核电厂安全级DCS机柜火灾薄弱部位优化分析

2023-01-28楠1刘明明1刘全东1吴2李尉弘1兴2

仪器仪表用户 2023年2期

高楠1，刘明明1，刘全东1，覃吴2，李尉弘1，郑兴2

（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）

在《核电厂安全级DCS机柜可燃物分析及火灾仿真模拟》[1]一文中，通过对设计的一台安全级DCS机柜火灾仿真模拟发现，机柜存在部分火灾隐患。因此，本文主要针对机柜内的火灾隐患点（即火灾薄弱部位）进行分析，基于热-结构的多物理场耦合问题，在流场、结构等方面对机柜进行优化改进，为火灾的预防提供有效支撑，便于后期消防等设计，主要优化改进方案集中在机柜进出风口优化、机柜流场优化、机柜结构优化等方面。

1 机柜火灾薄弱环节分析

1.1 防火分区不足

机柜前后部分与上下部分的防火分区的划分[2,3]存在不足的地方，机柜内部后半部分侧面电气设备之间、机箱后部（如终端单元等）同上下及侧面电气设备之间实体屏障不足。同时，机柜内后半部分设备类型多、结构复杂，电缆易出现过载、过热和热负荷，导致线路过热，引起火灾。当火灾发生时，由于缺少有效的屏障，将导致机柜内火焰易向上、向后蔓延，进而引燃其他部位的电气设备，增加火灾隐患，扩大火灾损失。而通过增设盲板等屏障来设立防火分区，利用防火屏障实体隔离火焰把火灾限制在防火区内，隔离潜在的火灾，可使火灾的蔓延风险及随之产生的CO、CO2、HCN等有毒气体的危害降到最小化[4]。

1.2 通风设计存在不足

在正常运行和事故工况下，机柜主要通过前门板上的通风孔及后门板上的柜门风扇进行通风和排烟。当发生火灾时，无法及时降低柜内温度，阻止有毒气体的蔓延扩散。为改善机柜环境，降低电气设备火灾风险，保证火灾发生时能够及时有效减缓机柜内温度上升速度，防止火灾蔓延、烟雾扩散，可适当增设通风口。事故状态下，及时加快机柜内空气流速，降低柜内温度，减缓温度上升速度，防止烟雾气扩散并及时排出柜外。

1.3 火灾探测类型单一

机柜内设置温度调节器进行温度监控，当机柜内温度达到45℃时，会自动报警。对于机柜内电气设备或电缆阴燃以及火灾初期阶段，机柜内温度变化不大，存在监视盲区，难以及早发现并响应。因此，通过添加探测范围大的探测装置（如：红外火焰探测器、红外对射式感烟探测器等）[4]来加强火灾自动报警系统对机柜的监视，补充火灾探测方式，将火灾扑灭在初期增长阶段，降低机柜内的电子设备和线路的损害。

2 机柜火灾薄弱点优化

根据《核电厂安全级DCS机柜可燃物分析及火灾仿真模拟》一文及第1章节火灾薄弱点的分析可以发现，通过对机柜的结构、流场等多个方面进行优化改进，可降低机柜火灾危害等级，下面对各个改进方向进行分析。

2.1 机柜进出风口优化

对安全级DCS机柜火灾仿真模拟发现，进风口进风速率较慢和出风口排风速率较慢是导致安全级DCS机柜上部温度较高的原因。通过增加机柜进风口，及时将低温气体带到机柜内，或者通过增加机柜出风口/改进风扇速率，及时将高温气体排放到环境中，可使机柜内部温度下降，从而降低机柜火灾危害等级。本文机柜进出风口的优化方案主要有3个，分别如下：

方案一：在初始安全级DCS机柜的基础上，上出风口下方再增加两个出风口，如图1。

图1 方案一改造后的机柜模型Fig.1 Cabinet model after scheme I reconstruction

对比分析改造前后相同位置的8个热电偶温度，如图2。从图2中可以看出，机柜内各点的温度并没有下降，甚至个别点的温度高于改造前温度。这可能是因为下方的新开口没有成为出风口，而是起到进风口的效果，增加了机柜后半部分氧气量，使可燃性气体得到了更充分的燃烧。因此，此优化方案不可行。

图2 热电偶测温（左侧为改造前，右侧为改造后）Fig.2 Thermocouple temperature measurement (the left side is before reconstruction, and the right side is after reconstruction)

方案二：在初始安全级DCS机柜的基础上，机柜的另外3个表面也增加出风口，如图3。

图3 方案二改造后的机柜模型Fig.3 Cabinet model after transformation in Scheme II

对比改造前后相同位置的8个热电偶温度，如图4。从图4中可以看出，在前200s的时间内，机柜内各点的温度都有一定的下降，特别是改造后的机柜后半部分的温度较改造前有了明显的降低。但400s后，改造后的各点温度较改造前有了很大的提高。这可能是因为前200s时，燃烧反应刚开始，可燃物热解产生的可燃性气体较少，机柜内的氧气是充足的，开口的增加有利于机柜内部与环境的散热，从而使机柜内温度下降。400s后，燃烧反应剧烈，可燃物热解的可燃性气体较多，开口的增加反而促进了氧气与可燃性气体的接触，有利于可燃性气体燃烧，从而机柜内温度增高。不过鉴于现实中，200s是可以满足烟气检测器或工作人员发现的，且200s时，机柜内部温度已达到温度调节器的报警值（温度设置值为45℃），因此可以适当增加出风口来降低火灾前期的危害。

图4 热电偶测温（左侧为改造前，右侧为改造后）Fig.4 Thermocouple temperature measurement (left side is before reconstruction, right side is after reconstruction)

方案三：在初始安全级DCS机柜的基础上，在机柜的出风口处设计4m/s的风扇，增加机柜内与外界的空气交换速率，如图5。

图5 方案三改造后的机柜模型Fig.5 Cabinet model after scheme III reconstruction

对比改造前后相同位置的8个热电偶温度，如图6。从图6中可以看出，各点的温度并没有下降，甚至个别点的温度高于改造前温度。这可能是因为风扇加速了机柜内的空气流动，使机柜进氧量增加，燃烧反应更加充分。因此，此优化方案不可行。

图6 热电偶测温（左侧为改造前，右侧为改造后）Fig.6 Thermocouple temperature measurement (left side is before reconstruction, right side is after reconstruction)

2.2 机柜流场优化

机柜内部流场分布也会影响安全级DCS机柜温度变化。通过优化机柜内部流场，对机柜内部温度变化可以起到提前预测。机柜内部流场Fluent仿真与分析如下：

仿真流程主要为：模型建立→单位标定→参数设置→划分网格→仿真计算→后处理→结论[5]。后处理中主要关注机柜内部流体轨迹情况。

借助spaceclaim软件中抽壳功能实现实体与空间的转化，来实现对机柜中流场的建模，以模拟自然通风情况下柜内流场变化。机柜前下部为矩形排列的5×16个气流进口，后上部为一左一右两个气流出口，设置中层机箱为热源，温度设置为1100K。机柜内部流场分布如图7。

根据图7可以看出机柜内热源处空气流通效果较差，流速仅为0.23m/s，且机柜上部空气流通情况较差。现根据以上两点提出优化方案：在机柜出口处再增加两个门板风扇盒，通过设置出口空气流速为4m/s来模拟风扇对流场的影响，优化后机柜内部空气流速云图如图8。

图7 机柜内部流场分布示意图Fig.7 Schematic diagram of flow field distribution inside the cabinet

从图8中可以明显看出，在机柜出风口处加装风扇后，热源附近的空气流动情况得到了极大的改善，从0.23m/s～1.35m/s，同时机柜上部空气流通效果得到改善。

图8 优化后机柜内部空气流速云图Fig.8 Cloud chart of air flow rate inside the cabinet after optimization

从Fluent模拟结果可以看出，通过加装门板风扇盒并提高风扇速率，可以有效改善火灾发生时机箱处及机柜上部空气流动情况，使火源附近空气流动与机柜上部空气流通得到改善。但结合机柜进出风口方案三FDS模拟结果分析，热电偶所测各点的温度并没有下降，甚至个别点的温度高于改造前温度。这是因为风扇改善了机柜内的空气流动情况，机柜进氧量增加。机柜内氧气与可燃物充分接触，燃烧反应更加充分。因此，此优化方案不可行。