某核電廠蓄電池間通風系統防火響應分析與改進

林佳 劉超杰 昌薇薇

（中國核電工程有限公司華東分公司 浙江嘉興 314000）

1 背景

蓄電池作為核電站的應急電源，在整個核電站電氣系統中發揮著重要作用［1］。蓄電池組與充電器、配電柜一起構成了48V、110V、220V3個電壓等級的直流電源系統。這些系統分別為核電廠邏輯控制回路、核測量儀表、中壓柜開關操作回路、交流不間斷電源的逆變器回路提供直流電源。在正常運行狀態下，蓄電池組與充電器并聯供電至配電柜直流母線，以浮充電方式運行，正常運行時，由充電器帶負荷并保證蓄電池處于充滿狀態；在充電器發生故障或供充電器的交流電源失去時，蓄電池組不間斷地向用電設備提供直流電源，并且最少維持1h。蓄電池組也可提供瞬時尖峰負荷需要的電流。

蓄電池間設置在電氣廠房+3.8m，蓄電池分為A、B兩列，采用核安全級（1E）GFD 固定型防酸鉛酸蓄電池。由于鉛酸蓄電池在充電時水的電解，即當充電達到一定電壓時（一般在2.3V/單體以上），在蓄電池的正極上放出氧氣，負極上放出氫氣，特別在充電末期氫釋放較多。根據核島蓄電池設備運行維護手冊，蓄電池靠近明火或由靜電感應產生的火花，可能引起氫氧氣體爆炸，對操作人員、蓄電池均有損傷危險。蓄電池間通風應按防爆系統設計，同時保證換氣次數，及時排除房間內的氫氣，防止積聚，因此，蓄電池間通風防火設計和運行狀態需重點關注。

根據通用起火頻率組合表［2］，M310+蓄電池間通用起火頻率為0.75×10-3/（堆·年），蓄電池間主要的火源貢獻因子為電氣危害，蓄電池電解液為質量百分比為31%的硫酸，著火后高溫煙氣攜帶硫酸溶液，危害巨大，因此，對于核電廠蓄電池間的火災的預防和火災響應防護措施不容忽視。

2 蓄電池間通風系統簡介

蓄電池間通風系統屬于電纜層通風系統（DVE）的子項，主要功能是滿足蓄電池間的通風需求，以維持設備正常運行的環境溫度；為蓄電池間提供合適的換氣條件（12V/h），采用直流式全新風系統，包括一臺100%容量的送風機和一臺100%容量的排風機。在寒冷季節，新風通過電加熱器進行加熱，風機由380V 低壓配電盤控制。蓄電池間通風系統的送風量略小于排風量，保證室內有微小的負壓，防止氫氣積聚和外逸。

如圖1 所示，根據蓄電池間通風系統的流程示意圖，蓄電池間設置在電氣廠房+3.8m，蓄電池分為A、B兩列，分別對應防火分區4SFSL0390A和4SFSL0391B。防火分區4SFSL0390A 包括：A 列電纜層，A 列蓄電池間W342、W343、W343、W345，送風機4DVE015ZV，排風機4DVE005ZV，以及B列蓄電池間送風機4DVE008ZV、防火閥4DVE036VAF 和部分防火排風管道。防火分區4SFSL0391B 包括：B 列電纜層，B 列蓄電池間W346、W347、W348，排風機4DVE006ZV。根據核島火災分析設計［3］，布置蓄電池間防火分區火災探測器，蓄電池間火災探測器由多組感煙火災探測器和氫氣探測器組成。

圖1 蓄電池間通風系統流程示意圖

3 蓄電池間通風防火響應分析

3.1 通風防火響應情況描述

執行某核電4號機組安全防火分區功能試驗規程TP4SFZ17 中防火分區4SFSL0391B 時，模擬B 列蓄電池間內發生火災時，當觸發的火災探頭數量為1時，火災探測報警系統JDT將觸發SJ.9信號并將其送到自動控制系統DCS，由DCS 在主控制室畫面KIC 上顯示防火分區火災報警（SFZ 報警）；當觸發的火災探測器數量≥2時，火災探測報警系統JDT將觸發SJ信號并將其送到DCS，由DCS自動發出命令關閉防火閥［4］4DVE03 6VAF。而蓄電池間送、排風機均由380V 低壓配電盤上操作，當防火閥關閉時，風機未能及時停運，導致送風機4DVE008ZV 出口被關閉，排風機4DVE006ZV 吸入蓄電池間的高溫腐蝕性煙氣。

根據電纜層通風系統手冊，特殊瞬態運行：如果一個房間失火，關閉防火閥隔離該房間，其相應的DVE系統是否停運，視具體情況而定。隔離包括起火房間（或幾個房間）在內的防火區［5］，如果防火區的隔離切斷來自風機的氣流，通風系統可以手動停運或保持運行。蓄電池間的通風在380V 配電盤上手動啟動和停運，因此，對于蓄電池間通風系統的啟停需要人為決策。然而，設計并未明確火災情況下通風系統啟停的判斷依據，并且由于整個蓄電池間通風系統僅在蓄電池間A/B邊界設置了一個防火閥，此時，無論是否停運蓄電池間送排風機，均不利于火災的控制，無法對火災進行有效隔離，可能導致發生火災對應列的蓄電池間和電纜層的災情有進一步擴大的風險。

3.2 防火響應問題分析

根據核電廠防火HAD102/11［6］，核電廠在所有情況下都必須具備足夠的防火能力。應通過在設計上運用縱深防御概念，實現下述3個主要目標，即：（1）防止核電廠發生火災；（2）快速探測并撲滅核電廠已發生的火災，從而減輕火災的危害；（3）限制尚未撲滅的火災蔓延，從而將火災對核電廠的影響降至最低。

第一個目標，要求在電廠的設計和運行中將發生火災的概率降至最低；要求蓄電池間配備適用的強制通風系統，排氣管道應位于防火區的最高處；空氣濕度應不大于70%，防止因絕緣不合格，導致短路，發生火災；蓄電池間安裝和使用的所有電氣設備都應防爆。現有的蓄電池間通風系統達到了防火設計的第一個目標。

第二個目標的實現涉及采用自動和（或）人工消防技術的組合達到火災的早期探測和撲滅，因而它取決于能動防火技術。蓄電池間屬于爆炸性氣體混合物環境，需配置氫氣探測器對室內氫氣濃度實時監測。蓄電池間火災探測器由多組感煙火災探測器和氫氣探測器組成，同時，在探測器的加工制作中，必須選用耐腐蝕器件和防腐蝕工藝處理，保證探測器的耐酸腐蝕性能。由于蓄電池間的電氣設備工作特性（如圖2 所示），蓄電池房間內未布置雨淋噴淋系統，滅火只采用了人工消防技術，由消防隊員進行火災干預，使用二氧化碳滅火器手動滅火，而蓄電池間內著火后存在大量攜帶酸液的高溫煙氣，增加了滅火的難度和危害性。

圖2 蓄電池間防火分區圖

第三個目標的實現必須特別強調使用非能動的防火屏蔽和實體分隔，包括在不能實現第一個和第二個目標時，作為最后一道防線的特殊分隔和防火隔斷。為了第三個目標的實現，設置了防火分區進行隔離，但是現有設計將蓄電池間與對應列電纜間劃分進同一個防火分區，其中，電纜層的火災危害為電纜電氣火災［7-8］，火災危害性較大。采用此方案設計的前提是，若火災在本防火空間發生，相關系統的B列設備將不可用，此時，操縱員可完全依靠A列設備將機組帶到安全狀態，但此時的防火分區設置不能將火災對電廠安全重要功能的影響降至最低，火災會在防火分區內蔓延擴大，導致整列直流電源完全不可用，損失進一步擴大。

根據電纜層通風系統手冊，失火情況下控制原則為：“隔離包括起火房間（或幾個房間）在內的防火分區，如果防火區的隔離切斷來自風機的氣流，通風系統可以手動停運或保持運行。”蓄電池間送排風機均需在380V 低壓配電盤上手動啟停，無自動啟停邏輯，則火災情況下風機狀態控制需要人為決策。由上所述，設計并未明確通風系統是否停運的判斷標準，風機在火災情況下停運或保持運行需根據情況討論研究。現以B 列防火分區火災時風機是否停運進行討論：當蓄電池間房間發生火災時，JDT 火災探測報警系統信號聯鎖防火閥4DVE036VAF自動關閉，送風系統中斷，蓄電池間內產生高溫煙氣，煙氣溫度升高體積膨脹，向外擴散，且煙氣會攜帶硫酸溶液，具有腐蝕性。

（1）若不停運排風機：排風機保持運行，排出著火房間內的煙氣，有利于消防響應現場操作人員滅火。但排風機4DVE006ZV未按照防火設計規范進行設計，其要求空氣吸入溫度僅為10～35℃，同時，風機的進出口軟接均未按防火設計。根據通風系統軟接頭技術規格書，軟接頭的材料是根據RCC-I 壓水堆核電廠防火設計和建造規則1.8.2 條定為M2 級（難燃燒材料），排風機吸入高溫腐蝕性煙氣，存在由煙氣引燃軟接導致電纜層起火的風險，火災進一步擴大。同時，將高溫腐蝕性氣體直接通過風口排到室外，煙氣擴散到廠房外，酸霧遇冷冷凝，可能造成人員受傷。

（2）若消防響應人員在380V 低壓配電間停運風機，由于火災產生高溫煙氣，煙氣溫度升高體積膨脹，根據現有風管的布置，煙氣極易通過風管擴散到其他蓄電池間，導致整個B 列蓄電池間受到高溫腐蝕性煙氣的影響，此時，由于通風系統已被停運，無法排出蓄電池釋放的氫氣，氫氣在房間頂部積聚，可能造成火災的擴散或爆炸，進一步擴大火災危害。

因此，根據蓄電池間通風系統設計，當火災情況下，視具體情況停運和保持運行通風系統，無論是否停運通風系統，以現有風管布置方案，均不利于火災控制，此時的通風消防設計未到達核電廠防火HAD102/11防火設計的第三個目標。

4 改進方案

為滿足核電廠防火HAD102/11 的第三個目標，防止尚未撲滅的火災蔓延，從而將火災對電廠安全重要功能的影響降至最低，現就蓄電池間通風系統進行以下方面改進。同時，更新核電廠消防行動卡，當蓄電池間發生火災時，消防響應分為下列兩個階段。

（1）蓄電池間通風管道布置進行修改，以B列蓄電池間通風系統為例，如圖3所示，蓄電池間的送排風管均設置防火閥［9］，根據火災自動探測信號聯鎖防火閥的關閉，將火災房間進行單獨隔離，且不影響其他房間的正常送排風，防止火災蔓延，為消防滅火人員提供寶貴的響應時間。

圖3 B 列蓄電池流程示意圖

（2）排風機及其軟接材料采用防火設計，材料需耐火、耐高溫、防腐蝕，排風管選擇防火風管。排風口需重新布置，不能將高溫腐蝕性的煙氣直接排放到+3.8m的室外，防止酸霧冷凝腐蝕設備和危害人員健康。當現場消防效應人員進行人工滅火時，將通風系統切換至排煙模式，即關閉未著火房間的出口防火閥［13］，打開著火房間的出口防火閥，此時，著火房間的入口防火閥仍保持關閉，將有害含酸煙氣排出，為消防響應人員滅火提供合適條件。送風機保持運行，用于稀釋未著火房間的氫氣濃度，同時，保持該房間正壓，防止臨近房間的煙氣侵入。

因此，根據上述修改，蓄電池間發生火災情況下，可以將著火房間單獨隔離，且并不影響其他房間的正常送排風，防止火災蔓延和其他房間內氫氣的積聚。滅火過程中，可將通風系統切至排煙模式，將有害含酸煙氣排出，為消防響應人員滅火提供合適條件。