核電站燃料廠房電纜火災共模的模擬

楊 煦，張 建，賀群武，徐 婧

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

壓水堆核電廠對核島廠房劃分防火分區，以保證火災引發的事故工況不會導致執行重要安全功能的兩列設備同時失效，從而確保在事故工況下實現安全停堆。國內部分第二代核電站由于原設計采用的防護標準比較低，燃料廠房部分區域不滿足最新版RCC-I 的相關防火要求。如果存在電纜共模的廠房內發生火災，可能會導致兩列電纜同時失效，造成安全系列的安全重要設備無法執行其安全功能。因此，有必要研究燃料廠房內火災的演變過程，以及分析火災是否會造成廠房內的電纜不可用，以保證在事故工況下安全重要功能得到執行，并且機組能夠實現安全停堆。

FDS 軟件是由美國國家標準研究所(NIST)的建筑與火災研究實驗室(BFRL)開發的以大渦模擬(LES)為基礎的三維計算流體動力學(CFD)軟件。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S 方程,從而計算火災中的煙氣擴散和熱傳遞的過程，模擬火災湍流的演變。該軟件廣泛應用于森工安全等火災安全工程領域，其計算結果的準確性已經得到大量試驗的驗證，NRC 也對該軟件進行了驗證和認可。FDS 軟件除了對研究對象進行建模和計算的主體之外，還包括一個將計算結果圖像化的程序Smokeview。該程序能根據計算的結果，動態展示火災煙氣和熱流在建模的三維空間內的演變過程。

FDS 軟件通過大渦模擬方法求解以下方程組成的流體動力學方程組：

質量守恒方程：

式中，P為壓力；g 為重力加速度；f為外部施加力的矢量；τ為內應力。

能量守恒方程：

式中，h為焓；qr為熱輻射通量；T為溫度；k為導熱系數。

1 計算模型

1.1 RRI，RIS 系統電纜溝房間

核電廠燃料廠房內除存放乏燃料外，也設置有余熱排出系統RIS、重要設備中間冷卻水系統RRI等安全停堆系統。此外，從反應堆廠房內出來的大量動力、儀控電纜都經過燃料廠房進入輔助廠房，然后分別進入主控室和電氣廠房。因此，在燃料廠房和輔助廠房之間有部分廠房存在大量的電纜，房間內包含A，B 兩列電纜，每列電纜包括兩束獨立的電纜。其中最為典型的是K014 廠房。除了這兩列電纜的托盤橋架，房間內的通風管道和工藝系統管道也會對火災產生的煙氣和熱流在房間內的擴散產生影響，因此對這些管道也進行了建模。用于房間建模的主要參數列于表1。

1.2 溫度分析截面

在RRI，RIS 系統電纜橋架房間內適當的位置定義溫度分析截面，以計算在火災演變過程中房間內某平面的溫度變化。截面為穿過A，B 列電纜橋架的水平平面，可用于反映火災過程中電纜上方和下方的空氣溫度隨時間的演變。溫度分析截面的分布以及編號見圖1。

表1 RRI，RIS 系統電纜橋架房間建模的主要參數

圖1 溫度分析截面

此外，在1 號截面與A 列1 號電纜橋架(記作A1)的外表面相交的部分選取4 個溫度分析點，用以計算電纜橋架A1 的4 個不同標高處電纜表面的溫度。同理，2 號截面與A 列2 號電纜橋架(記作A2)外表面相交的部分選取4 個溫度分析點；3號截面與B 列1 號電纜橋架(記作B1)外表面相交的部分選取3 個溫度分析點；4 號截面與B 列2 號電纜橋架(記作B2)外表面相交的部分選取3 個溫度分析點。FDS 軟件在模擬計算的過程中，每經過一個時間步長就記錄一次上述分析點的溫度，從而反映電纜表面的溫度變化。

1.3 火災工況

參考NRC 出版的NUREG-1934 Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines中電纜失效條件相關的內容，考慮在火災發生的初期，標高最低的電纜橋架中的電纜在達到205 ℃的失效溫度時開始點燃，接著該電纜以250 kW/m2的單位面積熱釋放速率持續燃燒，產生的熱流將加熱上方的其它電纜。一旦引燃其它電纜，該電纜同樣以相同的單位面積熱釋放速率燃燒。文中考慮初始時刻電纜橋架A1 的最低電纜發生燃燒，其余電纜表面溫度和環境溫度相同。計算火災持續600 s過程中初始未燃燒的電纜的受損情況。

2 計算結果

2.1 溫度分析截面的溫度演變

分析火災發生后第200 s、第400 s 及第600 s時1 號截面的溫度場分布情況。

電纜橋架A1 的最低電纜開始燃燒之后，迅速產生大量熱流向上方擴散。隨后標高較高的電纜被引燃，RRI，RIS 系統電纜溝房間頂部的空氣被加熱到700 ℃以上。之后，隨著電纜的持續燃燒，可燃物的質量逐漸減少，再加上部分熱流從房間內的開口和房間出口處擴散到房間外部，電纜上方空氣溫度略微下降，1 號截面的溫度場分布逐漸穩定并均勻化。最終電纜上方的空氣溫度約為500 ℃。

圖2 電纜橋架外表面溫度變化

2.2 電纜橋架外表面的溫度演變

圖2 分別給出了電纜橋架A1，A2，B1 和B2的表面溫度隨時間的變化情況。溫度分析點的選取方式在1.2 節中給出，分析點編號原則為分析點所在位置的標高越高，即分析點1 的標高最高，分析點2，3，4 次之。這些分析點代表不同標高處電纜外表面溫度的變化，直觀地反映了電纜受到火災損害的情況。

計算結果顯示，電纜橋架A1 的最高層電纜最先在84 s 左右被點燃，隨后分析點3 附近的電纜在97 s 左右開始燃燒，115 s 左右分析點2 附近的電纜開始燃燒，135 s 左右分析點4 附近的電纜開始燃燒。對于電纜橋架A2，最高層電纜在83 s 左右開始燃燒，隨后分析點3、分析點2 及分析點4 附近的電纜開始燃燒。電纜橋架B1 靠近A 列電纜側的溫度變化與電纜橋架A2 的情況類似。而電纜橋架B2 則只有最高層的電纜在310 s 左右開始燃燒，標高較低的電纜在600 s 的時間內未發生燃燒。

計算結果表明，當一列電纜橋架中的最低層電纜發生燃燒時，火災的發展過程如下：在火災的初級階段0 s～120 s，初始燃燒的電纜迅速產生大量熱流并在房間內擴散，熱流的傳播顯著加熱了電纜上方的空氣，同時使標高較高的電纜表面溫度逐漸升高，當其達到失效溫度時，這部分電纜被引燃，進一步增大熱流密度，最終引發附近的電纜共同燃燒。在火災的發展階段120 s～200 s，多股電纜的共同燃燒使得電纜表面以及周圍空氣的溫度急劇上升，大量的煙氣和熱流在房間內擴散。在火災的穩定階段200 s～600 s，隨著電纜的持續燃燒，可燃物的質量逐漸減少，再加上部分熱流擴散到房間外，電纜和周圍空氣的溫度略微下降，在小范圍波動的同時保持相對穩定。此時初始燃燒的電纜周圍的電纜已經受到了嚴重的火災損害，而距離較遠的電纜橋架(如B2)只有最高層的電纜被房間上部的熱流引燃，標高較低的電纜盡管表面溫度持續升高，但是未達到失效溫度。

3 結論

對存在A，B 列電纜共模情況的RRI，RIS 系統電纜溝房間進行三維建模，并研究火災對RRI，RIS 系統電纜橋架房間內電纜的影響，根據計算結果，電纜橋架A1 最低標高處的電纜燃燒會在120 s內引燃電纜橋架A1，A2 和B1，并且在310 s 左右引燃電纜橋架B2 的最高層電纜。電纜燃燒產生的大量熱流在房間內擴散是造成初始未燃燒的電纜被引燃的主要原因，此外由于被熱流顯著加熱的熱空氣聚集在房間上部，導致標高較高的電纜首先發生燃燒。綜合以上，建議在RRI，RIS 系統電纜橋架房間的兩列電纜之間設置實體防火屏障，以避免電纜火災導致A，B 列電纜同時失效造成EAS，RIS等系統的安全重要設備無法執行其安全功能。