某核电厂蓄电池间通风系统防火响应分析与改进

林佳 刘超杰 昌薇薇

（中国核电工程有限公司华东分公司 浙江嘉兴 314000）

1 背景

蓄电池作为核电站的应急电源，在整个核电站电气系统中发挥着重要作用［1］。蓄电池组与充电器、配电柜一起构成了48V、110V、220V3个电压等级的直流电源系统。这些系统分别为核电厂逻辑控制回路、核测量仪表、中压柜开关操作回路、交流不间断电源的逆变器回路提供直流电源。在正常运行状态下，蓄电池组与充电器并联供电至配电柜直流母线，以浮充电方式运行，正常运行时，由充电器带负荷并保证蓄电池处于充满状态；在充电器发生故障或供充电器的交流电源失去时，蓄电池组不间断地向用电设备提供直流电源，并且最少维持1h。蓄电池组也可提供瞬时尖峰负荷需要的电流。

蓄电池间设置在电气厂房+3.8m，蓄电池分为A、B两列，采用核安全级（1E）GFD 固定型防酸铅酸蓄电池。由于铅酸蓄电池在充电时水的电解，即当充电达到一定电压时（一般在2.3V/单体以上），在蓄电池的正极上放出氧气，负极上放出氢气，特别在充电末期氢释放较多。根据核岛蓄电池设备运行维护手册，蓄电池靠近明火或由静电感应产生的火花，可能引起氢氧气体爆炸，对操作人员、蓄电池均有损伤危险。蓄电池间通风应按防爆系统设计，同时保证换气次数，及时排除房间内的氢气，防止积聚，因此，蓄电池间通风防火设计和运行状态需重点关注。

根据通用起火频率组合表［2］，M310+蓄电池间通用起火频率为0.75×10-3/（堆·年），蓄电池间主要的火源贡献因子为电气危害，蓄电池电解液为质量百分比为31%的硫酸，着火后高温烟气携带硫酸溶液，危害巨大，因此，对于核电厂蓄电池间的火灾的预防和火灾响应防护措施不容忽视。

2 蓄电池间通风系统简介

蓄电池间通风系统属于电缆层通风系统（DVE）的子项，主要功能是满足蓄电池间的通风需求，以维持设备正常运行的环境温度；为蓄电池间提供合适的换气条件（12V/h），采用直流式全新风系统，包括一台100%容量的送风机和一台100%容量的排风机。在寒冷季节，新风通过电加热器进行加热，风机由380V 低压配电盘控制。蓄电池间通风系统的送风量略小于排风量，保证室内有微小的负压，防止氢气积聚和外逸。

如图1 所示，根据蓄电池间通风系统的流程示意图，蓄电池间设置在电气厂房+3.8m，蓄电池分为A、B两列，分别对应防火分区4SFSL0390A和4SFSL0391B。防火分区4SFSL0390A 包括：A 列电缆层，A 列蓄电池间W342、W343、W343、W345，送风机4DVE015ZV，排风机4DVE005ZV，以及B列蓄电池间送风机4DVE008ZV、防火阀4DVE036VAF 和部分防火排风管道。防火分区4SFSL0391B 包括：B 列电缆层，B 列蓄电池间W346、W347、W348，排风机4DVE006ZV。根据核岛火灾分析设计［3］，布置蓄电池间防火分区火灾探测器，蓄电池间火灾探测器由多组感烟火灾探测器和氢气探测器组成。

图1 蓄电池间通风系统流程示意图

3 蓄电池间通风防火响应分析

3.1 通风防火响应情况描述

执行某核电4号机组安全防火分区功能试验规程TP4SFZ17 中防火分区4SFSL0391B 时，模拟B 列蓄电池间内发生火灾时，当触发的火灾探头数量为1时，火灾探测报警系统JDT将触发SJ.9信号并将其送到自动控制系统DCS，由DCS 在主控制室画面KIC 上显示防火分区火灾报警（SFZ 报警）；当触发的火灾探测器数量≥2时，火灾探测报警系统JDT将触发SJ信号并将其送到DCS，由DCS自动发出命令关闭防火阀［4］4DVE03 6VAF。而蓄电池间送、排风机均由380V 低压配电盘上操作，当防火阀关闭时，风机未能及时停运，导致送风机4DVE008ZV 出口被关闭，排风机4DVE006ZV 吸入蓄电池间的高温腐蚀性烟气。

根据电缆层通风系统手册，特殊瞬态运行：如果一个房间失火，关闭防火阀隔离该房间，其相应的DVE系统是否停运，视具体情况而定。隔离包括起火房间（或几个房间）在内的防火区［5］，如果防火区的隔离切断来自风机的气流，通风系统可以手动停运或保持运行。蓄电池间的通风在380V 配电盘上手动启动和停运，因此，对于蓄电池间通风系统的启停需要人为决策。然而，设计并未明确火灾情况下通风系统启停的判断依据，并且由于整个蓄电池间通风系统仅在蓄电池间A/B边界设置了一个防火阀，此时，无论是否停运蓄电池间送排风机，均不利于火灾的控制，无法对火灾进行有效隔离，可能导致发生火灾对应列的蓄电池间和电缆层的灾情有进一步扩大的风险。

3.2 防火响应问题分析

根据核电厂防火HAD102/11［6］，核电厂在所有情况下都必须具备足够的防火能力。应通过在设计上运用纵深防御概念，实现下述3个主要目标，即：（1）防止核电厂发生火灾；（2）快速探测并扑灭核电厂已发生的火灾，从而减轻火灾的危害；（3）限制尚未扑灭的火灾蔓延，从而将火灾对核电厂的影响降至最低。

第一个目标，要求在电厂的设计和运行中将发生火灾的概率降至最低；要求蓄电池间配备适用的强制通风系统，排气管道应位于防火区的最高处；空气湿度应不大于70%，防止因绝缘不合格，导致短路，发生火灾；蓄电池间安装和使用的所有电气设备都应防爆。现有的蓄电池间通风系统达到了防火设计的第一个目标。

第二个目标的实现涉及采用自动和（或）人工消防技术的组合达到火灾的早期探测和扑灭，因而它取决于能动防火技术。蓄电池间属于爆炸性气体混合物环境，需配置氢气探测器对室内氢气浓度实时监测。蓄电池间火灾探测器由多组感烟火灾探测器和氢气探测器组成，同时，在探测器的加工制作中，必须选用耐腐蚀器件和防腐蚀工艺处理，保证探测器的耐酸腐蚀性能。由于蓄电池间的电气设备工作特性（如图2 所示），蓄电池房间内未布置雨淋喷淋系统，灭火只采用了人工消防技术，由消防队员进行火灾干预，使用二氧化碳灭火器手动灭火，而蓄电池间内着火后存在大量携带酸液的高温烟气，增加了灭火的难度和危害性。

图2 蓄电池间防火分区图

第三个目标的实现必须特别强调使用非能动的防火屏蔽和实体分隔，包括在不能实现第一个和第二个目标时，作为最后一道防线的特殊分隔和防火隔断。为了第三个目标的实现，设置了防火分区进行隔离，但是现有设计将蓄电池间与对应列电缆间划分进同一个防火分区，其中，电缆层的火灾危害为电缆电气火灾［7-8］，火灾危害性较大。采用此方案设计的前提是，若火灾在本防火空间发生，相关系统的B列设备将不可用，此时，操纵员可完全依靠A列设备将机组带到安全状态，但此时的防火分区设置不能将火灾对电厂安全重要功能的影响降至最低，火灾会在防火分区内蔓延扩大，导致整列直流电源完全不可用，损失进一步扩大。

根据电缆层通风系统手册，失火情况下控制原则为：“隔离包括起火房间（或几个房间）在内的防火分区，如果防火区的隔离切断来自风机的气流，通风系统可以手动停运或保持运行。”蓄电池间送排风机均需在380V 低压配电盘上手动启停，无自动启停逻辑，则火灾情况下风机状态控制需要人为决策。由上所述，设计并未明确通风系统是否停运的判断标准，风机在火灾情况下停运或保持运行需根据情况讨论研究。现以B 列防火分区火灾时风机是否停运进行讨论：当蓄电池间房间发生火灾时，JDT 火灾探测报警系统信号联锁防火阀4DVE036VAF自动关闭，送风系统中断，蓄电池间内产生高温烟气，烟气温度升高体积膨胀，向外扩散，且烟气会携带硫酸溶液，具有腐蚀性。

（1）若不停运排风机：排风机保持运行，排出着火房间内的烟气，有利于消防响应现场操作人员灭火。但排风机4DVE006ZV未按照防火设计规范进行设计，其要求空气吸入温度仅为10～35℃，同时，风机的进出口软接均未按防火设计。根据通风系统软接头技术规格书，软接头的材料是根据RCC-I 压水堆核电厂防火设计和建造规则1.8.2 条定为M2 级（难燃烧材料），排风机吸入高温腐蚀性烟气，存在由烟气引燃软接导致电缆层起火的风险，火灾进一步扩大。同时，将高温腐蚀性气体直接通过风口排到室外，烟气扩散到厂房外，酸雾遇冷冷凝，可能造成人员受伤。

（2）若消防响应人员在380V 低压配电间停运风机，由于火灾产生高温烟气，烟气温度升高体积膨胀，根据现有风管的布置，烟气极易通过风管扩散到其他蓄电池间，导致整个B 列蓄电池间受到高温腐蚀性烟气的影响，此时，由于通风系统已被停运，无法排出蓄电池释放的氢气，氢气在房间顶部积聚，可能造成火灾的扩散或爆炸，进一步扩大火灾危害。

因此，根据蓄电池间通风系统设计，当火灾情况下，视具体情况停运和保持运行通风系统，无论是否停运通风系统，以现有风管布置方案，均不利于火灾控制，此时的通风消防设计未到达核电厂防火HAD102/11防火设计的第三个目标。

4 改进方案

为满足核电厂防火HAD102/11 的第三个目标，防止尚未扑灭的火灾蔓延，从而将火灾对电厂安全重要功能的影响降至最低，现就蓄电池间通风系统进行以下方面改进。同时，更新核电厂消防行动卡，当蓄电池间发生火灾时，消防响应分为下列两个阶段。

（1）蓄电池间通风管道布置进行修改，以B列蓄电池间通风系统为例，如图3所示，蓄电池间的送排风管均设置防火阀［9］，根据火灾自动探测信号联锁防火阀的关闭，将火灾房间进行单独隔离，且不影响其他房间的正常送排风，防止火灾蔓延，为消防灭火人员提供宝贵的响应时间。

图3 B 列蓄电池流程示意图

（2）排风机及其软接材料采用防火设计，材料需耐火、耐高温、防腐蚀，排风管选择防火风管。排风口需重新布置，不能将高温腐蚀性的烟气直接排放到+3.8m的室外，防止酸雾冷凝腐蚀设备和危害人员健康。当现场消防效应人员进行人工灭火时，将通风系统切换至排烟模式，即关闭未着火房间的出口防火阀［13］，打开着火房间的出口防火阀，此时，着火房间的入口防火阀仍保持关闭，将有害含酸烟气排出，为消防响应人员灭火提供合适条件。送风机保持运行，用于稀释未着火房间的氢气浓度，同时，保持该房间正压，防止临近房间的烟气侵入。

因此，根据上述修改，蓄电池间发生火灾情况下，可以将着火房间单独隔离，且并不影响其他房间的正常送排风，防止火灾蔓延和其他房间内氢气的积聚。灭火过程中，可将通风系统切至排烟模式，将有害含酸烟气排出，为消防响应人员灭火提供合适条件。