核電廠建筑防火性能化設(shè)計(jì)研究

關(guān)鍵詞 性能化設(shè)計(jì)；火災(zāi)模擬、FDTS；CFAST、FDS  

　　1 防火性能化設(shè)計(jì) 

　　建筑防火“性能化”設(shè)計(jì)是對(duì)“處方式”防火設(shè)計(jì)的改進(jìn)。“處方式”防火設(shè)計(jì)方法根據(jù)建筑物的使用類型、層數(shù)、平面布置、高度、面積等情況，對(duì)照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的條文中給定的消防設(shè)施的設(shè)置要求及設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著大型建筑復(fù)雜化、多功能化，以及新材料、新技術(shù)和新的建筑結(jié)構(gòu)形式涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的“處方式”防火設(shè)計(jì)有很大的局限性。針對(duì)此缺陷改進(jìn)的“性能化”防火設(shè)計(jì)運(yùn)用消防安全工程學(xué)的原理和方法，根據(jù)總體目標(biāo)確定整個(gè)防火系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的性能目標(biāo)，并針對(duì)各類建筑物的實(shí)際狀態(tài)，應(yīng)用所有可能方法對(duì)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)和將導(dǎo)致的后果進(jìn)行定性、定量地預(yù)測(cè)和評(píng)估，以期達(dá)到最佳的防火設(shè)計(jì)方案和最好的防火保護(hù)。防火性能化設(shè)計(jì)方法廣泛地應(yīng)用于民用建筑，如超高層建筑、大型商場(chǎng)、地下建筑、大型娛樂(lè)游藝場(chǎng)所等。 

　　國(guó)外許多公司、科研院所等機(jī)構(gòu)將防火性能化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到核電廠建筑廠房的防火設(shè)計(jì)中，編寫火災(zāi)模擬軟件對(duì)核電廠放進(jìn)行定量化消防設(shè)計(jì)，如法國(guó)電力公司EDF編寫火災(zāi)模擬軟件MAGIC，美國(guó)國(guó)家標(biāo)注技術(shù)研究所（NIST）開(kāi)發(fā)火災(zāi)模擬軟件CFAST，美國(guó)核管會(huì)（NUREG）編寫火災(zāi)定量化分析工具FDTs等，而且頒布多項(xiàng)有關(guān)防火性能化設(shè)計(jì)的文件，如NFPA-805，NFPA-806，NUREG-1805，NUREG-1824，NUREG-1934，NUREG-6850等。 

　　2002年，美國(guó)消防協(xié)會(huì)頒布《NFPA-805》，首次將性能化防火標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到輕水堆核電廠的消防中。2004年，美國(guó)消防協(xié)會(huì)在聯(lián)邦法規(guī)《10 CFR 50.48》中允許美國(guó)核電廠運(yùn)營(yíng)商自愿使用《NFPA-805》中的消防要求作為已有確定性消防需求的另一個(gè)選擇。 

　　美國(guó)消防協(xié)會(huì)頒布了性能化消防國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《NFPA-806》，針對(duì)改進(jìn)型第二代核電站的建設(shè)和運(yùn)行所有階段，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了風(fēng)險(xiǎn)已知/性能化防火改進(jìn)過(guò)程的最低需求。該標(biāo)準(zhǔn)定義核電廠消防相關(guān)術(shù)語(yǔ)，縱深防御的基本需求（如性能化目標(biāo)和準(zhǔn)則），以及分析方法（火災(zāi)模擬定量化分析）等。 

　　美國(guó)核管會(huì)開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單的、定量地火災(zāi)危害分析工具（FDTs），文件《NUREG-1805》給出此工具的使用說(shuō)明，用于評(píng)估可信火災(zāi)場(chǎng)景的可能性。這些評(píng)估的目的之一是判斷潛在火災(zāi)是否會(huì)對(duì)核電廠內(nèi)安全停堆構(gòu)件造成嚴(yán)重?fù)p壞。該工具已經(jīng)制作成Microsoft Excel?表格以便使用，它基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原理，包括簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式以及詳細(xì)的數(shù)學(xué)方程式，多種物質(zhì)的火災(zāi)特性數(shù)據(jù)表也整合在此表格中。 

　　計(jì)算機(jī)計(jì)算量大、速度快，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多款火災(zāi)模擬軟件，為對(duì)這些軟件進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證，美國(guó)核管會(huì)組織研究人員進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果匯編成冊(cè)，發(fā)布《NUREG-1824》。此份報(bào)告選取5種火災(zāi)模擬軟件工具作為研究對(duì)象，采用統(tǒng)一的方法開(kāi)展檢驗(yàn)和驗(yàn)證研究，調(diào)查這些軟件在引用到核電廠消防中遇到的問(wèn)題，并將模型相對(duì)于實(shí)際試驗(yàn)的預(yù)測(cè)能力定量化。 

　　隨著核電廠消防性能化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展以及火災(zāi)模擬計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，對(duì)核電廠進(jìn)行消防性能化分析的水平不斷提高，為加強(qiáng)對(duì)性能化設(shè)計(jì)中火災(zāi)建模的指導(dǎo)，美國(guó)核管會(huì)頒布《NUREG-1934》。該份文件指導(dǎo)核電廠建筑火災(zāi)建模，分析目前常用的火災(zāi)定量化分析建模工具，對(duì)各類型工具的基本原理進(jìn)行闡述，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。此指導(dǎo)文件給出一些典型火災(zāi)場(chǎng)景的分析注意事項(xiàng)和火災(zāi)建模軟件的選擇。 

　　《NUREG-1934》中火災(zāi)建模過(guò)程分為6個(gè)步驟：1）定義火災(zāi)建模目標(biāo)；2）描述火災(zāi)情景；3）選擇火災(zāi)模型；4）計(jì)算火災(zāi)造成后果；5）開(kāi)展敏感性和不確定性分析；6）記錄分析。 

　　火災(zāi)概率安全分析是當(dāng)前定量化分析的重要方法，美國(guó)電力研究所EPRI和美國(guó)核管會(huì)NRC開(kāi)展火災(zāi)概率安全分析研究并頒布《NUREG/CR-6850》。此文件指出火災(zāi)概率安全分析需要4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的人員參與：1）火災(zāi)分析；2）基本PRA和反應(yīng)堆系統(tǒng)分析；3）人員可靠性分析；4）電氣分析。該文件總結(jié)了最新的火災(zāi)概率安全分析方法，為火災(zāi)概率安全分析的相關(guān)人員提供技術(shù)支持。 

　　2 火災(zāi)模擬軟件 

　　目前，常用的火災(zāi)模擬軟件分為3類：1）代數(shù)模型；2）區(qū)域模型；3）場(chǎng)模型。 

　　1）代數(shù)模型 

　　軟件：FDTs及FIVE-Rev 1。 

　　代數(shù)模型是孤立的關(guān)系式，可以從參考文獻(xiàn)中找到，或是從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出的方程，能夠?qū)φ�體著火場(chǎng)景進(jìn)行概況的簡(jiǎn)單處理。這些關(guān)系式通常是一階微分方程，能夠計(jì)算熱氣層溫度、火焰熱通量、煙氣產(chǎn)生速度、熱氣層高度、探測(cè)器激活時(shí)間等。 

　　優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)單易用；輸入少；計(jì)算快；可進(jìn)行多參數(shù)敏感性研究。 

　　劣勢(shì)：應(yīng)用范圍有限；現(xiàn)象處理與外界隔離；一般應(yīng)用僅適用于簡(jiǎn)單定義的臨時(shí)火災(zāi)。 

　　2）區(qū)域模型 

　　軟件：CFAST及MAGIC。 

　　區(qū)域模型是將每個(gè)矩形空間分層，不同的軟件將空間分為不同的層數(shù)，如CFAST將矩形空間分為上下2層。區(qū)域模型假設(shè)每一層是充分混合的，同一層內(nèi)的所有火災(zāi)環(huán)境參數(shù)（例如溫度、煙氣濃度等）在同一層內(nèi)是完全相同的。上、下兩層之間的邊界不是固定的，會(huì)在火災(zāi)模擬過(guò)程中上下移動(dòng)。區(qū)域模型相對(duì)于代數(shù)模型而言，可以更好地模擬空間構(gòu)造，輸入輸出數(shù)據(jù)比代數(shù)模型復(fù)雜，但比場(chǎng)模型少、計(jì)算迅速。 　　優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)單易用；聯(lián)系熱氣層與本地影響；計(jì)算快；可進(jìn)行多參數(shù)敏感性分析。 

　　劣勢(shì)：偏離矩形空間越大時(shí)錯(cuò)誤越大；大的水平通道處理不好。 

　　3）場(chǎng)模型 

　　軟件：FDS。 

　　場(chǎng)模型使用計(jì)算流體力學(xué)的方法確定某位置處的火場(chǎng)景各個(gè)參數(shù)，場(chǎng)模型將空間劃分為多個(gè)三維網(wǎng)格，因此可以模擬較復(fù)雜空間的火災(zāi)場(chǎng)景。場(chǎng)模型基于一系列的常微分方程和狀態(tài)方程，對(duì)網(wǎng)格邊界處的參數(shù)計(jì)算，因此網(wǎng)格劃分的粗細(xì)決定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，相連的空間可以劃分為粗細(xì)不同的網(wǎng)格，可以更有效率地關(guān)注重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容并節(jié)省計(jì)算時(shí)間。 

　　優(yōu)勢(shì)：可模擬復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜孔洞空間的火災(zāi)情景。 

　　工作時(shí)間有限或者空間形狀簡(jiǎn)單時(shí)，可以優(yōu)先選擇區(qū)域模型軟件，若有充足的計(jì)算時(shí)間或者空間形狀復(fù)雜時(shí)，可以優(yōu)先選擇場(chǎng)模型軟件。 

　　不同類型的軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以相互結(jié)合使用提高效率。例如有條件時(shí)，可以同時(shí)使用區(qū)域模型和場(chǎng)模型對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，比較兩種模型軟件的模擬結(jié)果，從而更有助于做出消防決策。 

　　NUREG-1824總結(jié)各模型可以計(jì)算的火災(zāi)模擬參數(shù)，如表3所示，此表格有助于根據(jù)研究目的和研究的參數(shù)選擇合適的軟件。 

　　3 火災(zāi)模擬軟件驗(yàn)證和有效性分析 

　　火災(zāi)模擬軟件的驗(yàn)證和有效性分析是保證模擬正確性、適用性的重要步驟。驗(yàn)證就是確定模型是否正確表達(dá)出開(kāi)發(fā)者的理論描述（例如，模型是否正確地建立），而有效性則是確定所建造的模型是否正確地展示現(xiàn)實(shí)世界，是否可以產(chǎn)生所關(guān)注的現(xiàn)象（例如，是否建立的正確模型）。驗(yàn)證是確保建立模型微觀上的每一個(gè)步驟都正確，而有效性則是確保所建立模型宏觀上能反映現(xiàn)實(shí)世界。 

　　NFPA-805要求必須對(duì)軟件進(jìn)行驗(yàn)證和有效性分析，只有權(quán)威管理機(jī)構(gòu)接受的火災(zāi)模型才可以應(yīng)用到火災(zāi)模擬計(jì)算中。NUREG 1934測(cè)試6個(gè)不同系列共26個(gè)全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，對(duì)模型預(yù)測(cè)核電廠可能發(fā)生火災(zāi)場(chǎng)景13個(gè)參數(shù)的能力進(jìn)行驗(yàn)證，得出每種模擬軟件模擬每個(gè)參數(shù)的偏移誤差和標(biāo)準(zhǔn)方差，如果所研究對(duì)象的各參數(shù)在這13個(gè)參數(shù)內(nèi)，則不必再進(jìn)行驗(yàn)證工作；如果部分參數(shù)在這13個(gè)參數(shù)內(nèi)，則要進(jìn)行額外的驗(yàn)證和有效性工作；而如果所有參數(shù)不在這13個(gè)參數(shù)內(nèi)，則驗(yàn)證工作不能基于NUREG 1824的研究結(jié)果。 

　    參考文獻(xiàn) 

　　[1]NUREG-1805，F(xiàn)ire Dynamics Tools （FDTs）： Quantitative Fire Hazard Analysis Methods for the U.S. Nuclear Regulatory Commission Fire Protection Inspection Program，2004. 

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　　[3]NUREG-1934，Nuclear Power Plant Fire Modeling Application Guide （NPP FIRE MAG）[R]，2011. 

　　[4]NUREG/CR-6850，EPRI/NRC-RES Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities[R]，2005. 

　　[5]NIST SP 1041，CFAST-Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport，Technical Reference Guide，2008. 

　　[6]NIST SP 1041，CFAST-Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport，User’s Guide，2008. 

　　[7]NIST SP 1019-5，F(xiàn)ire Dynamics Simulator， Technical Reference Guide，2010. 

　　[8]NIST SP 1019-5，F(xiàn)ire Dynamics Simulator，User’s Guide，2010. 

　　[9]劉芳，廖曙江.建筑防火性能化設(shè)計(jì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.