核电厂安全级DCS机柜火灾荷载分析

高 楠 刘明明 刘全东 李尉弘

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

0 引言

根据火灾在发生时的蔓延快、覆盖广等的特点，假设核电厂内某些电力电缆或其他设备发生着火，引发火灾，有可能将会影响核电厂的安全。因此，对核电设计而言，对火灾进行提前预测显得尤为重要。而火灾荷载是用来提前预测火灾发生的大小和火灾事故等级的物理量。关注火灾在核电厂安全级DCS机柜中的影响，以及将其细化到机柜内的火灾荷载，对于后期开展防火分区设计、消防系统设计、火灾概率分析及部分设备的选型有着举足轻重的作用。

1 火灾荷载概念及其特点

2019年四川凉山森林火灾致使多人遇难；2021年被称为“中国最后一个原始部落”的云南翁丁村老寨火灾致使100余间房屋烧毁，这场火灾是我国传统村落的一场“灾难”。不仅仅人们生活的周边存在火灾，在核电领域也发生过多起火灾事故。1975年，布朗斯·费里核电厂的火灾，被称为“一根小蜡烛，毁了核电厂的半条命”，火灾导致反应堆停堆主控室失去部分监控能力，核电厂安全受到威胁。除此之外，2015年美国纽约印第安角核电站爆炸；2017年法国弗拉芒维尔核电站火灾。多起核电火灾事故，都在警示人们关注核电厂火灾。

当然针对核电火灾，核行业相关机构出台了多部法规及标准，如国家核安全局发布的HAF 102《核动力厂设计安全规定》[1]、国际原子能机构Safety Series NO.50-P-9—1995《Evaluation of fire hazard analyses for nuclear power plants》[2]等。这些法规及标准都要求在核电设计过程中，进行火灾分析，对受保护的目标以及实际火灾荷载分布情况开展针对性的防火分析及设计，也就是说需要对火灾荷载进行评估计算。

GB/T 22158—2008《核电厂防火设计规范》[3]对火灾荷载进行了定义，即火灾荷载是指作用区域内易燃物燃烧释放的热能。火灾荷载值越大，火灾持续时间越长。然而，通常火灾荷载不能直接说明与区域面积的关系。这个时候火灾荷载密度研究就显得尤为重要，其值越大，燃烧越强。对核电厂安全级DCS机柜而言，火灾荷载（Q）是其柜内可燃物（如电缆、端子等上易燃材料）火灾荷载之和，单位为兆焦（MJ）。机柜火灾荷载密度（DQf）是该机柜相对单位面积的火灾荷载。火灾荷载密度以兆焦每平方米（MJ/m2）为单位。当一个区域内的火灾荷载密度大于400MJ/m2时，为防止或限制火灾蔓延引发的机组产生事故工况，一般需要建立防火区。

核电厂安全级DCS机柜作为核安全级电子设备的容载体，对核电站的安全起到关键作用。对于DCS机柜而言，火灾荷载通常分为三类，分别是固定式火灾荷载、移动式火灾荷载和临时性火灾荷载[4]。固定式火灾荷载是指机柜内结构框架设计用的位置不变，结构件上使用的可燃、易燃材料所产生的热能且长时期不会发生变化。由于DCS机柜结构件基本为Q235B或SUS304不锈钢，因此机柜的固定式火灾荷载较少。移动式火灾荷载是指为保证DCS机柜能够运行而另外根据需求及功能布置的设备，通常指机柜内布置的各种工程器件等，包括机箱、继电器、断路器、浪涌抑制器、电缆等所产生的热能。移动式火灾荷载根据机柜的功能及需求等，机柜内部布置的设备规格型号、数量及柜内布置位置等方面会发生变化。移动式火灾荷载是DCS机柜内最主要的火灾荷载。临时性火灾荷载指机柜的设计或装配人员临时放置于机柜的设备，因此具有不确定性，所以这类火灾荷载在分析过程中通常不予考虑。

2 核电厂安全级DCS机柜火灾荷载分析

2.1 基于火灾荷载的机柜火灾分析

火灾的发生需要可燃物、燃点、助燃物并存，烟气是火灾发生过程中，燃烧或热解生成的悬浮固体或液体颗粒。通常情况下，核电厂安全级DCS机柜中的烟气都会伴随着火灾的产生而产生。假设机柜内的主要可燃烧点在机柜下部，当发生火灾初期时，烟气比重小，烟气将会在热压力的作用下，向上蔓延到达机柜顶部，此时将会转化为层流状态流动，当它碰到机柜内侧板、横梁时，将会越过这些继续扩散，并再次到达机柜下部，这种现象也就是流体中常见的水跃现象。如图1所示，随着此现象的发生，火灾开始迅速蔓延。核电厂安全级DCS机柜内的火灾荷载伴随着柜内可燃物的燃烧逐步增加。而当机柜内某个机箱或工程器件等的火灾荷载影响到相邻设备时，则需要考虑对该区域进行隔离分区或重新更换工程器件等设备。

图1 机柜内的水跃现象

2.2 机柜内火灾荷载的计算

对机柜内的可燃物设备进行分析，柜内可燃物主要有：模块PCB板、机箱、后IO、终端单元、空开、继电器、端子、二极管、电缆等类型（因标签、线号管等辅料和小件质量小不参与计算，在最终的计算结果上进行适当的预估），由供货商提供各设备的材料特性、质量及燃烧特性等，来评估每种设备可燃物的质量，并通过查询每种可燃物类型的热值（参考CECS 200—2006《建筑钢结构防火技术规范》[5]附录），建立通用的设备清单数据库（包括设备的质量、可燃物质量等），便于后期迭代分析计算。

计算示例：以某核电项目A、B、C和D四个机柜为例加以说明。

机柜A的机箱估算4个，机柜B和C的机箱估算2个，机柜D估算3个机箱，对应机箱槽位板卡按照满配计算。对于机柜A而言，火灾荷载等于机柜内包括模块PCB板、机箱等在内的各设备可燃物火灾荷载之和，即，694.6 MJ≤700 MJ同理，机柜B～D的火灾荷载计算同机柜A一致，得出以上四个机柜的火灾荷载如表1。

表1 各机柜火灾荷载

通过火灾荷载的计算，即可求得各机柜的火灾荷载密度。假定机柜A、B、C和D的大小都为800 mm（W）×2 200 mm（H）×800 mm（D），则机柜A的火灾密度。机柜B、C和D的火灾荷载密度计算同机柜A类似，计算结果见表2。

表2 各机柜火灾荷载密度

通过上述计算得出机柜A、B、C和D的火灾荷载密度均大于400 MJ/m2，因此在做四个机柜内部设计时，需要考虑建立一定的隔离防火区，保证其均于安全防火区域内，或者对机柜内部设备进行重新选型。

3 研究展望

对于核电厂安全级DCS机柜而言，当内部发生火灾时，火灾燃烧的过程除了层流和湍流现象外，还有可能是混合燃烧。由于机柜内部的空间较为狭窄，当火灾产生时，假设内部风扇不能正常工作，导致内部设备的燃烧物质燃烧不完全，将会产生大量的有毒气体，如一氧化碳、二氧化碳等。在后期的分析中，笔者将分析这种气体产生带来的一系列物理及化学反应，了解火灾过程中污染物和有毒有害气体的产生状况。

通过火灾荷载的计算，在结合火灾数值模拟分析软件（Pyrosim、FDS软件等），将常规参数可燃物的单位热值、可燃物的质量、氧气/燃料配比值、热辐射系数、火灾扩散因子、热释放速率等因素集中到一个统一的模型中，对于安全级DCS机柜火灾内部分析有着重要的意义。当然也可以将火灾荷载计算及火灾数值模拟分析运用到整个核电厂（如核电控制室盘台），同时结合人员疏散模拟软件（Pathfinder），对核电厂火灾过程中的人员安全疏散进行研究。

4 结语

本文通过火灾荷载的概念及特点，针对性地对核电厂安全级DCS机柜的火灾荷载进行计算分析，并对机柜内的火灾发生及发展进行了研究，本文中的机柜火灾荷载计算为定量描述，因此在应用过程中，可以根据研究项目的不同有针对性地改动部分设备信息，即可使用，所得出的结论可以应用于核电厂控制室盘台等仪控设备，对于后期消防系统设计提供技术指导与理论参考。