核電廠安全級DCS機(jī)柜可燃物分析及火災(zāi)仿真模擬

高 楠，劉明明，覃 吳，馬 權(quán)，肖 林，鄭 興

（1.中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213；2.華北電力大學(xué) 國家新能源發(fā)電工程研究中心，北京 102206）

0 引言

安全級DCS必須常年處于可靠的運(yùn)行狀態(tài)[1]，其高可靠性是確保反應(yīng)堆正常、安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，同時為避免造成DCS系統(tǒng)可用性降低，其安全故障率要限制在最低水平[2，3]。火災(zāi)作為假設(shè)始發(fā)事件，其造成的后果會影響核電廠安全。若安全級DCS機(jī)柜內(nèi)部著火，設(shè)備發(fā)生故障安全，會直接影響并威脅到DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對安全級DCS機(jī)柜進(jìn)行火災(zāi)危害性分析，對火災(zāi)進(jìn)行提前預(yù)測，降低火災(zāi)發(fā)生的頻率，可以有效保證系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)前國內(nèi)對于安全級DCS機(jī)柜相關(guān)的火災(zāi)分析處于起步階段，缺乏相關(guān)研究。經(jīng)其他工控DCS行業(yè)反饋，通過對機(jī)柜內(nèi)部可燃物分析及火災(zāi)仿真，分析柜內(nèi)煙霧蔓延、火焰燃燒、溫度場等火災(zāi)模擬要素，便于對柜內(nèi)薄弱點(diǎn)進(jìn)行針對性優(yōu)化，以減弱火災(zāi)帶來的影響，同時對降低機(jī)柜火災(zāi)危險系數(shù)，以及火災(zāi)探測、滅火預(yù)案等分析與設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵的作用[4]。因此，建立一套完整的安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真流程尤為重要。

本文擬通過設(shè)計(jì)一臺安全級DCS機(jī)柜，將其作為分析對象，基于建立的一套適用于安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真流程，對其內(nèi)部可燃物進(jìn)行分析，依托FDS、Pyrosim、Smokeview軟件搭建火災(zāi)仿真模型，對機(jī)柜火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真流程

安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真流程如圖1，其中包含了各個過程的主要工作等。本文主要對機(jī)柜可燃物分析及仿真模型進(jìn)行說明。

圖1 安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真流程Fig.1 Safety-level DCS cabinet fire simulation process

2 安全級DCS機(jī)柜可燃物分析

機(jī)柜內(nèi)可燃物、火源（燃點(diǎn)）和氧氣條件（助燃物）是機(jī)柜燃燒理論的基本三要素?？扇嘉锸菣C(jī)柜火災(zāi)發(fā)生、燃燒及蔓延的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是機(jī)柜火災(zāi)預(yù)測的重要因素之一。在分析機(jī)柜設(shè)備是否可以被點(diǎn)燃，火災(zāi)如何蔓延的過程中，機(jī)柜內(nèi)可燃物比其他因素更為重要。對機(jī)柜內(nèi)可燃物進(jìn)行管理，可以從根本上解決機(jī)柜火災(zāi)發(fā)生和蔓延問題。

機(jī)柜內(nèi)可燃物特性包括理化性質(zhì)和空間組合特征，理化性質(zhì)描述可燃物的化學(xué)性質(zhì)以及密度、燃點(diǎn)、熱值、比熱等物理性質(zhì)；空間組合特征描述可燃組合的特征，包括數(shù)量、大小和質(zhì)量[5]。可燃物的理化性質(zhì)作為機(jī)柜動態(tài)仿真的基礎(chǔ)，其參數(shù)對于機(jī)柜火災(zāi)模擬分析起著重要影響。

結(jié)合可燃物的重要性，需對機(jī)柜設(shè)備可燃物進(jìn)行分析。本文中設(shè)計(jì)的安全級DCS機(jī)柜主要承力結(jié)構(gòu)（框架、柜門、頂蓋等）使用冷軋鋼板Q235B，內(nèi)部的各類支架、盲板、導(dǎo)流板等使用熱浸鍍鋅鋼板Zn125或不銹鋼SUS304，該部分結(jié)構(gòu)件基本都為阻燃材料，因此在分析時可忽略不計(jì)，僅對機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備可燃物進(jìn)行分析。機(jī)柜內(nèi)部主要布置機(jī)箱、各類功能模塊、空氣開關(guān)、電源模塊、濾波器、浪涌抑制器、連接器和線纜等，其可燃物種類主要為PA（聚酰胺、尼龍）、PBT（聚對苯二甲酸丁二酯）、ABS（丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S）、PE（交聯(lián)聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、FR4（環(huán)氧樹脂）等。通過查閱中外文獻(xiàn)及設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)，對可燃物材質(zhì)、燃燒熱值、密度等理化性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 可燃材料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of combustible materials

3 安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真模型搭建框架

安全級DCS機(jī)柜發(fā)生的火災(zāi)大多是由于過熱、短路等原因?qū)е碌碾姎饣馂?zāi)，通常都將火災(zāi)發(fā)展速度分為4種類型：超快速、快速、中速和慢速[6]。本文所設(shè)計(jì)安全級DCS機(jī)柜基本尺寸為800mm（寬）×800mm（深）×2280mm（高）（含底部槽鋼尺寸），機(jī)柜內(nèi)部由下至上配置3臺6U機(jī)箱，機(jī)箱兩兩間配置風(fēng)扇，其他可在安裝區(qū)域布置電氣設(shè)備等。機(jī)柜火災(zāi)仿真模型搭建框架如圖2。

圖2 火災(zāi)仿真模型搭建框架Fig.2 Framework of fire simulation model building

4 安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)的安全級DCS機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備安裝現(xiàn)狀及第3節(jié)搭建框架，建立機(jī)柜火災(zāi)仿真模型，具體如下：

1）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)，網(wǎng)格尺寸的大小決定模擬結(jié)果的精確程度[7]。本文對機(jī)柜網(wǎng)格劃分進(jìn)行了多次模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)規(guī)模較大時，不同尺寸之間網(wǎng)格邊界會因參數(shù)突變過大而造成數(shù)值不穩(wěn)定，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。因此，為避免同一模型中定義不同尺寸網(wǎng)格，本次分析的機(jī)柜網(wǎng)格坐標(biāo)設(shè)定為X（-0.4，0.4），Y（-0.4，0.4），Z（0，2.28），網(wǎng)格單元尺寸為0.02m×0.02m×0.02m，整體模型網(wǎng)格數(shù)共182400個。

2）材料理化性質(zhì)設(shè)置

機(jī)柜內(nèi)可燃物的理化性質(zhì)涉及的參數(shù)包括DENSTTY、SPECIFIC_HEAT和CONDUCTIVITY，這3個參數(shù)用于設(shè)置材料的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。在進(jìn)行模擬分析時，三者缺一不可，任何參數(shù)的缺失將導(dǎo)致FDS停止計(jì)算。根據(jù)表1中機(jī)柜中的可燃物理化性質(zhì)設(shè)置各類參數(shù)。

3）“表面”設(shè)置

“表面”用于設(shè)定熱邊界條件，引用2）設(shè)置的材料屬性定義出PA、ABS、PBT、PE/PVC、環(huán)氧樹脂、OPEN、burn等的“表面”。其中OPEN為FDS默認(rèn)的開口邊界條件，邊界條件設(shè)定為OPEN后，F(xiàn)DS將根據(jù)計(jì)算結(jié)果在OPEN設(shè)定區(qū)域自由通風(fēng)，同實(shí)際打開的機(jī)柜門窗一樣。而burn表面為熱表面，用于定義點(diǎn)火源。為避免點(diǎn)火源的功率對火災(zāi)蔓延的影響[8]，定義火源的熱釋放速率隨時間t2變化，第0s時火源的熱釋放速率為0，第10s時為650kW/m2，第20s～100s時熱釋放速率為1300kW/m2，第120s時熱釋放速率為0，即火源的最大熱釋放功率為6.24kW。

4）“障礙物”設(shè)置

“障礙物”用于設(shè)置火災(zāi)場景內(nèi)的物體，包括機(jī)柜框架、橫梁、角規(guī)、機(jī)箱、空氣開關(guān)、繼電器等設(shè)備。依據(jù)機(jī)柜的布置圖設(shè)置各設(shè)備的位置和大小，引用之前3）設(shè)置的“表面”來定義各物體邊界條件。圖3即為機(jī)柜的“障礙物”建模。

圖3 機(jī)柜建模Fig.3 Cabinet modeling

5）火源設(shè)置

火源參數(shù)是場景文件的核心參數(shù)，其本質(zhì)是描述可燃物的燃燒行為。由于固體可燃物需經(jīng)歷熱解再到燃燒的過程，因而火源參數(shù)設(shè)置需包括熱解參數(shù)與燃燒參數(shù)兩部分內(nèi)容。本文通過在可燃物的“表面”直接設(shè)定熱釋放速率來定義熱解，其中設(shè)定熱釋放速率實(shí)際上是設(shè)置向柜內(nèi)噴射的可燃?xì)怏w量。點(diǎn)火源引用“burn”表面，根據(jù)機(jī)柜的不同點(diǎn)火源位置而自主設(shè)定位置、面積。

5 安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)分析

根據(jù)第4節(jié)搭建的機(jī)柜火災(zāi)仿真模型，對煙霧/火焰蔓延、溫度場分布等火災(zāi)屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。具體如下：

5.1 點(diǎn)火源及熱電偶位置設(shè)置

根據(jù)機(jī)柜內(nèi)模塊板卡等設(shè)備布置，及6U機(jī)箱后部終端單元接線走線復(fù)雜性，將點(diǎn)火源設(shè)定在機(jī)柜由下至上第一層的1U風(fēng)扇后部側(cè)處，取一個位于1U風(fēng)扇+Z方向的面作為火源，其表面定義為“burn”熱表面。由于點(diǎn)火源的作用是引燃可燃物，在保證能引燃可燃物的前提下，點(diǎn)火源的面積應(yīng)該盡量減小，因而點(diǎn)火源面積設(shè)定為0.0048m2。在點(diǎn)火源和機(jī)柜后部上方每間隔一定距離放置一個熱電偶（TCP1-TCP8），用來直接測量所處位置的溫度。熱電偶位置如圖4中黃點(diǎn)所示。

圖4 熱電偶位置Fig.4 Thermocouple location

5.2 煙霧蔓延

在點(diǎn)火源的作用下，機(jī)柜內(nèi)起火后，煙霧向上蔓延，并隨時間增加，機(jī)柜內(nèi)可見度逐漸下降，如圖5。至300s時，機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口基本被煙霧籠罩，且能見度很低。隨著時間推移，機(jī)柜的可見度并未逐漸提高，且由于機(jī)柜上方出風(fēng)口較小，煙霧不能及時排出。隨著火勢的增強(qiáng)，煙霧仍持續(xù)籠罩，直至1000s模擬運(yùn)行結(jié)束。模擬發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜后半部分1U風(fēng)扇處點(diǎn)火后，煙霧生成速度較慢，這可能是因?yàn)?U機(jī)箱“表面”第一層定義為不銹鋼SUS304，第二層才定義為可燃物，而不銹鋼SUS304的不可燃燒性影響了內(nèi)部可燃材料的燃燒反應(yīng)。

圖5 煙霧蔓延Fig.5 Smoke spread

5.3 火焰蔓延

當(dāng)100s時，機(jī)柜由下至上第二個6U機(jī)箱下表面基本開始燃燒。由于前面盲板的阻擋，火焰從機(jī)柜側(cè)面與后面蔓延出來。300s時，設(shè)備熱解生成的可燃?xì)怏w擴(kuò)散在進(jìn)風(fēng)口處且機(jī)柜后半部分有火焰燃燒。600s時，火焰蔓延至機(jī)柜后部下側(cè)面電氣設(shè)備處，但此時溫度較低，不足以引燃電氣設(shè)備。900s時，機(jī)柜后部下側(cè)面電氣設(shè)備被引燃并開始燃燒，火勢逐漸增大直至1300s模擬結(jié)束。模擬得到的火勢蔓延過程如圖6。通過火勢蔓延可看出，機(jī)柜內(nèi)的火焰不會立刻產(chǎn)生并蔓延，這是由于機(jī)柜內(nèi)大部分設(shè)備采用阻燃材料，抑制或者延滯了其快速燃燒。

圖6 火焰蔓延Fig.6 Flame spread

5.4 溫度場分布

5.4.1 熱電偶測溫

將機(jī)柜運(yùn)行環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，火源上方溫度變化情況如圖7，熱電偶溫度測點(diǎn)TCP1-TCP4位于距火源點(diǎn)1U風(fēng)扇盒后部側(cè)處上方且高度依次增加，溫度測點(diǎn)TCP5-TCP8位于機(jī)柜后半部分且高度依次增加。從圖7中可以看出，在燃燒開始階段各測點(diǎn)溫度逐漸升高；120s時點(diǎn)火源熄滅，TCP1溫度下降，之后TCP1檢測的溫度為機(jī)箱下表面與1U風(fēng)扇盒燃燒溫度，逐漸穩(wěn)定于800℃左右。相較于機(jī)柜后半部分，著火源上方的溫度較低，這是因?yàn)闄C(jī)柜后半部分一直存在火焰蔓延，熱空氣不斷產(chǎn)生且未及時流出，造成熱量聚集在機(jī)柜后部中部高度。

圖7 熱電偶測溫Fig.7 Thermocouple temperature measurement

5.4.2 X軸方向溫度場

沿著X=0m平面不同時刻溫度場如圖8，從圖中可以看出機(jī)柜火災(zāi)沿Y軸方向的發(fā)展過程。200s時機(jī)箱大面積燃燒，熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w向機(jī)柜后部上升，頂部位置煙氣層溫度升高，達(dá)到200℃左右；400s時，頂部溫度達(dá)到350℃，高溫?zé)煔饩奂跈C(jī)柜后部出風(fēng)口處。500s時，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，溫度持續(xù)升高，熱煙氣層開始繞過前盲板，向機(jī)柜盲板前部下移。700s后，X=0平面內(nèi)機(jī)柜后部溫度迅速升高，整個平面內(nèi)大范圍溫度升到400℃左右。1300s時，整個平面內(nèi)大范圍溫度升到500℃及以上，此時溫度已達(dá)到機(jī)柜內(nèi)絕大多數(shù)可燃物燃點(diǎn)，火災(zāi)燃燒強(qiáng)度隱患加劇。整個過程中機(jī)柜出風(fēng)口處在煙氣的作用下，溫度較其他區(qū)域內(nèi)的溫度高。從溫度場可以看出，火災(zāi)發(fā)生后沿X軸方向發(fā)展趨勢明顯。

圖8 X軸方向溫度場Fig.8 Temperature field in X-axis direction

5.4.3 Y軸方向溫度場

沿著燃燒火源Y=0m平面不同時刻溫度場如圖9，從圖中可以看出機(jī)柜火災(zāi)沿X軸方向發(fā)展過程。200s時只有機(jī)柜下表面大面積燃燒，頂部位置煙氣層溫度升高，達(dá)到200℃左右；400s開始，6U機(jī)箱和機(jī)柜頂部溫度較高。700s后，Y=0平面機(jī)柜內(nèi)部溫度迅速升高，整個平面內(nèi)大范圍溫度升到300℃以上。1300s時，平面內(nèi)上頂部溫度達(dá)到350℃，機(jī)箱著火點(diǎn)處溫度較高，溫度最高達(dá)到650℃，中間部分溫度較低到達(dá)250℃。

圖9 Y軸方向溫度場Fig.9 Temperature field in Y-axis direction

6 結(jié)論

根據(jù)建立的安全級DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真流程，對機(jī)柜火災(zāi)仿真模擬結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的安全級DCS機(jī)柜隨著時間的變化，機(jī)柜內(nèi)火災(zāi)燃燒反應(yīng)加劇，且內(nèi)部溫度逐步升高500℃及以上后，該溫度已達(dá)到機(jī)柜內(nèi)絕大多數(shù)可燃物燃點(diǎn)，存在較大的火災(zāi)燃燒強(qiáng)度隱患。對該臺機(jī)柜燃燒劇烈點(diǎn)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)可在流場、結(jié)構(gòu)方面對機(jī)柜進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，同時對機(jī)柜中熱-結(jié)構(gòu)的多物理場耦合問題進(jìn)行分析和測試[9]，來減少機(jī)柜內(nèi)火災(zāi)蔓延，為火災(zāi)的預(yù)防提供有效支撐，便于后期消防等設(shè)計(jì)。根據(jù)改進(jìn)路徑后續(xù)欲在如下幾方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而降低機(jī)柜著火概率：①機(jī)柜風(fēng)扇優(yōu)化；②機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計(jì)；③機(jī)柜出門口優(yōu)化設(shè)計(jì)；④機(jī)柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。