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【摘 要】运用CFAST区域模型，对核电站电缆间进行火灾模拟。通过对模拟结果的分析，得到了不同排烟量情况下，室内热烟气层温度、烟气浓度及火焰高度的变化规律。随着排烟量的增大，烟气温度和浓度大幅降低。经过对比分析，得出72m3/h为该电缆间的最佳机械排烟量。
【关键词】电缆间；CFAST；机械排烟量；区域模拟
【中图分类号】X954
【文献标识码】B
Simulation analysis of mechanical smoke extraction volume between cables for nuclear power station
Zhang Jian-ping
（Qiandongnan state police fire brigade Kaili Guizhou 556000）
【Abstract】Uses CFAST regional model to imitate the fire in the cable room of a nuclear power plant. It can be concluded of the regular pattern of the smoke temperature， density and the height of the fire under different smoke level. As the smoke level rises， the smoke temperature and density decrease sharply. After comparison and calculation， 72m3/h is the best mechanical smoke level in the cable room.
【Key words】Cable room；CFAST；Mechanical smoke level；Regional model
1. 前言
（1）随着资源的枯竭和化石燃料价格的不断攀升，新能源结构不断调整，各国大力发展核电技术。核电厂的增多，火灾和爆炸事故也随之增多，火灾已经成为核电厂安全最现实和最直接的威胁之一。核电站内有众多厂房，各厂房均设有复杂的系统设备，控制厂房内的电缆负责传达各种指令，使得各系统设备能够正常有序运行。因此，大量集中的电缆是核电站中的重要可燃物，一旦着火，可能会造成重要系统和设备的失效。电缆燃烧会产生大量浓烟和有毒气体，给火灾的扑救带来极大困难。机械排烟系统能够及时有效地排出火灾烟气，降低烟气温度和浓度，而排烟量的确定对于合理设置机械排烟系统有非常重要的影响。
（2）过去十几年，核电行业逐步从规定性的防火设计转向以风险评估为基础的性能化分析来支持决策工作。进行性能化分析的一个关键问题是具有能够可靠预测火灾后果的、经过验证和有效性确认的火灾模型。CFAST（Consolidatefire and Smoke Transport）模型是目前较为常用的、典型的双区域模型，由美国标准技术研究所（NIST）开发，能够预测单室或多室环境的火灾及烟气的蔓延。本文所用的版本是CFAST6.0，可以计算设定火灾环境下，热烟气层温度、火灾气体浓度等参数随时间的变化。
2. CFAST基本原理
CFAST是一个典型的双区域火灾模型，能够对单个或多个房间结构建筑环境的火灾与烟气在建筑物内蔓延进行预测。对于一个给定的火灾场景，模型将其划分为两个区域，即上部热烟气层和下部冷空气层。该模型中最重要的假设是每个区域都是均匀存在的，也就是说，每个区域中各点的温度、气体和烟气浓度都是相同的，时间函数仅作为可变参数[1]。每个区域中，CFAST模型根据质量方程、元素守恒、能量方程及理想气体定律来求解环境条件。
3. CFAST区域模拟
3.1 火灾场景的设定。
（1）本文的模拟对象电缆是一个独立的房间，设置一个X=15m，Y=8 m，Z=3.6m的单室房间物理模型，电缆间的绘声绘色及环境参数见表1。
表1 电缆间结构及环境参数
（2）电缆间内主要可燃物为电缆。该电缆间内共敷设电缆桥架6组，尺寸15 m×0.6 m×0.1 m，敷设高度900mm×300mm（2个）。电费间物理模型如图1所示。
3.2 火源的设定。
（1）本文采用t2火模型描述火灾发展情况，t2火是非稳态火模型之一，假定火灾热释放速率与时间的平方成正比。它所描述的火灾发展过程，是对一般火灾发生、发展到熄灭的演化规律的一种模型化、理想化的描述。
（2）假设由于电缆桥架内单根电缆内部短路引起火灾，火势蔓延至整个电缆桥架，火灾蔓延为快速火灾发展形式。该电缆间内共有电缆4308.74Kg，燃烧热17980kJ/Kg。Monideep K.Dey根据实验资料发现，长15m、宽0.6m、厚0.1m的电缆桥架，其热释放速率的分布范围大约为0.8MW至2MW[2]。出于保守考虑，取2MW。
3.3 火灾工况的设定。
（1）排烟量的确定是机械排烟系统合理设计的一个重要因素，《核电厂防火设计规范》第4.5.5.2条对排烟量有明确规定，担负一个防烟分区排烟时，排烟量按每平方米不小于60m3/h计算，但单台风机最小风量不小于7200m3/h；担负两个或两个以上防烟分区排烟时，排烟量应按最大防烟分区面积每平方米不小于120m3/h计算[3]。
（2）这种“处方式”机械排烟量设计可能偏离实际火灾情况，难以满足及时有效排出热烟气的要求。为了得到电缆间的最佳机械排烟量，分别对排烟量48 m3/h，60 m3/h，72 m3/h，84 m3/h进行火灾模拟。 4. 模拟结果分析
使用CFAST6.0软件进行火灾模拟，得到不同排烟量下热烟气层温度、CO浓度、火焰高度随时间的变化，从而考查火灾的发展情况[4]。
4.1 热烟气层温度变化分析。
通过模拟，得到了不同排烟量下热烟气层温度的变化趋势，如图2所示。100s后，排烟机开始动作，烟气层温度的变化出现差异。排烟量取72m3/s和84 m3/s时，温度曲线基本重合：100s后，排烟风机动作，排出燃烧产生的烟气，带走大量的热，使得烟气温度开始缓慢下降，550s后，下降速度加快。排烟量取60 m3/s时，变化趋势大致相同。而当排烟量取48 m3/s时，200s一550s之间，温度趋于平缓，维持在400℃左右。
4.2 CO浓度的变化分析。
CO浓度随时间的变化趋势，如图3所示。排烟风机动作，由室内抽出大量的烟气，使得烟气浓度降低。当排烟量取72m3/s和84 m3/s时，CO浓度曲线基本重合：150s达到峰值95ppm后开始下降，600s后维持在45ppm。排烟量取60m3/s时，在100s一500s，浓度比前两种工况高出5ppm，600s后浓度维持在46ppm。而当排烟量取48 m3/s时，CO浓度的下降速度与前三种工况相比较为缓慢，600s后浓度维持在68ppm。
4.3 火焰高度的变化分析。
火焰高度随时间的变化趋势，如图4所示。排烟风机动作后，热量随烟气被排出，环境温度降低，对燃烧起到了抑制作用，火焰高度有所降低。当排烟量取72 m3/s和84 m3/s时，火焰高度变化曲线基本重合：100s一150s，火焰高度下降幅度大；150s一500s，下降缓慢；500s一630s后，下降速度加快，650s火焰高度将为O，火焰熄灭。排烟量取60m m3/s时，火焰高度的变化趋势基本相同，下降速度相当较慢。排烟量取48 m3/s时，200s一500s，火焰高度停止下降，维持在1.3m左右。500s后，继续下降，650s，火焰熄灭。
5. 结论
（1）电缆间内设置机械排烟系统，可以及时有效地将着火区域中产生的高温烟气通过排烟口强制排至室外，使得着火区域烟气温度和浓度降低，抑制燃烧。
（2）随着排烟量的增大，烟气温度、烟气浓度以及火焰高度大幅降低，对燃烧的抑制作用越明显。
（3）当排烟量达到72m3/s后，继续增大排烟量，烟气温度、烟气浓度以及火焰高度都无明显变化。由此可见，当排烟量增大到一定程度，继续增大排烟量对燃烧无法产生显著影响，72m3/s可作为电缆间在该模拟环境下得最佳排烟量。
参考文献
[1] 舒中俊，孙华玲.火灾区域模拟原理及CFAST软件应用[J]，武警学院学报.2004，20（2），30～33.
[2] Monideep K.Dey.Evaluation of Fire Models for Nuclear Power Plant，Applications：Cable Tray Fires。U.S.Department of Commerce，National Institute of Standards and Technology， November 2002.
[3] 核电厂防火设计规范[S]（GB/T 22158-2008）.
[4] 王厚华，韩武松等.建筑物走廊机械排烟量性能化研究[J].暖通空调，2007，37（9），65～70.
[文章编号]1006-7619（2014）11-23-985
[作者简介] 张建平（1978-），汉族，籍贯：贵州凯里市人，学历：大学本科，学士学位，职称：防火技术10级工程师，主要从事消防监督工作。
【关键词】电缆间；CFAST；机械排烟量；区域模拟
【中图分类号】X954
【文献标识码】B
Simulation analysis of mechanical smoke extraction volume between cables for nuclear power station
Zhang Jian-ping
（Qiandongnan state police fire brigade Kaili Guizhou 556000）
【Abstract】Uses CFAST regional model to imitate the fire in the cable room of a nuclear power plant. It can be concluded of the regular pattern of the smoke temperature， density and the height of the fire under different smoke level. As the smoke level rises， the smoke temperature and density decrease sharply. After comparison and calculation， 72m3/h is the best mechanical smoke level in the cable room.
【Key words】Cable room；CFAST；Mechanical smoke level；Regional model
1. 前言
（1）随着资源的枯竭和化石燃料价格的不断攀升，新能源结构不断调整，各国大力发展核电技术。核电厂的增多，火灾和爆炸事故也随之增多，火灾已经成为核电厂安全最现实和最直接的威胁之一。核电站内有众多厂房，各厂房均设有复杂的系统设备，控制厂房内的电缆负责传达各种指令，使得各系统设备能够正常有序运行。因此，大量集中的电缆是核电站中的重要可燃物，一旦着火，可能会造成重要系统和设备的失效。电缆燃烧会产生大量浓烟和有毒气体，给火灾的扑救带来极大困难。机械排烟系统能够及时有效地排出火灾烟气，降低烟气温度和浓度，而排烟量的确定对于合理设置机械排烟系统有非常重要的影响。
（2）过去十几年，核电行业逐步从规定性的防火设计转向以风险评估为基础的性能化分析来支持决策工作。进行性能化分析的一个关键问题是具有能够可靠预测火灾后果的、经过验证和有效性确认的火灾模型。CFAST（Consolidatefire and Smoke Transport）模型是目前较为常用的、典型的双区域模型，由美国标准技术研究所（NIST）开发，能够预测单室或多室环境的火灾及烟气的蔓延。本文所用的版本是CFAST6.0，可以计算设定火灾环境下，热烟气层温度、火灾气体浓度等参数随时间的变化。
2. CFAST基本原理
CFAST是一个典型的双区域火灾模型，能够对单个或多个房间结构建筑环境的火灾与烟气在建筑物内蔓延进行预测。对于一个给定的火灾场景，模型将其划分为两个区域，即上部热烟气层和下部冷空气层。该模型中最重要的假设是每个区域都是均匀存在的，也就是说，每个区域中各点的温度、气体和烟气浓度都是相同的，时间函数仅作为可变参数[1]。每个区域中，CFAST模型根据质量方程、元素守恒、能量方程及理想气体定律来求解环境条件。
3. CFAST区域模拟
3.1 火灾场景的设定。
（1）本文的模拟对象电缆是一个独立的房间，设置一个X=15m，Y=8 m，Z=3.6m的单室房间物理模型，电缆间的绘声绘色及环境参数见表1。
表1 电缆间结构及环境参数
（2）电缆间内主要可燃物为电缆。该电缆间内共敷设电缆桥架6组，尺寸15 m×0.6 m×0.1 m，敷设高度900mm×300mm（2个）。电费间物理模型如图1所示。
3.2 火源的设定。
（1）本文采用t2火模型描述火灾发展情况，t2火是非稳态火模型之一，假定火灾热释放速率与时间的平方成正比。它所描述的火灾发展过程，是对一般火灾发生、发展到熄灭的演化规律的一种模型化、理想化的描述。
（2）假设由于电缆桥架内单根电缆内部短路引起火灾，火势蔓延至整个电缆桥架，火灾蔓延为快速火灾发展形式。该电缆间内共有电缆4308.74Kg，燃烧热17980kJ/Kg。Monideep K.Dey根据实验资料发现，长15m、宽0.6m、厚0.1m的电缆桥架，其热释放速率的分布范围大约为0.8MW至2MW[2]。出于保守考虑，取2MW。
3.3 火灾工况的设定。
（1）排烟量的确定是机械排烟系统合理设计的一个重要因素，《核电厂防火设计规范》第4.5.5.2条对排烟量有明确规定，担负一个防烟分区排烟时，排烟量按每平方米不小于60m3/h计算，但单台风机最小风量不小于7200m3/h；担负两个或两个以上防烟分区排烟时，排烟量应按最大防烟分区面积每平方米不小于120m3/h计算[3]。
（2）这种“处方式”机械排烟量设计可能偏离实际火灾情况，难以满足及时有效排出热烟气的要求。为了得到电缆间的最佳机械排烟量，分别对排烟量48 m3/h，60 m3/h，72 m3/h，84 m3/h进行火灾模拟。 4. 模拟结果分析
使用CFAST6.0软件进行火灾模拟，得到不同排烟量下热烟气层温度、CO浓度、火焰高度随时间的变化，从而考查火灾的发展情况[4]。
4.1 热烟气层温度变化分析。
通过模拟，得到了不同排烟量下热烟气层温度的变化趋势，如图2所示。100s后，排烟机开始动作，烟气层温度的变化出现差异。排烟量取72m3/s和84 m3/s时，温度曲线基本重合：100s后，排烟风机动作，排出燃烧产生的烟气，带走大量的热，使得烟气温度开始缓慢下降，550s后，下降速度加快。排烟量取60 m3/s时，变化趋势大致相同。而当排烟量取48 m3/s时，200s一550s之间，温度趋于平缓，维持在400℃左右。
4.2 CO浓度的变化分析。
CO浓度随时间的变化趋势，如图3所示。排烟风机动作，由室内抽出大量的烟气，使得烟气浓度降低。当排烟量取72m3/s和84 m3/s时，CO浓度曲线基本重合：150s达到峰值95ppm后开始下降，600s后维持在45ppm。排烟量取60m3/s时，在100s一500s，浓度比前两种工况高出5ppm，600s后浓度维持在46ppm。而当排烟量取48 m3/s时，CO浓度的下降速度与前三种工况相比较为缓慢，600s后浓度维持在68ppm。
4.3 火焰高度的变化分析。
火焰高度随时间的变化趋势，如图4所示。排烟风机动作后，热量随烟气被排出，环境温度降低，对燃烧起到了抑制作用，火焰高度有所降低。当排烟量取72 m3/s和84 m3/s时，火焰高度变化曲线基本重合：100s一150s，火焰高度下降幅度大；150s一500s，下降缓慢；500s一630s后，下降速度加快，650s火焰高度将为O，火焰熄灭。排烟量取60m m3/s时，火焰高度的变化趋势基本相同，下降速度相当较慢。排烟量取48 m3/s时，200s一500s，火焰高度停止下降，维持在1.3m左右。500s后，继续下降，650s，火焰熄灭。
5. 结论
（1）电缆间内设置机械排烟系统，可以及时有效地将着火区域中产生的高温烟气通过排烟口强制排至室外，使得着火区域烟气温度和浓度降低，抑制燃烧。
（2）随着排烟量的增大，烟气温度、烟气浓度以及火焰高度大幅降低，对燃烧的抑制作用越明显。
（3）当排烟量达到72m3/s后，继续增大排烟量，烟气温度、烟气浓度以及火焰高度都无明显变化。由此可见，当排烟量增大到一定程度，继续增大排烟量对燃烧无法产生显著影响，72m3/s可作为电缆间在该模拟环境下得最佳排烟量。
参考文献
[1] 舒中俊，孙华玲.火灾区域模拟原理及CFAST软件应用[J]，武警学院学报.2004，20（2），30～33.
[2] Monideep K.Dey.Evaluation of Fire Models for Nuclear Power Plant，Applications：Cable Tray Fires。U.S.Department of Commerce，National Institute of Standards and Technology， November 2002.
[3] 核电厂防火设计规范[S]（GB/T 22158-2008）.
[4] 王厚华，韩武松等.建筑物走廊机械排烟量性能化研究[J].暖通空调，2007，37（9），65～70.
[文章编号]1006-7619（2014）11-23-985
[作者简介] 张建平（1978-），汉族，籍贯：贵州凯里市人，学历：大学本科，学士学位，职称：防火技术10级工程师，主要从事消防监督工作。