核电厂安全级DCS机柜可燃物分析及火灾仿真模拟

高 楠，刘明明，覃 吴，马 权，肖 林，郑 兴

（1.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，成都 610213；2.华北电力大学 国家新能源发电工程研究中心，北京 102206）

0 引言

安全级DCS必须常年处于可靠的运行状态[1]，其高可靠性是确保反应堆正常、安全、可靠运行的关键，同时为避免造成DCS系统可用性降低，其安全故障率要限制在最低水平[2，3]。火灾作为假设始发事件，其造成的后果会影响核电厂安全。若安全级DCS机柜内部着火，设备发生故障安全，会直接影响并威胁到DCS系统的稳定运行。因此，对安全级DCS机柜进行火灾危害性分析，对火灾进行提前预测，降低火灾发生的频率，可以有效保证系统的可靠性。

当前国内对于安全级DCS机柜相关的火灾分析处于起步阶段，缺乏相关研究。经其他工控DCS行业反馈，通过对机柜内部可燃物分析及火灾仿真，分析柜内烟雾蔓延、火焰燃烧、温度场等火灾模拟要素，便于对柜内薄弱点进行针对性优化，以减弱火灾带来的影响，同时对降低机柜火灾危险系数，以及火灾探测、灭火预案等分析与设计起着关键的作用[4]。因此，建立一套完整的安全级DCS机柜火灾仿真流程尤为重要。

本文拟通过设计一台安全级DCS机柜，将其作为分析对象，基于建立的一套适用于安全级DCS机柜火灾仿真流程，对其内部可燃物进行分析，依托FDS、Pyrosim、Smokeview软件搭建火灾仿真模型，对机柜火灾模拟数据进行分析。

1 安全级DCS机柜火灾仿真流程

安全级DCS机柜火灾仿真流程如图1，其中包含了各个过程的主要工作等。本文主要对机柜可燃物分析及仿真模型进行说明。

图1 安全级DCS机柜火灾仿真流程Fig.1 Safety-level DCS cabinet fire simulation process

2 安全级DCS机柜可燃物分析

机柜内可燃物、火源（燃点）和氧气条件（助燃物）是机柜燃烧理论的基本三要素。可燃物是机柜火灾发生、燃烧及蔓延的物质基础，也是机柜火灾预测的重要因素之一。在分析机柜设备是否可以被点燃，火灾如何蔓延的过程中，机柜内可燃物比其他因素更为重要。对机柜内可燃物进行管理，可以从根本上解决机柜火灾发生和蔓延问题。

机柜内可燃物特性包括理化性质和空间组合特征，理化性质描述可燃物的化学性质以及密度、燃点、热值、比热等物理性质；空间组合特征描述可燃组合的特征，包括数量、大小和质量[5]。可燃物的理化性质作为机柜动态仿真的基础，其参数对于机柜火灾模拟分析起着重要影响。

结合可燃物的重要性，需对机柜设备可燃物进行分析。本文中设计的安全级DCS机柜主要承力结构（框架、柜门、顶盖等）使用冷轧钢板Q235B，内部的各类支架、盲板、导流板等使用热浸镀锌钢板Zn125或不锈钢SUS304，该部分结构件基本都为阻燃材料，因此在分析时可忽略不计，仅对机柜内部设备可燃物进行分析。机柜内部主要布置机箱、各类功能模块、空气开关、电源模块、滤波器、浪涌抑制器、连接器和线缆等，其可燃物种类主要为PA（聚酰胺、尼龙）、PBT（聚对苯二甲酸丁二酯）、ABS（丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S）、PE（交联聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、FR4（环氧树脂）等。通过查阅中外文献及设备生产厂家提供的数据，对可燃物材质、燃烧热值、密度等理化性质进行了统计，具体统计数据见表1。

表1 可燃材料的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of combustible materials

3 安全级DCS机柜火灾仿真模型搭建框架

安全级DCS机柜发生的火灾大多是由于过热、短路等原因导致的电气火灾，通常都将火灾发展速度分为4种类型：超快速、快速、中速和慢速[6]。本文所设计安全级DCS机柜基本尺寸为800mm（宽）×800mm（深）×2280mm（高）（含底部槽钢尺寸），机柜内部由下至上配置3台6U机箱，机箱两两间配置风扇，其他可在安装区域布置电气设备等。机柜火灾仿真模型搭建框架如图2。

图2 火灾仿真模型搭建框架Fig.2 Framework of fire simulation model building

4 安全级DCS机柜火灾模型建立

根据设计的安全级DCS机柜内部设备安装现状及第3节搭建框架，建立机柜火灾仿真模型，具体如下：

1）网格划分

网格划分是有限元分析的基础，网格尺寸的大小决定模拟结果的精确程度[7]。本文对机柜网格划分进行了多次模拟试验，发现火灾规模较大时，不同尺寸之间网格边界会因参数突变过大而造成数值不稳定，使系统停止运行。因此，为避免同一模型中定义不同尺寸网格，本次分析的机柜网格坐标设定为X（-0.4，0.4），Y（-0.4，0.4），Z（0，2.28），网格单元尺寸为0.02m×0.02m×0.02m，整体模型网格数共182400个。

2）材料理化性质设置

机柜内可燃物的理化性质涉及的参数包括DENSTTY、SPECIFIC_HEAT和CONDUCTIVITY，这3个参数用于设置材料的密度、比热和导热系数。在进行模拟分析时，三者缺一不可，任何参数的缺失将导致FDS停止计算。根据表1中机柜中的可燃物理化性质设置各类参数。

3）“表面”设置

“表面”用于设定热边界条件，引用2）设置的材料属性定义出PA、ABS、PBT、PE/PVC、环氧树脂、OPEN、burn等的“表面”。其中OPEN为FDS默认的开口边界条件，边界条件设定为OPEN后，FDS将根据计算结果在OPEN设定区域自由通风，同实际打开的机柜门窗一样。而burn表面为热表面，用于定义点火源。为避免点火源的功率对火灾蔓延的影响[8]，定义火源的热释放速率随时间t2变化，第0s时火源的热释放速率为0，第10s时为650kW/m2，第20s～100s时热释放速率为1300kW/m2，第120s时热释放速率为0，即火源的最大热释放功率为6.24kW。

4）“障碍物”设置

“障碍物”用于设置火灾场景内的物体，包括机柜框架、横梁、角规、机箱、空气开关、继电器等设备。依据机柜的布置图设置各设备的位置和大小，引用之前3）设置的“表面”来定义各物体边界条件。图3即为机柜的“障碍物”建模。

图3 机柜建模Fig.3 Cabinet modeling

5）火源设置

火源参数是场景文件的核心参数，其本质是描述可燃物的燃烧行为。由于固体可燃物需经历热解再到燃烧的过程，因而火源参数设置需包括热解参数与燃烧参数两部分内容。本文通过在可燃物的“表面”直接设定热释放速率来定义热解，其中设定热释放速率实际上是设置向柜内喷射的可燃气体量。点火源引用“burn”表面，根据机柜的不同点火源位置而自主设定位置、面积。

5 安全级DCS机柜火灾模拟数据分析

根据第4节搭建的机柜火灾仿真模型，对烟雾/火焰蔓延、温度场分布等火灾属性进行数据分析。具体如下：

5.1 点火源及热电偶位置设置

根据机柜内模块板卡等设备布置，及6U机箱后部终端单元接线走线复杂性，将点火源设定在机柜由下至上第一层的1U风扇后部侧处，取一个位于1U风扇+Z方向的面作为火源，其表面定义为“burn”热表面。由于点火源的作用是引燃可燃物，在保证能引燃可燃物的前提下，点火源的面积应该尽量减小，因而点火源面积设定为0.0048m2。在点火源和机柜后部上方每间隔一定距离放置一个热电偶（TCP1-TCP8），用来直接测量所处位置的温度。热电偶位置如图4中黄点所示。

图4 热电偶位置Fig.4 Thermocouple location

5.2 烟雾蔓延

在点火源的作用下，机柜内起火后，烟雾向上蔓延，并随时间增加，机柜内可见度逐渐下降，如图5。至300s时，机柜进出风口基本被烟雾笼罩，且能见度很低。随着时间推移，机柜的可见度并未逐渐提高，且由于机柜上方出风口较小，烟雾不能及时排出。随着火势的增强，烟雾仍持续笼罩，直至1000s模拟运行结束。模拟发现，机柜后半部分1U风扇处点火后，烟雾生成速度较慢，这可能是因为6U机箱“表面”第一层定义为不锈钢SUS304，第二层才定义为可燃物，而不锈钢SUS304的不可燃烧性影响了内部可燃材料的燃烧反应。

图5 烟雾蔓延Fig.5 Smoke spread

5.3 火焰蔓延

当100s时，机柜由下至上第二个6U机箱下表面基本开始燃烧。由于前面盲板的阻挡，火焰从机柜侧面与后面蔓延出来。300s时，设备热解生成的可燃气体扩散在进风口处且机柜后半部分有火焰燃烧。600s时，火焰蔓延至机柜后部下侧面电气设备处，但此时温度较低，不足以引燃电气设备。900s时，机柜后部下侧面电气设备被引燃并开始燃烧，火势逐渐增大直至1300s模拟结束。模拟得到的火势蔓延过程如图6。通过火势蔓延可看出，机柜内的火焰不会立刻产生并蔓延，这是由于机柜内大部分设备采用阻燃材料，抑制或者延滞了其快速燃烧。

图6 火焰蔓延Fig.6 Flame spread

5.4 温度场分布

5.4.1 热电偶测温

将机柜运行环境温度设置为20℃，火源上方温度变化情况如图7，热电偶温度测点TCP1-TCP4位于距火源点1U风扇盒后部侧处上方且高度依次增加，温度测点TCP5-TCP8位于机柜后半部分且高度依次增加。从图7中可以看出，在燃烧开始阶段各测点温度逐渐升高；120s时点火源熄灭，TCP1温度下降，之后TCP1检测的温度为机箱下表面与1U风扇盒燃烧温度，逐渐稳定于800℃左右。相较于机柜后半部分，着火源上方的温度较低，这是因为机柜后半部分一直存在火焰蔓延，热空气不断产生且未及时流出，造成热量聚集在机柜后部中部高度。

图7 热电偶测温Fig.7 Thermocouple temperature measurement

5.4.2 X轴方向温度场

沿着X=0m平面不同时刻温度场如图8，从图中可以看出机柜火灾沿Y轴方向的发展过程。200s时机箱大面积燃烧，热解产生的可燃气体向机柜后部上升，顶部位置烟气层温度升高，达到200℃左右；400s时，顶部温度达到350℃，高温烟气聚集在机柜后部出风口处。500s时，随着燃烧反应的进行，温度持续升高，热烟气层开始绕过前盲板，向机柜盲板前部下移。700s后，X=0平面内机柜后部温度迅速升高，整个平面内大范围温度升到400℃左右。1300s时，整个平面内大范围温度升到500℃及以上，此时温度已达到机柜内绝大多数可燃物燃点，火灾燃烧强度隐患加剧。整个过程中机柜出风口处在烟气的作用下，温度较其他区域内的温度高。从温度场可以看出，火灾发生后沿X轴方向发展趋势明显。

图8 X轴方向温度场Fig.8 Temperature field in X-axis direction

5.4.3 Y轴方向温度场

沿着燃烧火源Y=0m平面不同时刻温度场如图9，从图中可以看出机柜火灾沿X轴方向发展过程。200s时只有机柜下表面大面积燃烧，顶部位置烟气层温度升高，达到200℃左右；400s开始，6U机箱和机柜顶部温度较高。700s后，Y=0平面机柜内部温度迅速升高，整个平面内大范围温度升到300℃以上。1300s时，平面内上顶部温度达到350℃，机箱着火点处温度较高，温度最高达到650℃，中间部分温度较低到达250℃。

图9 Y轴方向温度场Fig.9 Temperature field in Y-axis direction

6 结论

根据建立的安全级DCS机柜火灾仿真流程，对机柜火灾仿真模拟结果分析，发现设计的安全级DCS机柜随着时间的变化，机柜内火灾燃烧反应加剧，且内部温度逐步升高500℃及以上后，该温度已达到机柜内绝大多数可燃物燃点，存在较大的火灾燃烧强度隐患。对该台机柜燃烧剧烈点进行分析后，发现可在流场、结构方面对机柜进行优化改进，同时对机柜中热-结构的多物理场耦合问题进行分析和测试[9]，来减少机柜内火灾蔓延，为火灾的预防提供有效支撑，便于后期消防等设计。根据改进路径后续欲在如下几方面进行优化改进，从而降低机柜着火概率：①机柜风扇优化；②机柜进风口优化设计；③机柜出门口优化设计；④机柜结构优化设计。