核電站技術廊道內火災場景下人員傷害事故應急救援路線優化研究

陳倫道，崔嵬嵬*，姚天宇，吳 鄭

(1.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116300；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

電纜火災是對核電站威脅最大的安全事故之一[1]。截至2020年，我國大陸運行核電機組數量達到49臺，裝機總容量約5 102萬kW，核電站運行安全問題不容小覷[2]。國內核電站技術管廊是向廠區大多數建筑物提供所需管道和電纜的敷設場所，其普遍存在電纜雜亂、交叉、堆集的位置[3]，在這些位置上如果電纜發生過載、短路，則容易產生能量聚集最終導致電纜被引燃[4]，引發火災。另外，核電廠技術廊道空間曲折、通道狹窄、各種管道和線纜交錯布置，一旦在火災事故的同時發生其他人員傷害事故，應急救援工作的開展將面臨非常大的阻礙。

國內外有關學者對類似的地下空間火災事故發生規律和人員疏散時間已經開展了大量研究。如王振榕[5]在小尺寸長通道實驗模型中驗證了火源與排煙口的相對位置以及排煙口換氣速率對綜合管廊內電纜火災煙氣蔓延的影響；Ingason等[6]開展了縱向隧道火災縮尺寸模型實驗研究，得到了火源熱釋放速率、火源增長率、火焰長度、縱向通風速度等參數對火災煙氣縱向流動的影響；王羽塵等[7]對公路隧道內火災情景下的人員疏散路徑選擇進行了研究，得到了火災發生位置與人行通道的距離對人員疏散時間的影響；潘勇等[8]對大斷面沉管隧道火災情景下的疏散救援點設置進行了研究，為工程實際提供了參考。

針對本文涉及的核電廠電纜火災，王煜宏等[3]對核電廠多層電纜橋架橫向燃燒時煙氣層溫度進行了研究，并對比研究了MQH公式對自然通風條件下橫向電纜燃燒煙氣層溫度的預測效果；吳天琦等[9]驗證了雙區域模型對橫向電纜火災過程模擬的有效性和誤差范圍。但是，目前專門針對核電站技術廊道內火災場景下人員傷害事故應急救援路徑的研究較欠缺[10-15]，亟需開展相應的研究以提高核電站技術廊道內火災事故的應急處置能力。為了研究如何在火災情形下更好地開展應急救援工作，本文應用數值模擬軟件對核電站技術廊道內不同位置的火災事故和應急救援工作進行了仿真分析[16]，研究了核電站技術廊道內電纜火災火勢發展規律以及火災場景下開展事故應急救援工作的最佳救援路徑。

1 核電站技術廊道內電纜火災事故風險分析及參數設計

1.1 事故風險分析

基于某核電站現場調研開展了危險源辨識(見圖1)，共識別出核電站技術廊道內潛在的10種主要事故類型，分別為物體打擊、高處墜落、機械傷害、淹溺、灼燙、坍塌、觸電、火災、爆炸和中毒窒息。

圖1 某核電站組現場調研Fig.1 Investigation of a nuclear power plant

其中，遍布核電站技術廊道內的各類電纜為火災事故的發生提供了必要條件，因此本文主要針對核電站技術廊道內電纜火災事故風險進行分析。而物體打擊、高處墜落、機械傷害、淹溺、灼燙、坍塌、觸電和中毒窒息8種事故都可能與火災事故同時發生，受火災事故的影響，應急救援工作的開展難度也會增加。

該核電站技術廊道內空間狹小、電纜布置雜亂，存在明顯的電纜交叉堆疊現象(見圖2)，這既加大了電纜短路的風險，也增加了熱量聚集的程度，因此本文以電纜的重疊程度為標準，在技術廊道現場挑選了A、B兩處電纜堆疊程度最大的點作為火災事故起火點進行仿真模擬；由于技術廊道內的空間曲折、環境復雜，當發生前述的人員傷害事故時，應急救援難度非常大，故基于應急救援難度和作業頻率，選取了人員傷害事故風險最大的3個點a、b、c進行應急救援仿真模擬分析。核電站技術廊道內火災事故點和人員傷害事故高風險點位置，見圖3。

圖2 某核電站技術廊道內電纜交叉堆疊Fig.2 Cable overlap position in the technical corridor of a nuclear power plant

圖3 某核電站技術廊道平面圖Fig.3 Plan of the technical corridor of a nuclear power plant

1.2 火災模擬參數設置

根據核電廠防火設計報告及現場測量，技術廊道墻壁厚度在0.4～0.5 m之間不等，材質為混凝土；技術廊道內電纜托架寬度一般為500 mm，層數為5～8層不等，底部托架厚度忽略不計，1 m托架上的等效可燃物質量為22.5 kg PVC，即假設電纜橋架上電纜均勻鋪滿，在單層電纜0.1 m的情況下，PVC的密度設置為450 kg/m3。

美國消防協會將非穩態火災發展劃分為超快速火、快速火、中速火和慢速火[17]。非穩態“t2”火災增長模型的公式為Q=at2，其中Q為火源熱釋放功率(kW)，a為火災增長系數(kW/s2)，t為火災的發展時間(s)。根據前人的研究經驗，電纜火災的火災增長系數取值為200 kW/s2[18]，火源熱釋放速率為2 MW/m2,火源面積為0.25 m2。

考慮模型的規模和計算成本，并且由于單層電纜厚度為0.1 m，為了保證電纜層在火災模擬過程中不會被軟件重新定位，對起火點附近15 m范圍內的網格進行局部加密，加密區域的網格尺寸設置為0.5 m×0.5 m×0.1 m，其余位置的網格尺寸設置為0.5 m×0.5 m×0.5 m，火災模擬時間為2 400 s[19-20]。

1.3 事故應急救援參數設計

應急救援時間可以分為到達事發地點所用時間和撤離現場所用時間兩部分。通過現場的調研和實驗(見圖1)發現，消防人員在核電站技術廊道內攜帶救援裝備和轉運假人傷員兩種情況下通過長約140 m的廊道分別用時約78 s和175 s，得出當消防人員攜帶救援裝備進入廊道的平均行走速度為1.8 m/s，抬擔架時在無嚴重障礙物疏散路線上的平均行走速度為0.8 m/s,所得結果與實際應急演練結果相近。由于核電站技術廊道內存在較多障礙物，例如廊道內存在部分樓梯(鋼梯)的坡度較大，會嚴重影響消防人員的行走速度，故在軟件模擬時間的基礎上對消防人員通過障礙物的時間進行了修正，得出了實際模擬時間，具體計算公式如下：

Ts=Tr+Tb

(1)

式中：Ts指實際模擬時間(s)；Tr指軟件模擬時間(s)；Tb指消防人員通過各障礙物的時間(s)。

本文通過Pathfinder仿真軟件建立核電站技術廊道的等比模型，通過軟件模擬得出救援人員在未受到障礙物阻礙時的撤離時間，從而得出軟件模擬時間Tr。通過現場消防人員攜帶假人傷員在各障礙物進行多次搬運，得出消防人員通過坡度較大的樓梯、設備和岔口等障礙物的時間，見表1。

表1 消防人員通過各障礙物的時間Table 1 Time of fire fighters passing the obstacles

據與消防人員溝通，當核電站技術廊道內發生電纜火災事故時，救援人員在5 min內能夠到達廊道內各出入口，故在考慮火災事故與人員傷害事故疊加時，可假設兩種事故相差10 min發生或同時發生。若人員傷亡事故提前10 min發生，則火災事故發生時傷員已經被救援人員救出，因此本研究僅考慮兩事故同時發生和火災事故提前10 min發生兩種情況。

2 仿真模擬結果分析及路徑選擇研究

2.1 火災事故模擬

2.1.1 起火點A處火情分析

該核電站技術廊道內火災事故起火點A處火勢發展的仿真模擬結果和溫度監測曲線，見圖4和圖5。

圖4 某核電站技術廊道內起火點A處的火勢發展 仿真模擬結果Fig.4 Simulated results of fire development at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

圖5 某核電站技術廊道內起火點A處的溫度監測曲線Fig.5 Temperature curve at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

通過截取火災事故起火點A處的火勢發展仿真模擬結果(見圖4)可以發現，在69 s時起火位置出現火焰，在約20 min后火場內火勢急劇擴展，出現轟燃現象，此時火災事故點附近已不能允許人員的存在。通過觀察布置在該位置的熱電偶溫度監測曲線(見圖5)可以發現，此時火焰溫度逼近920℃，達到火場最高溫度，隨后由于起火位置的氧氣被消耗殆盡，火勢逐漸減弱，內部溫度也在逐步降低，但是30 min后內部溫度仍高于100℃。

通過觀察該核電站技術廊道內火災煙氣擴展趨勢可以發現，火災煙氣擴展的速度要明顯大于火勢擴展的速度。此外，通過查看該核電站技術廊道內起火點A處附近應急救援孔位置的煙氣能見度監測曲線可以發現(見圖6)，在124 s時，應急救援孔附近火災煙氣現場能見度為9.7 m，依據《中國消防手冊(第三卷)》[21]中規定的10 m作為現場火災煙氣安全能見度，當現場火災煙氣能見度低于安全能見度時，表明此時該位置已被火災煙氣封堵，若技術廊道內發生事故，應急救援人員將不能從此處開展救援。

圖6 某核電站技術廊道內起火點A處應急救援孔 位置的煙氣能見度監測曲線Fig.6 Visibility curve at an emergency rescue hole at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

由此可見，如果在火災煙氣蔓延到此處后再進行緊急撤離，留給救援人員反應的時間極少，因此作為核電站安全管理者應加強火災探測系統的日常檢查，在火災初起時即發出報警，以為突發事件的處理提供充足的時間。

同樣，在166 s時廠房12出口被火災煙氣封堵(見圖7)，此出口同樣不能再被作為應急救援通道使用。

圖7 某核電站技術廊道內起火點A處發生火災事 故時廠房12的出口位置煙氣能見度監測曲線Fig.7 Smoke visibility curve at outlet of plant 12 when a fire accident occurs at the fire ignition (position A) in the technical corridor of a nuclear power plant

2.1.2 起火點B處火情分析

該核電站技術廊道內火災事故點B處的火勢發展仿真模擬結果和溫度監測曲線，見圖8和圖9。

由圖8和圖9可見，該核電站技術廊道內起火點B處的火勢發展與A處大致類似，同樣在60 s左右出現火焰，但是由于技術廊道內起火點B處電纜高低交錯，火勢發展較慢，該處的轟燃時間較起火點A處要晚5 min左右。

圖8 某核電站技術廊道內火災事故起火點B處的 火勢發展仿真模擬結果Fig.8 Simulated results of fire development at the fire ignition (position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

圖9 某核電站技術廊道內起火點B處的溫度監測 曲線Fig.9 Temperature curve at the fire ignition (position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

該核電站技術廊道內起火點B處發生火災事故時位置1和位置2的煙氣能見度監測曲線，見圖10和圖11。

圖10 某核電站技術廊道內起火點B處發生火災 事故時位置1的煙氣能見度監測曲線Fig.10 Smoke visibility curve at position 1 when fire occurs at the fire ignition(position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

圖11 某核電站技術廊道內起火點B處發生火災 事故時位置2的煙氣能見度監測曲線Fig.11 Smoke visibility curve at position 2 when fire occurs at the fire ignition(position B) in the technical corridor of a nuclear power plant

從火災的模擬結果來看，在173 s時位置1處火災煙氣能見度降至安全能見度以下，此時位置1已被煙氣封堵(見圖10)；在243 s時火災煙氣蔓延至位置2(見圖11)，由于廠房19存在管道預留口，借助煙囪效應，火災煙氣在到達廠房19內部后停止了向前擴散(見圖12)，轉而向上擴散至技術廊道外。由此發現，在核電站技術廊道內適當地利用煙囪效應可以延緩火災煙氣的蔓延。

圖12 火災煙氣在廠房19的擴散狀態Fig.12 Fire smoke diffusion state in plant 19

2.2 前往事故點應急救援路線模擬分析

本研究使用假人模擬傷員轉運過程測得，當消防人員攜帶救援裝備進入廊道的平均行走速度為1.8 m/s。

2.2.1 前往人員傷害事故點a的應急救援路線分析

人員傷害事故點a仿真模型及部分出入口位置見圖13，當人員傷害事故點a發生事故時從各入口抵達人員傷害事故發生點a所需的時間見表2。

圖13 人員傷害事故點a仿真模型及部分出入口位置Fig.13 Simulation model at personnel injury accident point a and location of partial entrances and exits

表2 從各入口抵達人員傷害事故點a所需的時間Table 2 Arrival time from each entrance to personnel injury accident point a

結合圖13,由表2通過對比分析可知：抵達人員傷害事故點a最快的入口為Y13段應急救援口，同時抵達山頂T16段人井和H2段人井所需的時間較短；但由于消防人員在進行應急救援時，需攜帶應急救援設備進入。故綜合考慮，當人員傷害事故點a發生事故時，醫護人員和消防人員應從Y13段管道應急救援口進入廊道。

2.2.2 前往人員傷害事故點b的應急救援路線分析

人員傷亡事故點b仿真模型及部分出入口位置見圖14,當人員傷害事故點b發生事故時從各入口抵達人員傷害事故點b的時間見表3。

結合圖14,由表3通過對比分析可知:抵達人員傷害事故點b所需時間最短的入口為廠房12和廠房20;但由于事故點b前往廠房20路線中，道路中有設備嚴重阻礙人員進入，且廠房20出入口為關閉狀態，需要聯系相關人員開啟，而在前往廠房12路線中僅有設備阻礙。故綜合考慮，在人員傷害事故點b發生事故時，醫護人員和消防人員應從廠房12進入廊道。

圖14 人員傷害事故點b仿真模型及部分出入口位置Fig.14 Simulation model at personnel injury accident point b and location of partial entrances and exits

表3 從各入口抵達人員傷害事故點b所需的時間Table 3 Arrival time from each entrance to personnel injury accident point b

2.2.3 前往人員傷害事故點c的應急救援路線分析

人員傷害事故點c仿真模型及部分出入口位置見圖15,當人員傷害事故點c發生事故時從各入口抵達人員傷害事故點c所需的時間見表4。

圖15 人員傷害事故點c仿真模型及部分出入口位置Fig.15 Simulation model at personnel injury accident point c and location of partial entrances and exits

結合圖15,由表4通過對比分析可知:當人員傷害事故點c發生事故時，消防人員和醫護人員進入現場所需時間最短的入口為T16段人井，其次是Z11段人井，但T16段人井進入廊道的空間較小，不利于攜帶應急救援設備進入，而其余廊道入口前往事故點c時路途較遠，且需要經過數個坡度較大的樓梯。故綜合考慮，當消防人員和醫護人員需要攜帶大型設備時，應從Z11段人井進入廊道，若只需攜帶簡單救援設備時，應從T16段人井進入廊道。

表4 從各入口抵達人員傷害事故點c所需的時間Table 4 Arrival time from each entrance to personnel injury accident point c

2.3 撤出事故點應急救援路線模擬分析

根據人員傷害事故疏散模擬背景，設置消防人員和醫護人員共7人進入廊道內開展救援工作，事故現場人員為3人，其中一人處于昏迷狀態。

2.3.1 撤出人員傷害事故點a的應急救援路線分析

當人員在人員傷亡事故點a發生事故，且處于昏迷狀態時，人員可選擇的撤離出口及相應的撤出時間，見表5。

表5 撤出人員傷害事故點a可選擇的出口及撤出時間Table 5 Available exits and evacuation time from personnel injury accident point a

由表5可知：當人員在人員傷害事故點a發生事故被救援撤離時，通過Y13段應急救援口撤出所需的時間最短，同時若在T16段管道層增設應急救援口對救援效果也具有明顯改善；在撤離過程中經過樓梯所用時間占救援時間的絕大部分，且此處樓梯為鋼梯，具有一定的可修改性，因此改善廊道內樓梯坡度可以明顯改善對人員傷害事故點a處人員的救援效果。

2.3.2 撤出人員傷害事故點b的應急救援路線分析

當人員在人員傷害事故點b發生事故，且處于昏迷狀態時，人員可選擇的撤離出口及相應的撤出時間，見表6。

表6 撤出人員傷害事故點b可選擇的出口及撤出時間Table 6 Available exits and evacuation time from personnel injury accident point b

由表6可知：消防人員和醫護人員從廠房20撤離路線中有設備對疏散通道造成了嚴重阻礙，嚴重影響了人員撤出速度，造成人員從該出口撤出的實際模擬時間與軟件模擬時間相差較大；除廠房20撤離路線外，人員從Y18段電纜層應急救援口、廠房16和Y13段應急救援口撤離所需的時間最短，由于從廠房16撤離路線中需要經過直梯，從而會使應急救援時間加長，故此時建議從Y18段電纜層應急救援口或Y13段應急救援口撤離。同時，由于廊道土建結構的影響，Y18段電纜層應急救援口對廊道P段南部的人員救援的影響較小，故建議在Y18段管道層增設應急救援口，通過模擬結果顯示，此時應急救援所需的時間明顯減少。

2.3.3 撤出人員傷害事故點c的應急救援路線分析

當人員在人員傷害事故點c發生事故，且處于昏迷狀態時，人員可選擇的撤離出口及相應的撤出時間，見表7。

表7 撤出人員傷害事故點c可選擇的出口及撤出時間Table 7 Available exits and evacuation time from personnel injury accident point c

由表7可知:當人員在人員傷害事故點c發生事故時，人員從各出口撤出的實際模擬時間與軟件模擬時間相差較大，這是由于撤離路線中需經過數個坡度、長度均較大的斜梯，會嚴重影響人員撤出速度，增加救援難度，使受傷人員無法得到救援。因此，建議在T16段管道層增設應急救援口，通過模擬結果顯示，人員撤離時間明顯減少，同時也可以有效改善山頂各段人員的疏散效率。

2.4 疊加事故場景下應急救援路徑規劃研究及建議

通過模擬分析，得出起火點A、B兩處分別發生火災事故情況下，當a、b、c三處分別發生人員傷害事故時該技術廊道內應急救援出入口布置，見表8。

表8 火災情況下人員傷害事故的應急救援出入口布置Table 8 Layout of rescue entrances and exits of personnel injury accidents in case of fire

由表8通過對比分析可知：當起火點A處發生火災事故時，對人員傷害事故點b、c的影響較大，會造成Y18段應急救援口無法使用，需要選擇其他救援出口進行撤離，即當火災事故點A處和人員傷害事故點b、c發生事故時，救援出口由原Y18段應急救援口和T16段應急救援口變為廠房16，同時在應急救援時須進行滅火；當起火點B處發生火災事故時，對人員傷害事故點a、c的影響較大，以目前廊道內應急救援出入口的設置，無法滿足應急救援的要求，可在T16段管道層增設應急救援口，此時人員僅能從增設的應急救援口撤離。

3 結 論

(1) 核電站技術廊道內發生的電纜火災在起火初期火勢發展較慢，大概在20 min后廊道內部發生轟燃現象，此時起火位置周圍已不再允許人員的存在。

(2) 核電站技術廊道內電纜火災的煙氣蔓延速度要遠大于火焰的蔓延速度，因此安全管理人員應嚴格保證核電站技術廊道內火災探測器的有效性，并在發生火情時及時處置。

(3) 選取3個人員傷害事故風險最大的事故點，借助Pathfinder軟件通過對相關區域的應急救援時間進行仿真模擬對比，確定了不同人員傷害事故位置的最佳應急救援路線。

(4) 結合火災煙氣蔓延規律和不同人員傷害事故位置的最佳應急救援路線分析，確定了最不利工況下核電站技術廊道內人員應急救援疏散方案，并給出了技術廊道內應急出口設置的改進建議。