核电站燃料厂房电缆火灾共模的模拟

杨 煦，张 建，贺群武，徐 婧

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

压水堆核电厂对核岛厂房划分防火分区，以保证火灾引发的事故工况不会导致执行重要安全功能的两列设备同时失效，从而确保在事故工况下实现安全停堆。国内部分第二代核电站由于原设计采用的防护标准比较低，燃料厂房部分区域不满足最新版RCC-I 的相关防火要求。如果存在电缆共模的厂房内发生火灾，可能会导致两列电缆同时失效，造成安全系列的安全重要设备无法执行其安全功能。因此，有必要研究燃料厂房内火灾的演变过程，以及分析火灾是否会造成厂房内的电缆不可用，以保证在事故工况下安全重要功能得到执行，并且机组能够实现安全停堆。

FDS 软件是由美国国家标准研究所(NIST)的建筑与火灾研究实验室(BFRL)开发的以大涡模拟(LES)为基础的三维计算流体动力学(CFD)软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S 方程,从而计算火灾中的烟气扩散和热传递的过程，模拟火灾湍流的演变。该软件广泛应用于森工安全等火灾安全工程领域，其计算结果的准确性已经得到大量试验的验证，NRC 也对该软件进行了验证和认可。FDS 软件除了对研究对象进行建模和计算的主体之外，还包括一个将计算结果图像化的程序Smokeview。该程序能根据计算的结果，动态展示火灾烟气和热流在建模的三维空间内的演变过程。

FDS 软件通过大涡模拟方法求解以下方程组成的流体动力学方程组：

质量守恒方程：

式中，P为压力；g 为重力加速度；f为外部施加力的矢量；τ为内应力。

能量守恒方程：

式中，h为焓；qr为热辐射通量；T为温度；k为导热系数。

1 计算模型

1.1 RRI，RIS 系统电缆沟房间

核电厂燃料厂房内除存放乏燃料外，也设置有余热排出系统RIS、重要设备中间冷却水系统RRI等安全停堆系统。此外，从反应堆厂房内出来的大量动力、仪控电缆都经过燃料厂房进入辅助厂房，然后分别进入主控室和电气厂房。因此，在燃料厂房和辅助厂房之间有部分厂房存在大量的电缆，房间内包含A，B 两列电缆，每列电缆包括两束独立的电缆。其中最为典型的是K014 厂房。除了这两列电缆的托盘桥架，房间内的通风管道和工艺系统管道也会对火灾产生的烟气和热流在房间内的扩散产生影响，因此对这些管道也进行了建模。用于房间建模的主要参数列于表1。

1.2 温度分析截面

在RRI，RIS 系统电缆桥架房间内适当的位置定义温度分析截面，以计算在火灾演变过程中房间内某平面的温度变化。截面为穿过A，B 列电缆桥架的水平平面，可用于反映火灾过程中电缆上方和下方的空气温度随时间的演变。温度分析截面的分布以及编号见图1。

表1 RRI，RIS 系统电缆桥架房间建模的主要参数

图1 温度分析截面

此外，在1 号截面与A 列1 号电缆桥架(记作A1)的外表面相交的部分选取4 个温度分析点，用以计算电缆桥架A1 的4 个不同标高处电缆表面的温度。同理，2 号截面与A 列2 号电缆桥架(记作A2)外表面相交的部分选取4 个温度分析点；3号截面与B 列1 号电缆桥架(记作B1)外表面相交的部分选取3 个温度分析点；4 号截面与B 列2 号电缆桥架(记作B2)外表面相交的部分选取3 个温度分析点。FDS 软件在模拟计算的过程中，每经过一个时间步长就记录一次上述分析点的温度，从而反映电缆表面的温度变化。

1.3 火灾工况

参考NRC 出版的NUREG-1934 Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines中电缆失效条件相关的内容，考虑在火灾发生的初期，标高最低的电缆桥架中的电缆在达到205 ℃的失效温度时开始点燃，接着该电缆以250 kW/m2的单位面积热释放速率持续燃烧，产生的热流将加热上方的其它电缆。一旦引燃其它电缆，该电缆同样以相同的单位面积热释放速率燃烧。文中考虑初始时刻电缆桥架A1 的最低电缆发生燃烧，其余电缆表面温度和环境温度相同。计算火灾持续600 s过程中初始未燃烧的电缆的受损情况。

2 计算结果

2.1 温度分析截面的温度演变

分析火灾发生后第200 s、第400 s 及第600 s时1 号截面的温度场分布情况。

电缆桥架A1 的最低电缆开始燃烧之后，迅速产生大量热流向上方扩散。随后标高较高的电缆被引燃，RRI，RIS 系统电缆沟房间顶部的空气被加热到700 ℃以上。之后，随着电缆的持续燃烧，可燃物的质量逐渐减少，再加上部分热流从房间内的开口和房间出口处扩散到房间外部，电缆上方空气温度略微下降，1 号截面的温度场分布逐渐稳定并均匀化。最终电缆上方的空气温度约为500 ℃。

图2 电缆桥架外表面温度变化

2.2 电缆桥架外表面的温度演变

图2 分别给出了电缆桥架A1，A2，B1 和B2的表面温度随时间的变化情况。温度分析点的选取方式在1.2 节中给出，分析点编号原则为分析点所在位置的标高越高，即分析点1 的标高最高，分析点2，3，4 次之。这些分析点代表不同标高处电缆外表面温度的变化，直观地反映了电缆受到火灾损害的情况。

计算结果显示，电缆桥架A1 的最高层电缆最先在84 s 左右被点燃，随后分析点3 附近的电缆在97 s 左右开始燃烧，115 s 左右分析点2 附近的电缆开始燃烧，135 s 左右分析点4 附近的电缆开始燃烧。对于电缆桥架A2，最高层电缆在83 s 左右开始燃烧，随后分析点3、分析点2 及分析点4 附近的电缆开始燃烧。电缆桥架B1 靠近A 列电缆侧的温度变化与电缆桥架A2 的情况类似。而电缆桥架B2 则只有最高层的电缆在310 s 左右开始燃烧，标高较低的电缆在600 s 的时间内未发生燃烧。

计算结果表明，当一列电缆桥架中的最低层电缆发生燃烧时，火灾的发展过程如下：在火灾的初级阶段0 s～120 s，初始燃烧的电缆迅速产生大量热流并在房间内扩散，热流的传播显著加热了电缆上方的空气，同时使标高较高的电缆表面温度逐渐升高，当其达到失效温度时，这部分电缆被引燃，进一步增大热流密度，最终引发附近的电缆共同燃烧。在火灾的发展阶段120 s～200 s，多股电缆的共同燃烧使得电缆表面以及周围空气的温度急剧上升，大量的烟气和热流在房间内扩散。在火灾的稳定阶段200 s～600 s，随着电缆的持续燃烧，可燃物的质量逐渐减少，再加上部分热流扩散到房间外，电缆和周围空气的温度略微下降，在小范围波动的同时保持相对稳定。此时初始燃烧的电缆周围的电缆已经受到了严重的火灾损害，而距离较远的电缆桥架(如B2)只有最高层的电缆被房间上部的热流引燃，标高较低的电缆尽管表面温度持续升高，但是未达到失效温度。

3 结论

对存在A，B 列电缆共模情况的RRI，RIS 系统电缆沟房间进行三维建模，并研究火灾对RRI，RIS 系统电缆桥架房间内电缆的影响，根据计算结果，电缆桥架A1 最低标高处的电缆燃烧会在120 s内引燃电缆桥架A1，A2 和B1，并且在310 s 左右引燃电缆桥架B2 的最高层电缆。电缆燃烧产生的大量热流在房间内扩散是造成初始未燃烧的电缆被引燃的主要原因，此外由于被热流显著加热的热空气聚集在房间上部，导致标高较高的电缆首先发生燃烧。综合以上，建议在RRI，RIS 系统电缆桥架房间的两列电缆之间设置实体防火屏障，以避免电缆火灾导致A，B 列电缆同时失效造成EAS，RIS等系统的安全重要设备无法执行其安全功能。