论文部分内容阅读
【摘 要】后处理厂的特点是放射性水平高，污染等级高，目前火灾时通风系统的运行无有效可行规范，无法确保火灾时的负压有效性。因此拟通过计算流体力学软件，对设备室火灾情景、事故分析火灾情况下的温度、压力变化，对相关通风系统设计等进行研究，确保在火灾情况下，兼顾灭火和减少放射性泄露。
【关键词】负压控制;火灾工况;通风系统;窒息灭火
一、研究背景及意义
由于后处理厂设备室的特殊工艺流程导致其具有放射性水平高、污染等级高、内部结构复杂、设备发热量大、气密性要求高的特点。
因此，后处理厂在正常运行时需要通过静态密封和动态密封来控制污染物不外泄，控制气流组织由非污染区域到污染区，由低污染区到高污染区。所以，处理厂设备室对于通风系统的设计要求不仅要考虑排除污染物，还需要考虑排除余热;事故时还需要考虑控制开口处流速;着火时，要考虑气体灭火系统，同时还要控制放射性物质外泄等问题。此外，对于某些设备室室，还要求内部有良好的气流组织，风速不能过大等问题。因此，放射性区域房间负压控制、气流组织和动态密封技术对于保障后处理厂安全运行是非常重要的。
二、基于FDS的设备室火灾模拟研究
FDS场模拟的基本控制方程如下所示：
（1）质量守恒方程
T（x，y，z）——对应t时刻，距火源中心水平距离x（m），距地面垂直距离z（m）处的空气温度，℃;
Tz——从火源中心距地面垂直距离z（m）处的最高空气升温，℃;
β——由火源功率和按αt2增长型火源确定的升温曲线形状系数;
η——距火源中心水平距离x的温度衰减系数;
t——时间，s;
b——火源中心至火源最外边缘距离，m;
μ——系数;
T0——火灾发生前的环境温度，一般取20℃。
三、模型建立及基本参数设置
（一）模型建立过程
首先是对CAD图纸进行必要的简化与组合，处理后的图形如下图所示。
然后将组合完成的CAD文件文件导入到PyroSim软件当中，生成立体图形，如下图所示：
（二）模型参数设置
（1）基本参数设置
FDS场模型中的环境温度、压强、重力加速度、空气密度等基本参数设置入下表所示。
表3-1 模型基本参数设置一览表
（2）网格划分
为保证模拟分析计算的快速进行，模型划分为10组网格，单个网格的尺寸为0.125m×0.125m×0.125m。
（3）煤油分布情况
根据集油坑附近液面分布的情况分析，在FDS模型中将煤油按照网格大小进行布置，如下图所示。
（4）材料属性设置
（5）反应及测点设置
模型中假定煤油的热解产物为C4H10，燃烧反应热值为煤油的燃烧热3.013×104kJ/kg。
（6）通风控制参数设置
送风口：在T=0s时出现，当模型中的火灾探测器动作后，延迟10s关闭送风口，停止送风。
排风口：在T=0s时出现，当模型中的排风口附近的温度测点到70℃之后自动关闭，停止排风。
（7）CO2气体灭火参数设置
对于CO2气体灭火系统的灭火效果模拟。CO2气体灭火系统的启动通过模型中的设置的火灾探测器联动触发，当火灾探测动作后，延迟10s启动气体灭火系统。
四、灭火模拟分析
对以下4种工况模拟分析：1.窒息灭火;2.设计CO2气体灭火;3.GB50193灭火工况;4.预防灭火工况
通过模拟我们可以获得不同方式下的：火灾蔓延发展过程、火灾功率变化曲线、设备室内的温度变化趋势、进排风口附近温度变化曲线、混凝土墙体温度变化趋势、设备室内压力变化趋势、进排风口附近压力变化曲线和设备室O2及CO2浓度变化曲线及数据。
五、结论
（一）关于火灾功率
对理论计算和不同工况下的火灾蔓延模拟分析得出的最大火灾功率及火灾持续时间统计如下表所示。
（二）关于火源上方的温度
不同工况下的设备室内火源上方的温度统计如下表所示。
（三）关于进、排风口附近的温度
不同工况下的设备室内进、排风口附近的最高温统计如下表所示。
（四）关于混凝土墙壁的温度
不同场景下设备室混凝土墙壁内的最高温度和平均温度统计如下表所示。
（五）关于设备室内的压力
不同工况下的设备室内典型高度位置的最大压力统计如下表所示。
（六）关于进、排风口附近的压力
不同工况下的设备室内进、排风口附近最大压力统计如下表所示。
（七）關于氧气和二氧化碳浓度
不同工况下的设备室内典型高度位置的氧气和二氧化碳浓度统计如下表所示。
（八）关于不同泄漏量工况下的设备室压力
不同泄漏量工况下，采用FDS数值模拟及理论校核分析得出的设备室内部及最大压力值如下表所示。
参考文献：
[1]《建筑设计防火规范》GB 50016-2014（2018年版）
[2]《核燃料后处理厂防火准则》EJ724-1992
[3]《二氧化碳灭火系统设计规范》GB 50193-93（2010年版）
[4]《泡沫灭火系统设计规范》GB50151-2010
[5]范显华，张存平，等.《TBP-煤油热解燃烧冷台架试验》 [6]建楠，蒋新生，等.《不同几何边界的航煤油池火灾燃烧特性》
[7]郭进.《航空煤油表面火焰脉动及表面流特性研究》
[8]李满厚.《液体表面火焰传播及表面流传热特性研究》
[9]黄咸家，毕昆，等.《核电厂封闭空间内火灾火源功率预测模型及其实验验证》
[10]The RJA Group，Inc.A Model Construction Tool F or Fire Dynamics Simulation
[11]NFPA 92B《Guide for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Areas》（2000）
[12]The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering，Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection，2nd edition，1995
[13]Moon-Hak Jee，Chan-Kook Moon，Hyeong-Taek Kim.《Performance-based fire fighting strategies for confined fire zones in nuclear power plants》
[14]L.Audouin，L.Rigollet，H.Prétrel，W.Le Saux，M.R?wekamp.OECD PRISME project：Fires in confined and ventilated nuclear-type multi-compartments - Overview and main experimental results
（作者單位：中国核电工程有限公司）
【关键词】负压控制;火灾工况;通风系统;窒息灭火
一、研究背景及意义
由于后处理厂设备室的特殊工艺流程导致其具有放射性水平高、污染等级高、内部结构复杂、设备发热量大、气密性要求高的特点。
因此，后处理厂在正常运行时需要通过静态密封和动态密封来控制污染物不外泄，控制气流组织由非污染区域到污染区，由低污染区到高污染区。所以，处理厂设备室对于通风系统的设计要求不仅要考虑排除污染物，还需要考虑排除余热;事故时还需要考虑控制开口处流速;着火时，要考虑气体灭火系统，同时还要控制放射性物质外泄等问题。此外，对于某些设备室室，还要求内部有良好的气流组织，风速不能过大等问题。因此，放射性区域房间负压控制、气流组织和动态密封技术对于保障后处理厂安全运行是非常重要的。
二、基于FDS的设备室火灾模拟研究
FDS场模拟的基本控制方程如下所示：
（1）质量守恒方程
T（x，y，z）——对应t时刻，距火源中心水平距离x（m），距地面垂直距离z（m）处的空气温度，℃;
Tz——从火源中心距地面垂直距离z（m）处的最高空气升温，℃;
β——由火源功率和按αt2增长型火源确定的升温曲线形状系数;
η——距火源中心水平距离x的温度衰减系数;
t——时间，s;
b——火源中心至火源最外边缘距离，m;
μ——系数;
T0——火灾发生前的环境温度，一般取20℃。
三、模型建立及基本参数设置
（一）模型建立过程
首先是对CAD图纸进行必要的简化与组合，处理后的图形如下图所示。
然后将组合完成的CAD文件文件导入到PyroSim软件当中，生成立体图形，如下图所示：
（二）模型参数设置
（1）基本参数设置
FDS场模型中的环境温度、压强、重力加速度、空气密度等基本参数设置入下表所示。
表3-1 模型基本参数设置一览表
（2）网格划分
为保证模拟分析计算的快速进行，模型划分为10组网格，单个网格的尺寸为0.125m×0.125m×0.125m。
（3）煤油分布情况
根据集油坑附近液面分布的情况分析，在FDS模型中将煤油按照网格大小进行布置，如下图所示。
（4）材料属性设置
（5）反应及测点设置
模型中假定煤油的热解产物为C4H10，燃烧反应热值为煤油的燃烧热3.013×104kJ/kg。
（6）通风控制参数设置
送风口：在T=0s时出现，当模型中的火灾探测器动作后，延迟10s关闭送风口，停止送风。
排风口：在T=0s时出现，当模型中的排风口附近的温度测点到70℃之后自动关闭，停止排风。
（7）CO2气体灭火参数设置
对于CO2气体灭火系统的灭火效果模拟。CO2气体灭火系统的启动通过模型中的设置的火灾探测器联动触发，当火灾探测动作后，延迟10s启动气体灭火系统。
四、灭火模拟分析
对以下4种工况模拟分析：1.窒息灭火;2.设计CO2气体灭火;3.GB50193灭火工况;4.预防灭火工况
通过模拟我们可以获得不同方式下的：火灾蔓延发展过程、火灾功率变化曲线、设备室内的温度变化趋势、进排风口附近温度变化曲线、混凝土墙体温度变化趋势、设备室内压力变化趋势、进排风口附近压力变化曲线和设备室O2及CO2浓度变化曲线及数据。
五、结论
（一）关于火灾功率
对理论计算和不同工况下的火灾蔓延模拟分析得出的最大火灾功率及火灾持续时间统计如下表所示。
（二）关于火源上方的温度
不同工况下的设备室内火源上方的温度统计如下表所示。
（三）关于进、排风口附近的温度
不同工况下的设备室内进、排风口附近的最高温统计如下表所示。
（四）关于混凝土墙壁的温度
不同场景下设备室混凝土墙壁内的最高温度和平均温度统计如下表所示。
（五）关于设备室内的压力
不同工况下的设备室内典型高度位置的最大压力统计如下表所示。
（六）关于进、排风口附近的压力
不同工况下的设备室内进、排风口附近最大压力统计如下表所示。
（七）關于氧气和二氧化碳浓度
不同工况下的设备室内典型高度位置的氧气和二氧化碳浓度统计如下表所示。
（八）关于不同泄漏量工况下的设备室压力
不同泄漏量工况下，采用FDS数值模拟及理论校核分析得出的设备室内部及最大压力值如下表所示。
参考文献：
[1]《建筑设计防火规范》GB 50016-2014（2018年版）
[2]《核燃料后处理厂防火准则》EJ724-1992
[3]《二氧化碳灭火系统设计规范》GB 50193-93（2010年版）
[4]《泡沫灭火系统设计规范》GB50151-2010
[5]范显华，张存平，等.《TBP-煤油热解燃烧冷台架试验》 [6]建楠，蒋新生，等.《不同几何边界的航煤油池火灾燃烧特性》
[7]郭进.《航空煤油表面火焰脉动及表面流特性研究》
[8]李满厚.《液体表面火焰传播及表面流传热特性研究》
[9]黄咸家，毕昆，等.《核电厂封闭空间内火灾火源功率预测模型及其实验验证》
[10]The RJA Group，Inc.A Model Construction Tool F or Fire Dynamics Simulation
[11]NFPA 92B《Guide for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Areas》（2000）
[12]The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering，Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection，2nd edition，1995
[13]Moon-Hak Jee，Chan-Kook Moon，Hyeong-Taek Kim.《Performance-based fire fighting strategies for confined fire zones in nuclear power plants》
[14]L.Audouin，L.Rigollet，H.Prétrel，W.Le Saux，M.R?wekamp.OECD PRISME project：Fires in confined and ventilated nuclear-type multi-compartments - Overview and main experimental results
（作者單位：中国核电工程有限公司）