楊偉濤，王 威

(1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

核電廠設(shè)計(jì)階段的火災(zāi)危害性分析主要基于機(jī)組裝料前固定可燃物的布置情況。HAF 102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》第5.2.4.1 條要求“必須進(jìn)行核動(dòng)力廠火災(zāi)危害性分析，以確定所需的防火屏障耐火能力，并且提供必要能力的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)”。故在設(shè)計(jì)階段，需將冗余設(shè)置的安全重要物項(xiàng)分開布置在不同防火區(qū)，從而確?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)不會(huì)引起共模失效，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全停堆功能，以防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

核電廠轉(zhuǎn)入運(yùn)行后，可燃物料的火災(zāi)荷載評(píng)估是火災(zāi)危害性分析的基礎(chǔ)。從核安全的角度分析，機(jī)組運(yùn)行后消防管理人員需熟悉核島防火區(qū)內(nèi)可燃物火災(zāi)荷載的現(xiàn)狀，關(guān)注技改引入可燃物變更及臨時(shí)可燃物的存放，從而確保防火區(qū)的原有防火屏障和消防設(shè)計(jì)滿足要求。

1 火災(zāi)荷載和可持續(xù)時(shí)間

1.1 火災(zāi)荷載及火災(zāi)荷載密度

1.1.1 火災(zāi)荷載

火災(zāi)荷載是指防火區(qū)內(nèi)所有可燃物燃燒所釋放的熱量總和，單位為MJ。計(jì)算公式見式(1)。

其中，Lf為火災(zāi)荷載，MJ；Mi為各種可燃物質(zhì)量，kg；Ci為各可燃物相對(duì)應(yīng)的燃燒熱值，MJ/kg；i為可燃物的類別。

1.1.2 火災(zāi)荷載密度

火災(zāi)荷載密度是指設(shè)定房間內(nèi)按地面的單位面積計(jì)算的火災(zāi)荷載，單位為MJ/m2。計(jì)算公式見式(2)。

其中，If為火災(zāi)荷載密度，MJ/m2；A為防火區(qū)的地面表面積，m2。

例如：某核電廠1 號(hào)機(jī)組安全廠房UCB5129防火區(qū)設(shè)有自動(dòng)氣體滅火系統(tǒng)，防火區(qū)內(nèi)可燃物及火災(zāi)荷載分別為電纜(等效PVC 質(zhì)量) 572.87 kg，火災(zāi)載荷10 300.16 MJ；電氣設(shè)備(等效PVC 質(zhì)量) 10.00 kg，火災(zāi)載荷179.80 MJ；油漆98.53 kg，火災(zāi)載荷2 059.27 MJ。由此計(jì)算出防火區(qū)總火災(zāi)荷載為12 539.23 MJ，該防火區(qū)總面積為28.40 m2，故防火區(qū)火災(zāi)荷載密度為441.52 MJ/m2。

1.2 火災(zāi)可持續(xù)時(shí)間

火災(zāi)持續(xù)時(shí)間是假設(shè)防火區(qū)內(nèi)所有可燃物燃盡且不考慮任何滅火干預(yù)行動(dòng)，可通過(guò)比對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)燃燒曲線而獲得。根據(jù)防火區(qū)平均火災(zāi)荷載密度及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)燃燒曲線，得出火災(zāi)可持續(xù)時(shí)間和最高溫度。其中最高溫度是指在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間內(nèi)防火區(qū)內(nèi)的最高環(huán)境溫度，計(jì)算公式見式(3)。

其中，t為時(shí)間，min；T為t時(shí)刻的溫度，℃；T0為初始溫度，℃。

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)燃燒曲線可知：若火災(zāi)荷載密度If＜1 070.00MJ/m2，則火災(zāi)持續(xù)時(shí)間t=0.048 66×If；若1070.00MJ/m2＜If＜2 550.00 MJ/m2，t=0.090 36×If-44.496。因此，該安全廠房UCB5129 防火區(qū)火災(zāi)荷載密度為441.52 MJ/m2(小于1 070.00 MJ/m2)，得出防火區(qū)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為t=21.48 min。

2 火災(zāi)荷載裕量確定方法及分析原則

2.1 火災(zāi)荷載裕量確定方法

結(jié)合該核電廠各機(jī)組的火災(zāi)危害性分析報(bào)告，梳理各機(jī)組核島防火區(qū)火災(zāi)荷載現(xiàn)狀，計(jì)算出各防火區(qū)最大允許火災(zāi)荷載限值和火災(zāi)荷載裕量。由于火災(zāi)荷載跟可燃物熱值密切相關(guān)，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行期間可能引入的臨時(shí)可燃物種類，經(jīng)調(diào)研其他核電廠機(jī)組不同可燃物的熱值取值，給出各類可燃物的火災(zāi)荷載評(píng)估推薦值，為評(píng)價(jià)技術(shù)改造后的火災(zāi)危害和管理臨時(shí)可燃物存放提供支撐。

2.2 火災(zāi)荷載裕量分析原則

2.2.1 一般方法

為確保核島廠房防火區(qū)的安全，在確定最大容許火災(zāi)荷載時(shí)需考慮一定安全裕量。對(duì)于邊界完全封閉的防火區(qū)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)是否設(shè)有固定滅火系統(tǒng)，有以下兩種情況。

1) 設(shè)有固定滅火系統(tǒng)的防火區(qū)。安全裕量取耐火極限的10 %且不少于10 min 計(jì)算，得出容許火災(zāi)持續(xù)時(shí)間；通過(guò)查閱國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中燃燒曲線(火災(zāi)荷載密度和火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線)，得出防火區(qū)的最大容許火災(zāi)荷載。

例如：1 號(hào)機(jī)組安全廠房UKD4003 防火區(qū)耐火極限為120 min，設(shè)有固定滅火系統(tǒng)。根據(jù)安全裕量取耐火極限的10 %且不少于10 min 的原則，最大容許火災(zāi)荷載密度為108 min 的對(duì)應(yīng)值，即1 687.00 MJ/m2。防火區(qū)現(xiàn)有火災(zāi)荷載密度為1 426.00 MJ/m2，總面積為3.90 m2，故火災(zāi)荷載裕量為1 017.90 MJ。

2) 未設(shè)固定滅火系統(tǒng)的防火區(qū)。按照最大容許火災(zāi)荷載不超過(guò)固定滅火系統(tǒng)設(shè)置的原則，如設(shè)計(jì)階段要求火災(zāi)荷載密度大于400.00 MJ/m2的防火區(qū)安裝固定滅火系統(tǒng)，機(jī)組運(yùn)行后對(duì)于未設(shè)置固定滅火系統(tǒng)的防火區(qū)，可燃物的最大容許荷載按400.00 MJ/m2計(jì)算。防火區(qū)火災(zāi)荷載裕量=(最大容許火災(zāi)荷載密度-現(xiàn)有火災(zāi)荷載密度)×防火區(qū)地面面積。

例如：3 號(hào)機(jī)組安全廠房UKD00S130 防火區(qū)耐火極限為120 min，火災(zāi)危害性分析報(bào)告中的火災(zāi)荷載密度為129.82 MJ/m2，未設(shè)置固定滅火系統(tǒng)，故最大容許火災(zāi)荷載為400.00 MJ/m2。該防火區(qū)的總面積為1 391.70 m2，故火災(zāi)荷載裕量為376 009.50 MJ。

2.2.2 特殊情況

由于核島廠房部分區(qū)域要求嚴(yán)格控制可燃物，或原可燃物量已超過(guò)邊界容許耐火極限限值等原因，因此符合下列情況的防火區(qū)建議其最大容許火災(zāi)荷載值等于原設(shè)計(jì)總火災(zāi)荷載值(火災(zāi)危害性分析報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果)。

1) 未設(shè)置固定滅火系統(tǒng)且原設(shè)計(jì)火災(zāi)荷載密度大于設(shè)置準(zhǔn)則(如400.00 MJ/m2)的防火區(qū)。

2) 用于人員疏散的防火小區(qū)以及原設(shè)計(jì)中邊界沒有耐火極限要求的區(qū)域。

3) 主控室、遠(yuǎn)程停堆工作站所在防火區(qū)。

4) 設(shè)計(jì)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間(火災(zāi)危害性分析報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果)等于或大于防火區(qū)耐火極限要求的區(qū)域，如應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)廠房主貯油罐間等。

例如：2 號(hào)機(jī)組電氣廠房UCB5130 防火區(qū)(主控室所在防火區(qū))耐火極限為120 min，防火區(qū)的總面積為76.10 m2。按照一般方法，該防火區(qū)未設(shè)置固定滅火系統(tǒng)，故最大容許火災(zāi)荷載為400.00 MJ/m2，按此方法計(jì)算最大容許火災(zāi)荷載值應(yīng)為30 440.00 MJ；然而該防火區(qū)適用于特殊情況，火災(zāi)危害性分析報(bào)告中的火災(zāi)荷載密度為189.73 MJ/m2，防火區(qū)最大容許火災(zāi)荷載值為14 439.00 MJ，故最大容許火災(zāi)荷載值為14 439.00 MJ，即最大容許火災(zāi)荷載值等于原設(shè)計(jì)的總火災(zāi)荷載值，不允許再存放可燃物項(xiàng)。

3 防火區(qū)火災(zāi)荷載裕量與可燃物熱值確定

3.1 防火區(qū)和火災(zāi)荷載裕量

防火區(qū)設(shè)置的目的是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)防止火災(zāi)蔓延，通過(guò)保持防火區(qū)邊界的完整性予以實(shí)現(xiàn)，具體方法有以下兩種。

方法一：采用具有足夠耐火極限的防火屏障作為邊界，使火災(zāi)在該屏障遭到破壞前停止燃燒。

方法二：提供足夠的能動(dòng)和非能動(dòng)的防火手段，并與防火屏障的耐火極限一起使火災(zāi)在屏障遭到破壞之前被撲滅。

該核電廠各機(jī)組核島廠房防火區(qū)劃分時(shí)優(yōu)先采用方法一，即根據(jù)防火區(qū)內(nèi)火災(zāi)荷載及其燃燒時(shí)間確定防火區(qū)邊界的耐火極限，不考慮使用實(shí)際存在的滅火裝置。對(duì)于少數(shù)局部火災(zāi)荷載過(guò)高的防火區(qū)應(yīng)采用方法二，同時(shí)為減輕火災(zāi)后果，防火區(qū)內(nèi)應(yīng)配備足夠的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和滅火裝置。其中主控室、備用控制室、高火災(zāi)荷載的房間若屬于同一安全通道內(nèi)的安全系統(tǒng)房間，則應(yīng)單獨(dú)劃分為獨(dú)立的防火區(qū)；通?；馂?zāi)荷載差異很大的房間應(yīng)劃分在不同的防火區(qū)內(nèi)，故控制區(qū)和非控制區(qū)的房間分別劃分在不同的防火區(qū)內(nèi)；另外，具有高火災(zāi)荷載的房間只有經(jīng)過(guò)特殊論證后才能與其他房間劃分在同一個(gè)防火區(qū)內(nèi)。

該核電廠1、2 號(hào)機(jī)組核島共劃分為600 多個(gè)防火區(qū)，3、4 號(hào)機(jī)組核島共劃分500 多個(gè)防火區(qū)，5、6 號(hào)機(jī)組核島共劃分200 多個(gè)防火區(qū)(防火區(qū)數(shù)量差異大的主要原因是機(jī)組堆型差異以及選用的技術(shù)路線不同)。基于各機(jī)組的火災(zāi)危害性分析報(bào)告，按照前述火災(zāi)荷載裕量分析原則，計(jì)算出各機(jī)組核島防火區(qū)最大允許火災(zāi)荷載限值和火災(zāi)荷載裕量，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 可燃物熱值的確定

機(jī)組運(yùn)行后，核島防火區(qū)內(nèi)引入的可燃物可分為臨時(shí)可燃物和固定可燃物兩種。其中臨時(shí)可燃物主要由日常維修引入，該類可燃物進(jìn)入防火區(qū)時(shí)會(huì)有嚴(yán)格的管控流程和許可制度，如動(dòng)火許可、物項(xiàng)存放許可等，同時(shí)工作人員也會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，直至維修工作結(jié)束臨時(shí)可燃物全部撤出。考慮機(jī)組運(yùn)行后發(fā)生的技術(shù)改造和物項(xiàng)變更，為提前積累火災(zāi)危害性分析定期審查所需資料，引入可燃物的相關(guān)信息需做記錄和存檔，如物項(xiàng)修改涉及的房間號(hào)和防火區(qū)名稱、物項(xiàng)名稱、材料類型、重量等。

通過(guò)調(diào)研目前國(guó)內(nèi)核電廠可燃材料的類型、熱值選取情況及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)可燃物進(jìn)行管控時(shí)，一般根據(jù)可燃物類型和參考各種材料熱值，再結(jié)合可燃物質(zhì)量或體積來(lái)評(píng)估火災(zāi)荷載?？紤]到核電廠各機(jī)組內(nèi)存在大量的電纜和電氣柜，故對(duì)電纜的火災(zāi)荷載評(píng)估提供一些測(cè)算方法。電纜由導(dǎo)線(銅或鋁)、絕緣層、金屬屏蔽、護(hù)套等組成，材料類型主要為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)、PVC 和橡膠等，電纜火災(zāi)荷載評(píng)估時(shí)首先考慮采用聚丙烯(PP)的燃燒熱值×總質(zhì)量，如果火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)超出可控范圍，且又無(wú)其他替代方案時(shí)可再根據(jù)具體的材料組成和比重做詳細(xì)分析。

4 火災(zāi)荷載量化評(píng)估的應(yīng)用

依據(jù)火災(zāi)荷載分析原則，并結(jié)合火災(zāi)危害性分析報(bào)告，計(jì)算出機(jī)組核島各防火區(qū)內(nèi)火災(zāi)荷載裕量，核島防火區(qū)火災(zāi)荷載數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)調(diào)研目前國(guó)內(nèi)核電廠可燃材料的類型和熱值選取情況，以及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)，建立可燃物熱值數(shù)據(jù)庫(kù)。以核島防火區(qū)火災(zāi)荷載數(shù)據(jù)庫(kù)和可燃物熱值數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，建立基于火災(zāi)荷載量化評(píng)估的可燃物項(xiàng)存放管理流程，實(shí)現(xiàn)在核島防火區(qū)內(nèi)存放可燃物項(xiàng)時(shí)，自動(dòng)對(duì)比各防火區(qū)火災(zāi)荷載裕量，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果給出評(píng)估意見，幫助消防管理人員評(píng)價(jià)新引入可燃物的存放風(fēng)險(xiǎn)，為核電廠各機(jī)組核島防火區(qū)可燃物精細(xì)化管理提供技術(shù)支持?？扇嘉镯?xiàng)存放管理運(yùn)用平臺(tái)操作時(shí)有以下三個(gè)步驟。

1) 創(chuàng)建申請(qǐng)。在流程中創(chuàng)建廠房物項(xiàng)存放申請(qǐng)，選擇“核島”區(qū)域，填寫房間號(hào)后會(huì)自動(dòng)匹配和顯示“防火區(qū)”“防火區(qū)類型”“火災(zāi)荷載裕量”。

2)“火災(zāi)荷載裕量”管理要求。當(dāng)選擇“核島”且“物資類型”選擇為“可燃物項(xiàng)”時(shí)，則提示“當(dāng)前選擇為核島可燃物項(xiàng)，必須添加物項(xiàng)”；當(dāng)匹配房間對(duì)應(yīng)防火區(qū)的“火災(zāi)荷載裕量”值為“0”時(shí)，則顯示“當(dāng)前房間禁止存放可燃物！”，且無(wú)法發(fā)起流程。

3) 添加可燃物項(xiàng)。當(dāng)選擇“添加核島可燃物”按鈕，通過(guò)輸入“物項(xiàng)名稱”會(huì)自動(dòng)匹配相關(guān)物項(xiàng)及其對(duì)應(yīng)物項(xiàng)類型、單位和單位熱值，選擇對(duì)應(yīng)物項(xiàng)及數(shù)量后自動(dòng)計(jì)算火災(zāi)荷載，流程批準(zhǔn)完成后該火災(zāi)荷載會(huì)自動(dòng)計(jì)入后臺(tái)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究和規(guī)范核電廠核島防火管理工作，在預(yù)防火災(zāi)發(fā)生、控制火災(zāi)蔓延、確保火災(zāi)發(fā)生后反應(yīng)堆安全停堆等方面具有一定的指導(dǎo)意義；且火災(zāi)荷載評(píng)估方法定量化，不僅使防火工作增加了抓手，同時(shí)對(duì)核電廠火災(zāi)危害性分析報(bào)告的定期升版及構(gòu)建消防監(jiān)督管理信息化平臺(tái)提供了技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。核電廠火災(zāi)不僅會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)形成較大的社會(huì)輿論壓力。防止或減少火災(zāi)發(fā)生，就是在降低企業(yè)安全生產(chǎn)管理的成本，提高企業(yè)安全管理的效益，同時(shí)保護(hù)人身、設(shè)備安全不受威脅，保障核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。