核电厂核岛移动排烟设计参考标准和实践

王军民

(深圳中广核工程设计有限公司,深圳)

0 引言

HAF 102—2016《核动力厂设计安全规定》[1]与HAD 102/11—2019《核动力厂防火与防爆设计》[2]中明确了设置核电厂核岛排烟系统的必要性与目的及其设计考虑因素,为核岛排烟系统设计提供了顶层必要指导。

HAF 102—2016第6.7.5.1条规定了必须在适当考虑火灾危害分析(又称火灾危险源分析)结果的情况下设置烟气控制系统。HAF 102—2016没有给出如何实施此要求的具体指导,相关指导参见HAD 102/11—2019。

HAD 102/11—2019第5.6条规定了应通过烟气的潜在影响及后果评估来确定排烟需求,排烟需求在于降低温度和支持火灾扑救等。在排烟系统设计时应考虑构成火灾风险系统的危险源、路径、目标三方面因素。其中,危险源包括火灾荷载存量、烟气产量及其能见度、毒性、放射性等;而路径包括燃料特性、烟气扩散流动特性、固定灭火系统等;目标包括放射性释放量可接受性、火灾扑救通道可居留性等。

HAD 102/11—2019第6.4条规定了必要时在放射性物质包容防火区(或小区)设排烟措施,以满足安全要求。尽管排烟可能导致放射性物质释放到外部环境,但若排烟过程中放射物质释放受控,排烟改善了火灾扑救条件,可防止大量放射性物质释放。

HAD 102/11—2019第6.1.2条明确了排烟的主要目的在于提供通道以支持火灾扑救、手动启动固定灭火系统和人工操作必要的其他系统、控制灭火剂的扩散以防止损坏核安全重要物项等。

若将防止物项损坏(又称财产保护)作为火灾扑救特例,则HAD 102/11—2019第6.1.2条、第5.6条、第6.4条所明确的排烟必要性与目的包括改善火灾扑救条件以支持火灾扑救。

但HAD 102/11—2019没有规定可接受的火灾扑救应急排烟(又称辅助排烟)方法,结合建筑火场排烟实践和核岛排烟设计实践来看,不限于固定排烟方法,另有移动排烟方法可供选择,但国内尚没有指导移动排烟的设计标准,为此本文围绕移动排烟主要应用和设计考虑因素给出了核岛移动排烟设计参考标准和实践。

1 应用与设计范围

在核岛移动排烟设计中,常见的参考标准与具体规定如下。

1) EJ/T 1082—2005《核电厂防火准则》[3]第5.6.1条与《核电厂防火国际导则》[4]第2-6条规定每一个防火区(或小区)均应安装排烟设施,可通过2种方法进行排烟:装设永久性排烟设备;由消防队员操作临时排烟设备。

2) NB/T 20095—2012《压水堆核电厂安全壳外供暖、通风、空调系统设计准则》[5]第6.2.5条与ANSI/ANS-59.2-1985《安全壳外供暖通风空调系统安全准则》[6]第4.2(4)条规定火灾扑救期间和以后可用移动通风系统或手动操作控制的固定通风系统排烟。

3) NFPA 804:2020《先进型轻水堆发电厂防火标准》[7]第6.9条规定在固定通风系统不具有排烟能力时,应急人员应使用移动通风设备排烟。

4) RCC-F-2017《压水堆核电厂防火设计和建造规则》[8]第D1430条规定论证移动排烟方法可行时,可用移动排烟设备进行排烟。

5) RCC-I (1997-10)《压水堆核电站防火设计和建造规则》[9]第2.5.4.2条规定可用专门通风系统、屋顶排烟口或移动设备进行排烟。

6) XF/T 1190—2014《地下建筑火灾扑救行动指南》[10]第5.8.4条规定应利用防排烟系统进行火场排烟;根据火场需要使用排烟车、排风机等移动装备排烟。

7) XF/T 1191—2014《高层建筑火灾扑救行动指南》[11]第5.8.2条和第5.8.5条规定应启用高层建筑内的固定防排烟系统设施,利用高层建筑内部专用的排烟口、排烟竖井实施排烟。根据火场需要使用排烟车、排风机等移动装备排烟。

虽然上述参考标准支持在核岛排烟设计时可选用移动排烟方法,但目前GB/T 22158—2021《核电厂防火设计规范》[12]并没有涉及移动排烟方法。与此相同,对于锂离子电池工厂排烟设计参考标准来说,虽然SJ/T 11798—2022《锂离子电池和电池组生产安全要求》[13]明确了应急排烟包括移动排烟方法,但GB 51377—2019《锂离子电池工厂设计标准》[14]中不涉及移动排烟方法。国内建筑排烟设计标准聚焦于固定排烟设计要求,没有涉及移动排烟,只有XF/T 1190—2014《地下建筑火灾扑救行动指南》与XF/T 1191—2014《高层建筑火灾扑救行动指南》支持根据火场需求使用移动排烟设备。

结合国内特定建筑和部位存在设置固定火灾扑救应急排烟设施的需求及建筑火灾扑救存在使用移动排烟设备的需求,可将移动排烟设备归为移动火灾扑救应急排烟设施,用于未设置固定排烟设施、固定排烟设施失效或效能不足等场所的火灾扑救应急排烟。从上述允许核岛采用移动排烟的设计参考标准来看,核岛不属于经常有人停留但属于可燃物较多的无窗厂房,无需设置为人员疏散服务的固定排烟设施,可作为不设置固定排烟设施而设置移动排烟设施的典型场所之一。

从建筑与核岛火灾扑救应急排烟设计实践比较来看,建筑火灾扑救应急排烟无需考虑移动排烟设计,而核岛火灾扑救应急排烟设计需要考虑移动排烟设计。由此可见,核岛火灾扑救应急排烟设计范围更广。

2 常用设计准则

2.1 设计排烟量与补风量

由于目前国内尚缺少移动排烟设计排烟量确定准则,因此可参考国外移动排烟设计标准来确定,如CFPA-E Guideline No 35:2015 F《排烟排热通风系统规划和设计》[15]第7条规定防烟分区的最大允许面积(或体积)、排烟换气次数不因排烟方法的改变而改变。与此相同,文献[16]给出的建筑移动排烟设计排烟量与固定排烟设计排烟量也无区别。

GB/T 22158—2021第10.2.3.6条规定对存在火灾风险但未设置自动灭火设施的房间,其排烟容积宜为350 m3,最大排烟容积宜为500 m3;第10.2.3.8条规定机械排烟系统宜按照12～20 h-1的换气次数计算排烟量。GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》[17]第4.6.1条规定排烟系统的设计排烟量不应小于此系统计算排烟量的1.2倍;第4.5.3条规定补风系统应直接从室外引入空气,且补风量不小于排烟量的50%。

参考CFPA-E Guideline No 35:2015 F第7条规定,结合GB/T 22158—2021第10.2.3.6条和第10.2.3.8条、GB 51251—2017第4.6.1条规定,假定未设置自动灭火设施房间排烟容积为500 m3,此类房间换气次数取20 h-1,其设计排烟量为计算排烟量的1.2倍,经计算得到移动排烟设计排烟量不小于12 000 m3/h、补风量不小于6 000 m3/h。

2.2 工作温度与时间

GB 27901—2011《移动式消防排烟机》[18]第5.10.6条和6.12条规定水力驱动消防排烟风机、电动消防排烟风机应在不低于150 ℃气流通过时连续运转60 min无异常现象,按XF 211—2009《消防排烟风机耐高温试验方法》[19]的相关规定进行水力驱动消防排烟风机、电动消防排烟风机耐高温性能试验。选用气动消防排烟风机也应如此。而XF 211—2009第4.4.2条规定地铁区间隧道内用固定消防排烟风机应在不低于150 ℃气流通过时连续运转60 min无异常现象。也就是说,水力驱动消防排烟风机、电动消防排烟风机、气动消防排烟风机与地铁区间隧道内用固定消防排烟风机的应用场景相似,耐高温性能相同。

除GB 27901—2011外,GB 7956.17—2019《消防车 第17部分:排烟消防车》[20]第4.4.2条与第5.4.1.5条规定排烟软管的直径应与车载排烟装置的进出口相匹配,负压式车载排烟装置应选用耐高温材质的排烟软管,车载排烟装置(含作为其组成部件的排烟软管)应在输送介质平均温度280 ℃下连续工作30 min。而XF 211—2009第4.4.2条规定建筑内用固定消防排烟风机应在不低于280 ℃气流通过时连续运转30 min无异常现象。也就是说,负压式车载排烟装置(含作为其组成部件的排烟软管)与建筑内用固定消防排烟风机的应用场景相似,耐高温性能相同。另外,建筑内用固定排烟风管与排烟软管耐高温性能并不相同,在停止排烟后,固定排烟风管外部仍需耐受依据标准时间-温度曲线确定的耐火时间对应的温升,而在停止排烟后排烟软管无该需求。

比较而言,GB 27901—2011适用于人力移动式消防排烟风机,没有考虑正压式移动排烟与负压式移动排烟的区别,耐高温性能要求较低。而GB 7956.17—2019适用于车载排烟装置,考虑了正压式移动排烟与负压式移动排烟的区别,耐高温性能要求较高,非车载移动排烟风机也可参考使用。因此,需要根据使用场景来确定移动排烟风机和排烟软管的耐高温性能。

3 设计实践

3.1 应用条件和场所

核岛分为放射性控制区和非放射性控制区,均存在容纳电缆、易燃液体的无人值守高火灾荷载房间,显然不属于经常有人停留的房间,而属于可燃物较多的房间,但根据GB/T 22158—2021第10.2.3.3 条规定,无论防火区(或小区)规模或火灾荷载存量大小,位于非放射性控制区内,火灾时会产生浓烟的、火灾荷载密度大于400 MJ/m2的防火区(或小区)宜设置机械排烟系统,同时规定位于应急人员进入不便的放射性控制区内,火灾时会产生浓烟的、火灾荷载密度大于400 MJ/m2的防火区(或小区)可用固定机械通风系统代替排烟系统。结合这些房间排烟的主要目的,将其归为火灾扑救应急排烟。

为满足外部危害防护和放射性静态包容的要求,核岛地上部分被设计为无窗建筑,并且力求外部危害防护边界和放射性静态包容边界(简称2类边界)开口面积及其防护措施规模最小化。由于自然排烟需要在这些边界上增加大面积开口,与此设计准则相悖,因此不宜采用自然排烟。如果存在火灾扑救应急排烟需求,核岛宜采用移动或固定机械排烟。

比较而言,GB/T 22158—2021第10.2.3.3条规定的非放射性控制区的排烟要求较高,而放射性控制区的排烟要求较低,显然要求并不平衡。在核岛排烟设计时遵循了平衡化的排烟要求,除了非全直流通风系统仅服务1个防火区(或小区)之外,位于采用非全直流通风的非放射性控制区内,火灾时会产生浓烟的、火灾荷载密度大于400 MJ/m2的防火区(或小区)设置移动或固定机械排烟系统。选用移动排烟时,还按照HAD 102/11—2019第5.5.6条规定在适当位置设置自持式呼吸装置(包括备用储气钢瓶和再充气设备),以供应急人员使用。而位于采用全直流通风的非放射性控制区和放射性控制区内,火灾时会产生浓烟的、火灾荷载密度大于400 MJ/m2的防火区(或小区),若设置了固定灭火系统,则用固定通风系统代替排烟系统。也就是说,只有采用固定灭火系统控制火灾规模时,才能用耐高温性能与排风量有限的通风系统兼作排烟系统。

3.2 设计考虑因素

火灾发生时核岛除着火的防火区(或小区)停运外,其他防火区(或小区)仍然继续运行,仍然需要保持2类边界完整性,而且构成2类边界的外墙与屋顶的厚度超常,导致通过临时破拆2类边界来提供移动排烟补风路径和排烟路径的策略不可行。因此,若采用移动排烟方法,需要在设计阶段就规划移动排烟所需的补风路径和排烟路径。

若核岛非放射性控制区多个楼层有移动排烟需求,核岛竖直方向常用竖井作为多个楼层移动排烟共用的补风路径和排烟路径,仅将补风竖井始端与排烟竖井终端作为贯穿2类边界的开口,最大程度减小2类边界开口面积及其防护措施规模,而核岛水平方向常用软管作为每个楼层移动排烟共用的补风路径和排烟路径,软管通过过道将竖井与着火房间连通。也就是说,核岛火灾扑救应急排烟常用移固结合排烟的方法,并非整个系统均可移动。

若着火房间有2个或多个出入门,让补风软管与排烟软管分别从2个相距最远的出入门伸进着火房间,剩余其他出入门保持关闭,并尽可能封闭穿过排烟软管的出入门,以在着火房间形成良好气流,确保着火房间内烟气流动方向与应急人员火灾扑救行动方向相同。而如果着火房间只有1个出入门,既可让补风软管与排烟软管均从相同出入门伸进着火房间,也可让补风软管从出入门伸进着火房间,而排烟软管与着火房间墙壁上预留接口连通。

在补风路径和排烟路径确定后,还需确定消防排烟风机设计运行时间,移动与固定消防排烟风机设计运行时间存在区别。GB 27901—2011规定移动消防排烟风机可在室温条件下连续运转8 h,而GB 7956.17—2019规定车载排烟装置可在室温条件下连续运转6 h,移动消防排烟风机具有自持性,无需依靠建筑提供电源。固定消防排烟风机通常需要外部消防电源支持,而消防电源设计供电时间一般仅为2 h,因此设计连续运转时间不会超过2 h。若有必要延长固定排烟风机运转时间,可接入移动电源。

4 应用挑战

在CFPA-E Guideline No 35:2015 F和文献[21]给出的典型进攻型正压送风排烟应用示例中,可将移动消防排烟风机设置在楼梯间出口处,打开楼梯间通往着火房间过道的防火门及着火房间门窗进行排烟,同层未着火房间门和楼梯间其余防火门则处于关闭状态。但GB 51251—2017第4.5.3条规定防火门窗不得用作补风设施,若遵循此标准无疑会限制移动排烟的应用,难以充分发挥移动排烟设施优势以帮助提高火灾扑救的战斗力。

从火灾扑救火场排烟实践来看,会依据通往着火房间过道的楼梯间烟气能见度选择正压送风排烟类型和策略。如果楼梯间能见度未达到要求,首先采用防御型正压送风排烟,通过设置在楼梯间出口处的移动消防排烟风机和设置在楼梯间顶部或最上层外墙上的应急排烟窗排出烟气,待楼梯间烟气能见度达到要求后才使用进攻型正压送风排烟,反之只使用进攻型正压送风排烟。

当使用进攻型正压送风排烟时,由于通往着火房间过道的楼梯间内部不存在可燃物,以及受灾人员已疏散结束,只采取了临时等效补偿性防火分隔措施,如进攻型正压送风排烟与临时隔烟帘、射流冷却等其他火灾扑救措施相配合,足以阻止烟气通过防火门流向其内部,则防火门也可作为着火房间进攻型正压送风排烟补风设施,以便最大程度地创造有利条件支持火灾扑救。

5 结束语

结合法规、设计标准、火场排烟和设计实践来看,核岛火灾扑救应急排烟可以采用移固结合排烟的方法;从国外标准来看移动排烟与固定排烟设计要求异同互见。目前国内已有移动消防排烟风机与装置标准,但尚需在参考国外移动排烟设计标准与国内火灾扑救移动排烟实践的基础上,识别出移动排烟与固定排烟设计要求的差异,在达成广泛共识后订立移动排烟设计标准,为移动排烟设计提供指导。