核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜火災(zāi)薄弱部位優(yōu)化分析

高 楠1，劉明明1，劉全東1，覃 吳2，李尉弘1，鄭 興2

（1.中國(guó)核動(dòng)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(guó)家新能源發(fā)電工程研究中心，北京 102206）

在《核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜可燃物分析及火災(zāi)仿真模擬》[1]一文中，通過對(duì)設(shè)計(jì)的一臺(tái)安全級(jí)DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真模擬發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜存在部分火災(zāi)隱患。因此，本文主要針對(duì)機(jī)柜內(nèi)的火災(zāi)隱患點(diǎn)（即火災(zāi)薄弱部位）進(jìn)行分析，基于熱-結(jié)構(gòu)的多物理場(chǎng)耦合問題，在流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)等方面對(duì)機(jī)柜進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，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)，主要優(yōu)化改進(jìn)方案集中在機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口優(yōu)化、機(jī)柜流場(chǎng)優(yōu)化、機(jī)柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。

1 機(jī)柜火災(zāi)薄弱環(huán)節(jié)分析

1.1 防火分區(qū)不足

機(jī)柜前后部分與上下部分的防火分區(qū)的劃分[2,3]存在不足的地方，機(jī)柜內(nèi)部后半部分側(cè)面電氣設(shè)備之間、機(jī)箱后部（如終端單元等）同上下及側(cè)面電氣設(shè)備之間實(shí)體屏障不足。同時(shí)，機(jī)柜內(nèi)后半部分設(shè)備類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電纜易出現(xiàn)過載、過熱和熱負(fù)荷，導(dǎo)致線路過熱，引起火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于缺少有效的屏障，將導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)火焰易向上、向后蔓延，進(jìn)而引燃其他部位的電氣設(shè)備，增加火災(zāi)隱患，擴(kuò)大火災(zāi)損失。而通過增設(shè)盲板等屏障來設(shè)立防火分區(qū)，利用防火屏障實(shí)體隔離火焰把火災(zāi)限制在防火區(qū)內(nèi)，隔離潛在的火災(zāi)，可使火災(zāi)的蔓延風(fēng)險(xiǎn)及隨之產(chǎn)生的CO、CO2、HCN等有毒氣體的危害降到最小化[4]。

1.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)存在不足

在正常運(yùn)行和事故工況下，機(jī)柜主要通過前門板上的通風(fēng)孔及后門板上的柜門風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)和排煙。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無法及時(shí)降低柜內(nèi)溫度，阻止有毒氣體的蔓延擴(kuò)散。為改善機(jī)柜環(huán)境，降低電氣設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)有效減緩機(jī)柜內(nèi)溫度上升速度，防止火災(zāi)蔓延、煙霧擴(kuò)散，可適當(dāng)增設(shè)通風(fēng)口。事故狀態(tài)下，及時(shí)加快機(jī)柜內(nèi)空氣流速，降低柜內(nèi)溫度，減緩溫度上升速度，防止煙霧氣擴(kuò)散并及時(shí)排出柜外。

1.3 火災(zāi)探測(cè)類型單一

機(jī)柜內(nèi)設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度達(dá)到45℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警。對(duì)于機(jī)柜內(nèi)電氣設(shè)備或電纜陰燃以及火災(zāi)初期階段，機(jī)柜內(nèi)溫度變化不大，存在監(jiān)視盲區(qū)，難以及早發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)。因此，通過添加探測(cè)范圍大的探測(cè)裝置（如：紅外火焰探測(cè)器、紅外對(duì)射式感煙探測(cè)器等）[4]來加強(qiáng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)機(jī)柜的監(jiān)視，補(bǔ)充火災(zāi)探測(cè)方式，將火災(zāi)撲滅在初期增長(zhǎng)階段，降低機(jī)柜內(nèi)的電子設(shè)備和線路的損害。

2 機(jī)柜火災(zāi)薄弱點(diǎn)優(yōu)化

根據(jù)《核電廠安全級(jí)DCS機(jī)柜可燃物分析及火災(zāi)仿真模擬》一文及第1章節(jié)火災(zāi)薄弱點(diǎn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)等多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可降低機(jī)柜火災(zāi)危害等級(jí)，下面對(duì)各個(gè)改進(jìn)方向進(jìn)行分析。

2.1 機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口優(yōu)化

對(duì)安全級(jí)DCS機(jī)柜火災(zāi)仿真模擬發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速率較慢和出風(fēng)口排風(fēng)速率較慢是導(dǎo)致安全級(jí)DCS機(jī)柜上部溫度較高的原因。通過增加機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口，及時(shí)將低溫氣體帶到機(jī)柜內(nèi)，或者通過增加機(jī)柜出風(fēng)口/改進(jìn)風(fēng)扇速率，及時(shí)將高溫氣體排放到環(huán)境中，可使機(jī)柜內(nèi)部溫度下降，從而降低機(jī)柜火災(zāi)危害等級(jí)。本文機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口的優(yōu)化方案主要有3個(gè)，分別如下：

方案一：在初始安全級(jí)DCS機(jī)柜的基礎(chǔ)上，上出風(fēng)口下方再增加兩個(gè)出風(fēng)口，如圖1。

圖1 方案一改造后的機(jī)柜模型Fig.1 Cabinet model after scheme I reconstruction

對(duì)比分析改造前后相同位置的8個(gè)熱電偶溫度，如圖2。從圖2中可以看出，機(jī)柜內(nèi)各點(diǎn)的溫度并沒有下降，甚至個(gè)別點(diǎn)的溫度高于改造前溫度。這可能是因?yàn)橄路降男麻_口沒有成為出風(fēng)口，而是起到進(jìn)風(fēng)口的效果，增加了機(jī)柜后半部分氧氣量，使可燃性氣體得到了更充分的燃燒。因此，此優(yōu)化方案不可行。

圖2 熱電偶測(cè)溫（左側(cè)為改造前，右側(cè)為改造后）Fig.2 Thermocouple temperature measurement (the left side is before reconstruction, and the right side is after reconstruction)

方案二：在初始安全級(jí)DCS機(jī)柜的基礎(chǔ)上，機(jī)柜的另外3個(gè)表面也增加出風(fēng)口，如圖3。

圖3 方案二改造后的機(jī)柜模型Fig.3 Cabinet model after transformation in Scheme II

對(duì)比改造前后相同位置的8個(gè)熱電偶溫度，如圖4。從圖4中可以看出，在前200s的時(shí)間內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)各點(diǎn)的溫度都有一定的下降，特別是改造后的機(jī)柜后半部分的溫度較改造前有了明顯的降低。但400s后，改造后的各點(diǎn)溫度較改造前有了很大的提高。這可能是因?yàn)榍?00s時(shí)，燃燒反應(yīng)剛開始，可燃物熱解產(chǎn)生的可燃性氣體較少，機(jī)柜內(nèi)的氧氣是充足的，開口的增加有利于機(jī)柜內(nèi)部與環(huán)境的散熱，從而使機(jī)柜內(nèi)溫度下降。400s后，燃燒反應(yīng)劇烈，可燃物熱解的可燃性氣體較多，開口的增加反而促進(jìn)了氧氣與可燃性氣體的接觸，有利于可燃性氣體燃燒，從而機(jī)柜內(nèi)溫度增高。不過鑒于現(xiàn)實(shí)中，200s是可以滿足煙氣檢測(cè)器或工作人員發(fā)現(xiàn)的，且200s時(shí)，機(jī)柜內(nèi)部溫度已達(dá)到溫度調(diào)節(jié)器的報(bào)警值（溫度設(shè)置值為45℃），因此可以適當(dāng)增加出風(fēng)口來降低火災(zāi)前期的危害。

圖4 熱電偶測(cè)溫（左側(cè)為改造前，右側(cè)為改造后）Fig.4 Thermocouple temperature measurement (left side is before reconstruction, right side is after reconstruction)

方案三：在初始安全級(jí)DCS機(jī)柜的基礎(chǔ)上，在機(jī)柜的出風(fēng)口處設(shè)計(jì)4m/s的風(fēng)扇，增加機(jī)柜內(nèi)與外界的空氣交換速率，如圖5。

圖5 方案三改造后的機(jī)柜模型Fig.5 Cabinet model after scheme III reconstruction

對(duì)比改造前后相同位置的8個(gè)熱電偶溫度，如圖6。從圖6中可以看出，各點(diǎn)的溫度并沒有下降，甚至個(gè)別點(diǎn)的溫度高于改造前溫度。這可能是因?yàn)轱L(fēng)扇加速了機(jī)柜內(nèi)的空氣流動(dòng)，使機(jī)柜進(jìn)氧量增加，燃燒反應(yīng)更加充分。因此，此優(yōu)化方案不可行。

圖6 熱電偶測(cè)溫（左側(cè)為改造前，右側(cè)為改造后）Fig.6 Thermocouple temperature measurement (left side is before reconstruction, right side is after reconstruction)

2.2 機(jī)柜流場(chǎng)優(yōu)化

機(jī)柜內(nèi)部流場(chǎng)分布也會(huì)影響安全級(jí)DCS機(jī)柜溫度變化。通過優(yōu)化機(jī)柜內(nèi)部流場(chǎng)，對(duì)機(jī)柜內(nèi)部溫度變化可以起到提前預(yù)測(cè)。機(jī)柜內(nèi)部流場(chǎng)Fluent仿真與分析如下：

仿真流程主要為：模型建立→單位標(biāo)定→參數(shù)設(shè)置→劃分網(wǎng)格→仿真計(jì)算→后處理→結(jié)論[5]。后處理中主要關(guān)注機(jī)柜內(nèi)部流體軌跡情況。

借助spaceclaim軟件中抽殼功能實(shí)現(xiàn)實(shí)體與空間的轉(zhuǎn)化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)柜中流場(chǎng)的建模，以模擬自然通風(fēng)情況下柜內(nèi)流場(chǎng)變化。機(jī)柜前下部為矩形排列的5×16個(gè)氣流進(jìn)口，后上部為一左一右兩個(gè)氣流出口，設(shè)置中層機(jī)箱為熱源，溫度設(shè)置為1100K。機(jī)柜內(nèi)部流場(chǎng)分布如圖7。

根據(jù)圖7可以看出機(jī)柜內(nèi)熱源處空氣流通效果較差，流速僅為0.23m/s，且機(jī)柜上部空氣流通情況較差。現(xiàn)根據(jù)以上兩點(diǎn)提出優(yōu)化方案：在機(jī)柜出口處再增加兩個(gè)門板風(fēng)扇盒，通過設(shè)置出口空氣流速為4m/s來模擬風(fēng)扇對(duì)流場(chǎng)的影響，優(yōu)化后機(jī)柜內(nèi)部空氣流速云圖如圖8。

圖7 機(jī)柜內(nèi)部流場(chǎng)分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of flow field distribution inside the cabinet

從圖8中可以明顯看出，在機(jī)柜出風(fēng)口處加裝風(fēng)扇后，熱源附近的空氣流動(dòng)情況得到了極大的改善，從0.23m/s～1.35m/s，同時(shí)機(jī)柜上部空氣流通效果得到改善。

圖8 優(yōu)化后機(jī)柜內(nèi)部空氣流速云圖Fig.8 Cloud chart of air flow rate inside the cabinet after optimization

從Fluent模擬結(jié)果可以看出，通過加裝門板風(fēng)扇盒并提高風(fēng)扇速率，可以有效改善火災(zāi)發(fā)生時(shí)機(jī)箱處及機(jī)柜上部空氣流動(dòng)情況，使火源附近空氣流動(dòng)與機(jī)柜上部空氣流通得到改善。但結(jié)合機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口方案三FDS模擬結(jié)果分析，熱電偶所測(cè)各點(diǎn)的溫度并沒有下降，甚至個(gè)別點(diǎn)的溫度高于改造前溫度。這是因?yàn)轱L(fēng)扇改善了機(jī)柜內(nèi)的空氣流動(dòng)情況，機(jī)柜進(jìn)氧量增加。機(jī)柜內(nèi)氧氣與可燃物充分接觸，燃燒反應(yīng)更加充分。因此，此優(yōu)化方案不可行。

2.3 機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案主要有兩個(gè)，分別如下：

方案一：在初始安全級(jí)DCS機(jī)柜的基礎(chǔ)上，在機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口處增加四周擋板連接，將進(jìn)風(fēng)口和盲板前的空間封閉，使空氣直接從進(jìn)風(fēng)口流向電氣設(shè)備，消除風(fēng)道的短路[6]，如圖9。

圖9 方案一改造后的機(jī)柜模型Fig.9 Cabinet model after scheme I reconstruction

對(duì)比改造前后相同位置的8個(gè)熱電偶溫度，如圖10。從圖10中可以看出，在前600s的時(shí)間內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)的溫度都有一定的下降。但在600s時(shí)，發(fā)生了火焰轟燃現(xiàn)象，溫度驟升。雖然之后幾點(diǎn)熱電偶測(cè)得的溫度下降，但通過觀察火災(zāi)蔓延情況，發(fā)現(xiàn)此時(shí)機(jī)柜下部發(fā)生了燃燒反應(yīng)。因此，此優(yōu)化方案不可行。

圖10 熱電偶測(cè)溫（左側(cè)為改造前，右側(cè)為改造后）Fig.10 Thermocouple temperature measurement (left side is before reconstruction, right side is after reconstruction)

方案二：在初始安全級(jí)DCS機(jī)柜的基礎(chǔ)上，在1U風(fēng)扇盒和機(jī)箱之間的后部添加較厚絕熱板，可以有效阻止火焰從風(fēng)扇和機(jī)箱之間向機(jī)柜后半部分蔓延，如圖11。

圖11 方案二改造后的機(jī)柜模型Fig.11 Cabinet model after transformation in Scheme II

對(duì)比改造前后相同位置的8個(gè)熱電偶溫度，如圖12。從圖12中可以看出，各點(diǎn)的溫度有明顯的下降，且發(fā)現(xiàn)無明顯的火焰蔓延情況。這可以說明新添加的后絕熱板有效阻隔了火焰的向外蔓延，把火焰阻擋在了著火點(diǎn)自身部分。因此，此優(yōu)化方案可行。

圖12 熱電偶測(cè)溫（左側(cè)為改造前，右側(cè)為改造后）Fig.12 Thermocouple temperature measurement (left side is before reconstruction, right side is after reconstruction)

3 結(jié)論

對(duì)比分析機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口、流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化前后的方案仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在1U風(fēng)扇盒和6U機(jī)箱之間的后部增設(shè)厚絕熱板和適當(dāng)增加水平開口兩個(gè)方案可以有效降低機(jī)柜內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的整體溫度，降低火災(zāi)危險(xiǎn)系數(shù)。