核岛防火区火灾荷载量化评估研究

杨伟涛，王 威

(1.江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082)

0 引言

核电厂设计阶段的火灾危害性分析主要基于机组装料前固定可燃物的布置情况。HAF 102—2016《核动力厂设计安全规定》第5.2.4.1 条要求“必须进行核动力厂火灾危害性分析，以确定所需的防火屏障耐火能力，并且提供必要能力的火灾探测系统和灭火系统”。故在设计阶段，需将冗余设置的安全重要物项分开布置在不同防火区，从而确保火灾发生时不会引起共模失效，实现机组安全停堆功能，以防止事故进一步扩大。

核电厂转入运行后，可燃物料的火灾荷载评估是火灾危害性分析的基础。从核安全的角度分析，机组运行后消防管理人员需熟悉核岛防火区内可燃物火灾荷载的现状，关注技改引入可燃物变更及临时可燃物的存放，从而确保防火区的原有防火屏障和消防设计满足要求。

1 火灾荷载和可持续时间

1.1 火灾荷载及火灾荷载密度

1.1.1 火灾荷载

火灾荷载是指防火区内所有可燃物燃烧所释放的热量总和，单位为MJ。计算公式见式(1)。

其中，Lf为火灾荷载，MJ；Mi为各种可燃物质量，kg；Ci为各可燃物相对应的燃烧热值，MJ/kg；i为可燃物的类别。

1.1.2 火灾荷载密度

火灾荷载密度是指设定房间内按地面的单位面积计算的火灾荷载，单位为MJ/m2。计算公式见式(2)。

其中，If为火灾荷载密度，MJ/m2；A为防火区的地面表面积，m2。

例如：某核电厂1 号机组安全厂房UCB5129防火区设有自动气体灭火系统，防火区内可燃物及火灾荷载分别为电缆(等效PVC 质量) 572.87 kg，火灾载荷10 300.16 MJ；电气设备(等效PVC 质量) 10.00 kg，火灾载荷179.80 MJ；油漆98.53 kg，火灾载荷2 059.27 MJ。由此计算出防火区总火灾荷载为12 539.23 MJ，该防火区总面积为28.40 m2，故防火区火灾荷载密度为441.52 MJ/m2。

1.2 火灾可持续时间

火灾持续时间是假设防火区内所有可燃物燃尽且不考虑任何灭火干预行动，可通过比对国际标准燃烧曲线而获得。根据防火区平均火灾荷载密度及国际标准燃烧曲线，得出火灾可持续时间和最高温度。其中最高温度是指在火灾持续时间内防火区内的最高环境温度，计算公式见式(3)。

其中，t为时间，min；T为t时刻的温度，℃；T0为初始温度，℃。

根据国际标准燃烧曲线可知：若火灾荷载密度If＜1 070.00MJ/m2，则火灾持续时间t=0.048 66×If；若1070.00MJ/m2＜If＜2 550.00 MJ/m2，t=0.090 36×If-44.496。因此，该安全厂房UCB5129 防火区火灾荷载密度为441.52 MJ/m2(小于1 070.00 MJ/m2)，得出防火区火灾持续时间为t=21.48 min。

2 火灾荷载裕量确定方法及分析原则

2.1 火灾荷载裕量确定方法

结合该核电厂各机组的火灾危害性分析报告，梳理各机组核岛防火区火灾荷载现状，计算出各防火区最大允许火灾荷载限值和火灾荷载裕量。由于火灾荷载跟可燃物热值密切相关，根据机组运行期间可能引入的临时可燃物种类，经调研其他核电厂机组不同可燃物的热值取值，给出各类可燃物的火灾荷载评估推荐值，为评价技术改造后的火灾危害和管理临时可燃物存放提供支撑。

2.2 火灾荷载裕量分析原则

2.2.1 一般方法

为确保核岛厂房防火区的安全，在确定最大容许火灾荷载时需考虑一定安全裕量。对于边界完全封闭的防火区，根据区域内是否设有固定灭火系统，有以下两种情况。

1) 设有固定灭火系统的防火区。安全裕量取耐火极限的10 %且不少于10 min 计算，得出容许火灾持续时间；通过查阅国际标准中燃烧曲线(火灾荷载密度和火灾持续时间的对应关系曲线)，得出防火区的最大容许火灾荷载。

例如：1 号机组安全厂房UKD4003 防火区耐火极限为120 min，设有固定灭火系统。根据安全裕量取耐火极限的10 %且不少于10 min 的原则，最大容许火灾荷载密度为108 min 的对应值，即1 687.00 MJ/m2。防火区现有火灾荷载密度为1 426.00 MJ/m2，总面积为3.90 m2，故火灾荷载裕量为1 017.90 MJ。

2) 未设固定灭火系统的防火区。按照最大容许火灾荷载不超过固定灭火系统设置的原则，如设计阶段要求火灾荷载密度大于400.00 MJ/m2的防火区安装固定灭火系统，机组运行后对于未设置固定灭火系统的防火区，可燃物的最大容许荷载按400.00 MJ/m2计算。防火区火灾荷载裕量=(最大容许火灾荷载密度-现有火灾荷载密度)×防火区地面面积。

例如：3 号机组安全厂房UKD00S130 防火区耐火极限为120 min，火灾危害性分析报告中的火灾荷载密度为129.82 MJ/m2，未设置固定灭火系统，故最大容许火灾荷载为400.00 MJ/m2。该防火区的总面积为1 391.70 m2，故火灾荷载裕量为376 009.50 MJ。

2.2.2 特殊情况

由于核岛厂房部分区域要求严格控制可燃物，或原可燃物量已超过边界容许耐火极限限值等原因，因此符合下列情况的防火区建议其最大容许火灾荷载值等于原设计总火灾荷载值(火灾危害性分析报告中的计算结果)。

1) 未设置固定灭火系统且原设计火灾荷载密度大于设置准则(如400.00 MJ/m2)的防火区。

2) 用于人员疏散的防火小区以及原设计中边界没有耐火极限要求的区域。

3) 主控室、远程停堆工作站所在防火区。

4) 设计火灾持续时间(火灾危害性分析报告中的计算结果)等于或大于防火区耐火极限要求的区域，如应急柴油发电机厂房主贮油罐间等。

例如：2 号机组电气厂房UCB5130 防火区(主控室所在防火区)耐火极限为120 min，防火区的总面积为76.10 m2。按照一般方法，该防火区未设置固定灭火系统，故最大容许火灾荷载为400.00 MJ/m2，按此方法计算最大容许火灾荷载值应为30 440.00 MJ；然而该防火区适用于特殊情况，火灾危害性分析报告中的火灾荷载密度为189.73 MJ/m2，防火区最大容许火灾荷载值为14 439.00 MJ，故最大容许火灾荷载值为14 439.00 MJ，即最大容许火灾荷载值等于原设计的总火灾荷载值，不允许再存放可燃物项。

3 防火区火灾荷载裕量与可燃物热值确定

3.1 防火区和火灾荷载裕量

防火区设置的目的是在规定时间内防止火灾蔓延，通过保持防火区边界的完整性予以实现，具体方法有以下两种。

方法一：采用具有足够耐火极限的防火屏障作为边界，使火灾在该屏障遭到破坏前停止燃烧。

方法二：提供足够的能动和非能动的防火手段，并与防火屏障的耐火极限一起使火灾在屏障遭到破坏之前被扑灭。

该核电厂各机组核岛厂房防火区划分时优先采用方法一，即根据防火区内火灾荷载及其燃烧时间确定防火区边界的耐火极限，不考虑使用实际存在的灭火装置。对于少数局部火灾荷载过高的防火区应采用方法二，同时为减轻火灾后果，防火区内应配备足够的火灾自动报警和灭火装置。其中主控室、备用控制室、高火灾荷载的房间若属于同一安全通道内的安全系统房间，则应单独划分为独立的防火区；通常火灾荷载差异很大的房间应划分在不同的防火区内，故控制区和非控制区的房间分别划分在不同的防火区内；另外，具有高火灾荷载的房间只有经过特殊论证后才能与其他房间划分在同一个防火区内。

该核电厂1、2 号机组核岛共划分为600 多个防火区，3、4 号机组核岛共划分500 多个防火区，5、6 号机组核岛共划分200 多个防火区(防火区数量差异大的主要原因是机组堆型差异以及选用的技术路线不同)。基于各机组的火灾危害性分析报告，按照前述火灾荷载裕量分析原则，计算出各机组核岛防火区最大允许火灾荷载限值和火灾荷载裕量，形成数据库。

3.2 可燃物热值的确定

机组运行后，核岛防火区内引入的可燃物可分为临时可燃物和固定可燃物两种。其中临时可燃物主要由日常维修引入，该类可燃物进入防火区时会有严格的管控流程和许可制度，如动火许可、物项存放许可等，同时工作人员也会在现场监护，直至维修工作结束临时可燃物全部撤出。考虑机组运行后发生的技术改造和物项变更，为提前积累火灾危害性分析定期审查所需资料，引入可燃物的相关信息需做记录和存档，如物项修改涉及的房间号和防火区名称、物项名称、材料类型、重量等。

通过调研目前国内核电厂可燃材料的类型、热值选取情况及国内标准提供的数据，发现机组在运行过程中对可燃物进行管控时，一般根据可燃物类型和参考各种材料热值，再结合可燃物质量或体积来评估火灾荷载。考虑到核电厂各机组内存在大量的电缆和电气柜，故对电缆的火灾荷载评估提供一些测算方法。电缆由导线(铜或铝)、绝缘层、金属屏蔽、护套等组成，材料类型主要为交联聚乙烯(XLPE)、PVC 和橡胶等，电缆火灾荷载评估时首先考虑采用聚丙烯(PP)的燃烧热值×总质量，如果火灾风险超出可控范围，且又无其他替代方案时可再根据具体的材料组成和比重做详细分析。

4 火灾荷载量化评估的应用

依据火灾荷载分析原则，并结合火灾危害性分析报告，计算出机组核岛各防火区内火灾荷载裕量，核岛防火区火灾荷载数据库；通过调研目前国内核电厂可燃材料的类型和热值选取情况，以及国内标准提供的数据，建立可燃物热值数据库。以核岛防火区火灾荷载数据库和可燃物热值数据库为基础，建立基于火灾荷载量化评估的可燃物项存放管理流程，实现在核岛防火区内存放可燃物项时，自动对比各防火区火灾荷载裕量，并根据对比结果给出评估意见，帮助消防管理人员评价新引入可燃物的存放风险，为核电厂各机组核岛防火区可燃物精细化管理提供技术支持。可燃物项存放管理运用平台操作时有以下三个步骤。

1) 创建申请。在流程中创建厂房物项存放申请，选择“核岛”区域，填写房间号后会自动匹配和显示“防火区”“防火区类型”“火灾荷载裕量”。

2)“火灾荷载裕量”管理要求。当选择“核岛”且“物资类型”选择为“可燃物项”时，则提示“当前选择为核岛可燃物项，必须添加物项”；当匹配房间对应防火区的“火灾荷载裕量”值为“0”时，则显示“当前房间禁止存放可燃物！”，且无法发起流程。

3) 添加可燃物项。当选择“添加核岛可燃物”按钮，通过输入“物项名称”会自动匹配相关物项及其对应物项类型、单位和单位热值，选择对应物项及数量后自动计算火灾荷载，流程批准完成后该火灾荷载会自动计入后台数据。

5 结束语

通过研究和规范核电厂核岛防火管理工作，在预防火灾发生、控制火灾蔓延、确保火灾发生后反应堆安全停堆等方面具有一定的指导意义；且火灾荷载评估方法定量化，不仅使防火工作增加了抓手，同时对核电厂火灾危害性分析报告的定期升版及构建消防监督管理信息化平台提供了技术支撑和数据支持。核电厂火灾不仅会造成一定的经济损失，还会形成较大的社会舆论压力。防止或减少火灾发生，就是在降低企业安全生产管理的成本，提高企业安全管理的效益，同时保护人身、设备安全不受威胁，保障核电机组安全稳定运行。