸多因素有关,在无燃烧模型的情况下难以通过数值模拟确定,通常都直接通过试验测量或采用一些简化的特征火灾发展模型。一种常用的方式是按照火灾发展过程将热释放速率曲线分为3个阶段:初期增长阶段、充分发展阶段和减弱阶段。

火灾时电缆的燃烧过程可简化为3个阶段:1) 初期增长阶段,持续时间Δτ/6(其中Δτ为火灾持续时间),热释放速率从0 kW线性增大至最大;2) 充分发展阶段,持续时间(2/3)Δτ,热释放速率基本维持不变;3) 减弱阶段,持续时间Δτ/6,热释放速率从最大值线性降低至0 kW[1-2]。Δτ可按照式(7)计算:

(7)

式中mc为单位面积可燃物的质量,kg/m2;ΔH为可燃物的燃烧热,kJ/kg;qa为可燃物燃烧的平均热释放速率,kW/m2。

单位面积可燃物的燃烧热可按照火灾荷载折算,即火灾持续时间Δτ可表示为

鉴别的时候需要确认鱼腥味的程度、纯净度。鱼粉应该有较为强烈的鱼腥味，但也因原料种类、加工方式及脂肪含量等差别而存在一定的差异，鉴定人员需要鉴别鱼腥味中的细微差异。鱼腥味的纯净度则是指是否含有鱼腥味之外的其他味，非鱼腥味应该越少越好。

(8)

式中L为计算房间的火灾荷载,kW;A为计算房间可燃物的面积,m2。

3 计算结果及分析

3.1 计算防火空间选取

排烟系统服务于多个防火空间,计算过程中根据防火空间可燃物种类、火灾荷载及火灾荷载密度进行比选。由于可燃物种类类似,选取火灾荷载密度、火灾荷载较大的2个电气仪控房间A1、B1进行计算。

房间A1长27.2 m、宽6.8 m、高3.5 m,围护结构为混凝土,两面墙体厚度为900 mm,剩余墙体一面厚度为300 mm、另一面厚度为200 mm,顶板厚度为400 mm,地板厚度为500 mm。房间总火灾荷载为200 834.71 MJ(平均火灾荷载1 088.48 MJ/m2),其中电缆的火灾荷载为189 505.29 MJ,占总火灾荷载的93.4%,其余为油漆和电气设备。房间内电缆桥架层数为11层,最大电缆托盘宽0.5 m、长20.3 m。

房间B1长20.2 m、宽6.8 m、高3.5 m。房间总火灾荷载为223 075.87 MJ(平均火灾荷载1 543.35 MJ/m2),其中电缆的火灾荷载为193 585.19 MJ,占总火灾荷载的86.8%,其余为油漆和电气设备。房间内电缆桥架层数为11层,最大电缆托盘宽0.5 m、长17.3 m。

3.2 计算结果

图2、3分别给出了房间A1、B1电缆火灾的热释放速率曲线。房间A1的最大热释放速率为2 162.5 kW,火灾持续时间为11 253 s。房间B1的最大热释放速率为2 537.5 kW,火灾持续时间为8 634 s。

图2 房间A1火灾热释放速率曲线

图3 房间B1火灾热释放速率曲线

图4、5分别给出了房间A1、B1火灾后的空气温度。最上边的曲线表示排烟系统不运行时室内的温度变化,下部的曲线表示在300 s(5 min)、900 s(15 min)、1 500 s(25 min)启动排烟系统时房间内空气温度变化。

图4 火灾后房间A1空气温度

图5 火灾后房间B1空气温度

火灾后,2个房间内的空气温度变化呈现出相同的趋势。若整个火灾过程中,排烟系统一直不启动,房间空气温度随着热释放速率的变化先升高后降低。若火灾过程中启动排烟系统,排烟系统启动前房间空气温度与封闭空间发生火灾时温度相同,系统启动后房间空气温度迅速降低,然后逐渐升高(此时火灾热释放速率维持最大值),最后随着火灾热释放速率的降低房间空气温度逐渐降低。

房间A1:排烟系统不启动的情况下,发生火灾后,室内空气最高温度约为1 304.7 ℃,发生在9 407～9 421 s,在1 195 s(约20 min)时室内空气温度达到280.0 ℃,1 395 s(约23 min)时达到350.0 ℃,1 529 s(约25 min)时达到400.0 ℃。相比封闭空间发生火灾的空气温度,排烟系统启动后房间空气温度降低明显,除去系统启动时刻的峰值,系统运行之后,房间空气温度在8 014 s(约2.2 h)时达到400.0 ℃,在9 387 s(约2.6 h)时达到峰值427.0 ℃。

房间B1:发生火灾之后,室内空气温度同样呈先升高后降低的趋势,最高温度约为1 026.5 ℃,发生在7 224～7 231 s,在1 087 s(约18 min)时室内空气温度达到280.0 ℃,1 267 s(约21 min)时达到350.0 ℃,1 388 s(约23 min)时达到400.0 ℃。排烟系统启动后,除去系统启动时刻的峰值,系统运行一段时间后房间空气温度最高约为360.0 ℃,峰值出现在第7 204 s。

3.3 分析与讨论

根据以上计算结果,若采用火灾排烟系统手动启动设计,系统运行时需要选择合适的启动时机,才能有效排除火灾中的烟气、降低防火空间温度。当系统设置280 ℃排烟防火阀时,按照理论计算,房间A1必须在火灾发生1 195 s(约20 min)前启动排烟系统。考虑火灾报警的延迟、计算不确定度等,还需适当提前。

若排烟系统未设置由温感器关闭的排烟防火阀,当系统启动过迟时,可能排烟风机和软接头等都会遭到破坏,从而使得烟气蔓延至排烟机房。例如,对于房间A1,理论上必须在1 529 s(约25 min)前启动排烟风机,如此才能确保排烟温度不超过400 ℃,满足软接头和排烟风机使用温度限值要求。

4 结论

1) 核电厂采用火灾排烟系统手动启动时,需及时启动才能有效排除火灾产生的烟气。

2) 需合理设置排烟防火阀,避免因系统启动时机不当损坏排烟风机和软接头等,从而导致烟气蔓延至其他防火空间。