火災(zāi)定性篩選分析方法研究及應(yīng)用

顏 珍 李肇華 李 琳

上海核工程研究設(shè)計院

火災(zāi)定性篩選分析方法研究及應(yīng)用

顏 珍 李肇華 李 琳

上海核工程研究設(shè)計院

劃分好的火災(zāi)隔間必須經(jīng)過一系列的篩選分析以確定對應(yīng)每個隔間的火災(zāi)風(fēng)險。定性篩選是這種篩選分析的第一步。定性分析的目的是根據(jù)事先確定好的準(zhǔn)則，識別那些火災(zāi)風(fēng)險相對其它隔間較低或者根本沒有風(fēng)險的隔間。本文主要介紹火災(zāi)定性篩選分析的方法以及在特定電廠中的實(shí)際分析應(yīng)用。

定性篩選；火災(zāi)PSA；核電廠

1 概述

核電發(fā)展歷史表明，核電廠內(nèi)部火災(zāi)對核電廠的危害是不可忽視的。因此，為了降低火災(zāi)對電廠的安全威脅，提升電廠的運(yùn)營效益，有必要開展火災(zāi)概率安全評價(PSA)工作。而對于核電廠來說，不是每個區(qū)域都是風(fēng)險重要的，因此為了簡化分析并能重點(diǎn)關(guān)注那些風(fēng)險重要的區(qū)域，有必要將劃分好的火災(zāi)隔間進(jìn)行一系列的篩選分析。定性篩選是這種篩選分析的第一步。定性分析的目的是根據(jù)事先確定好的準(zhǔn)則，識別那些火災(zāi)風(fēng)險相對其它隔間較低或者根本沒有風(fēng)險的隔間。

2005年9月美國核管理委員會(NRC)和美國電力研究院(EPRI)聯(lián)合出版了NUREG/CR-6850-“Fire PSA Methodology for Nuclear Power Facilities”[1](以下簡稱6850)，該報告是目前為止最新的一份專門論述火災(zāi)PSA分析方法的文獻(xiàn)，它全面而詳實(shí)地對火災(zāi)PSA分析方法進(jìn)行了介紹，因此本論文主要參考該報告的第4章內(nèi)容并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對火災(zāi)定性篩選方法進(jìn)行研究。

2 定性篩選分析方法

本論文通過對6850的方法進(jìn)行研究并結(jié)合電廠的實(shí)際情況對某30萬千瓦核電廠及第三代非能動核電廠進(jìn)行了火災(zāi)定性篩選分析?？紤]到分析電廠均為設(shè)計電廠，且定性篩選分析為一個反復(fù)的過程，因此本論文在6850的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改和調(diào)整，具體如下所示。

2.1 分析步驟

本次分析按下列步驟執(zhí)行，其中，考慮到要進(jìn)行定性篩選分析，必須先獲得該分析的輸入(包括隔間劃分、火災(zāi)PSA設(shè)備和電纜的挑選)，因此這部分內(nèi)容也在本次分析范圍內(nèi)。此外，為了避免和減少后續(xù)工作的反復(fù)，本次分析將火災(zāi)蔓延分析包含在本任務(wù)中執(zhí)行。

(1)確定所有的電廠隔間。

(2)確定每個隔間內(nèi)的火災(zāi)PSA設(shè)備和電纜，也即受火災(zāi)影響可能導(dǎo)致電廠停堆或影響火災(zāi)PSA中考慮的緩解安全功能及操縱員動作的設(shè)備和電纜(包括設(shè)備不可用和設(shè)備誤動的影響)。

(3)對所有隔間分析其內(nèi)發(fā)生突破防火屏障的火災(zāi)蔓延的可能性及蔓延的特性。符合下列條件的隔間認(rèn)為不會發(fā)生火災(zāi)蔓延：1)可燃物載荷很低，不會產(chǎn)生破壞熱氣層；2)沒有可燃路徑；3)邊界處沒有可燃物載荷集中。不符合上述準(zhǔn)則的火災(zāi)蔓延認(rèn)為可信，針對不同類型隔間，火災(zāi)蔓延考慮如下：

a)對于防火區(qū)(防火屏障完整)，只考慮穿過一個獨(dú)立防火區(qū)屏障的蔓延，且只考慮一步蔓延(即只蔓延至一個相鄰的防火區(qū)，而不會超越受影響的隔間發(fā)生進(jìn)一步的蔓延)。

b)對于防火小區(qū)，由于防火屏障不完整，考慮發(fā)生在其內(nèi)的火災(zāi)可能蔓延至多個防火小區(qū)，也就是，認(rèn)為從發(fā)生火災(zāi)的防火小區(qū)同時向多個鄰近防火小區(qū)的火災(zāi)蔓延是可信的并對其進(jìn)行考慮。

c)一個隔間可能會有多條火災(zāi)蔓延路徑，在分析時只考慮導(dǎo)致最嚴(yán)重后果的火災(zāi)蔓延路徑。

d)如果蔓延后的后果與隔間自身火災(zāi)后果相同，則可由隔間內(nèi)火災(zāi)包絡(luò)而不需要考慮此類蔓延。

對于沒有可信蔓延路徑的獨(dú)立隔間，執(zhí)行詳細(xì)的隔間內(nèi)火災(zāi)對電廠停堆/安全停堆設(shè)備產(chǎn)生的損傷分析，確定在給定隔間內(nèi)所有的設(shè)備和電纜都受到損傷后會不會產(chǎn)生電廠停堆要求。對于有可信蔓延路徑的獨(dú)立隔間，執(zhí)行詳細(xì)的隔間內(nèi)火災(zāi)對電廠停堆/安全停堆設(shè)備產(chǎn)生的損傷分析，確定假想的火災(zāi)蔓延至鄰近隔間時是否有停堆要求。如果向鄰近隔間的所有可能的蔓延都不會產(chǎn)生停堆要求，則不需要考慮進(jìn)一步的情景發(fā)展。除非能論證火災(zāi)不會導(dǎo)致自動停堆，也不會由于火災(zāi)規(guī)程或響應(yīng)計劃、應(yīng)急運(yùn)行規(guī)程或技術(shù)規(guī)格書的要求進(jìn)行手動停堆，否則都假定有停堆需求。如果正常電廠運(yùn)行工況下火災(zāi)不會產(chǎn)生停堆需求，且沒有任何事故緩解設(shè)備受到損傷，該隔間可被篩選掉而不需進(jìn)行進(jìn)一步的風(fēng)險分析。

認(rèn)為僅導(dǎo)致執(zhí)行受控的手動停堆(作為一項(xiàng)預(yù)防性措施)而不會影響任何概率安全分析(PSA)中考慮的安全停堆系統(tǒng)的火災(zāi)事件可忽略。這是因?yàn)椴粫鹑魏蜳SA中考慮的安全停堆系統(tǒng)失效的始發(fā)事件的條件堆芯損傷概率(CCDP)很低。再乘以這類事件的低頻率將得到一個更低的堆芯損傷頻率(CDF)。

表1 定性篩選分析表格示例

2.2 假設(shè)和邊界條件

本次分析中采用的假設(shè)和邊界條件如下所示：

1)采用與內(nèi)部事件一致的成功準(zhǔn)則，即達(dá)到和維持一個安全穩(wěn)定狀態(tài)。

2)除安全殼外，假設(shè)某一隔間內(nèi)的假想火災(zāi)將損壞隔間內(nèi)所有易受火災(zāi)影響的設(shè)備和電纜。

3)本分析中認(rèn)為非可燃的非能動和機(jī)械部件，即非電氣部件，如熱交換器、管道等，不會由于火災(zāi)而失效。

2.3 定性篩選分析

2.3.1 確定電廠隔間

參考防火分區(qū)設(shè)計基礎(chǔ)圖、電廠總平面布置圖、對應(yīng)各廠房的建筑施工圖等相關(guān)圖紙并通過與相關(guān)設(shè)計人員討論，確定電廠隔間。

2.3.2 確定每個隔間內(nèi)的火災(zāi)PSA設(shè)備和電纜

2.3.2.1 確定火災(zāi)PSA設(shè)備

通過審查內(nèi)部事件PSA模型以及火災(zāi)安全停堆分析報告，同時參考電廠布置圖、系統(tǒng)管道和儀表圖等相關(guān)圖紙并與相關(guān)設(shè)計人員討論，確定每個隔間內(nèi)的火災(zāi)PSA設(shè)備。

在審查內(nèi)部事件PSA模型時，考慮到火災(zāi)事件的特性，本次分析從內(nèi)部事件PSA中排除部分事故序列類型，包括：

1)與涉及非能動/機(jī)械失效的始發(fā)事件有關(guān)的事故序列(見假設(shè)3)，如喪失冷卻劑(LOCA)事故序列(只指管道破裂導(dǎo)致的LOCA，不包括因閥門開啟而導(dǎo)致的LOCA)、SGTR等。

2)與發(fā)生頻率較低的始發(fā)事件(由火災(zāi)引起的)有關(guān)的事故序列。如未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)(ATWS)。

此外，新增了部分與火災(zāi)相關(guān)的特定人員動作，如，主控室撤離、操縱員手動切斷某個著火系列的電源供應(yīng)等。

另外，還應(yīng)評價由于火災(zāi)損傷導(dǎo)致的電氣回路通電或失電引起的電廠部件的誤動作，確定可能影響電廠停堆能力的誤動作。本次分析中考慮的可能產(chǎn)生誤動作的能動部件的選擇基于：

1)審查用于停堆的系統(tǒng)確定主冷卻劑邊界的高-低壓邊界；

2)審查系統(tǒng)確定可能干擾系統(tǒng)運(yùn)行的誤動作。

2.3.2.2 確定火災(zāi)PSA電纜

在確定了火災(zāi)PSA設(shè)備后，可進(jìn)一步確定與其相關(guān)的火災(zāi)PSA電纜。通過審查與電纜橋架及電纜布置相關(guān)的圖紙和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并與相關(guān)設(shè)計人員討論，可以確定每個隔間內(nèi)的火災(zāi)PSA電纜以及與某個PSA設(shè)備相關(guān)的電纜的布線情況和位置。

2.3.3 火災(zāi)蔓延分析

火災(zāi)可能蔓延出去的路徑有兩類：防火屏障失效或防火屏障不完整。一般核電廠設(shè)計中，采用的防火屏障主要有：防火墻/樓板、防火門、防火閥、排煙閥以及電纜管道等貫穿防火墻/樓板處設(shè)置的防火節(jié)點(diǎn)，其中管道貫穿件一般為消防水管或通風(fēng)排煙管等，由于貫穿件和對應(yīng)防火墻間的縫隙很小且火災(zāi)通過這些管道蔓延(防火閥、排煙閥缺少或失效除外)的概率可忽略不計，因此即使這些貫穿件的防火節(jié)點(diǎn)失效，也不考慮火災(zāi)通過這些管道的防火節(jié)點(diǎn)的蔓延。對于一個隔間，上述防火屏障中的任何一個失效(防火墻/樓板除外)或缺失都有可能導(dǎo)致火災(zāi)向其它隔間蔓延。由于防火墻/樓板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此本次分析中不考慮這類防火屏障的失效。

2.3.4 定性篩選分析結(jié)果

以上述方法為基礎(chǔ)，對30萬千瓦核電廠和第三代非能動核電廠開展了火災(zāi)定性篩選分析，為了使分析簡單明了，對各個隔間的篩選采用了表格的形式，其示例如表1所示。經(jīng)過篩選及合并，在最初的800多個30萬千瓦核電廠的隔間中留下了約130個需進(jìn)一步開展分析的隔間，在最初的300多個第三代非能動核電廠的隔間中留下了約70個需進(jìn)一步開展分析的隔間。

從分析的過程內(nèi)容和結(jié)果看，火災(zāi)定性篩選方法是通用的，而經(jīng)過定性篩選分析，都能大大減少所需分析的隔間的數(shù)量。此外，通過與ASME標(biāo)準(zhǔn)[2]中相應(yīng)的要求進(jìn)行比較，本次分析也基本滿足了ASME能力等級II的要求。(見表1)

注釋：

(a)與隔間內(nèi)設(shè)備相關(guān)的電纜不再列出。

(b)蔓延路徑

(1)電纜貫穿件的防火節(jié)點(diǎn)失效

(2)防火閥失效

(3)排煙閥失效

(4)防火門失效

(5)通風(fēng)管道中未安裝防火閥或排煙閥

(6)沒裝門或防火墻不完整

3 總結(jié)

隨著核電的發(fā)展，對核電廠防火安全方面也將越來越關(guān)注。火災(zāi)定性篩選分析可以簡化火災(zāi)PSA分析，為火災(zāi)PSA的進(jìn)一步詳細(xì)深入開展奠定基礎(chǔ)，而且也可以通過定性篩選分析初步識別防火設(shè)計中的不足，因此熟悉和掌握火災(zāi)定性篩選方法也是很有必要的。

[1] EPRI/NRC-RES Fire PSA Methodology for Nuclear Power Facilities，NUREG/CR-6850，Electric Power Research Institute，Division of Risk Analysis and Applications Office of Nuclear Regulatory Commission，October，2005.

[2] Standard for Level 1/Large Early Release Frequency Probabilistic Risk Assessment for Nuclear Power Plant Applications，ASME/ANS RASa-2009，F(xiàn)ebruary 2，2009.

Partitioned fire compartments need to be subjected to a series of screening analyses to determine the relative fire risk associated to each.Qualitative screening is the first step of such screening analyses. The purpose of the qualitative analysis is to identify those compartment where， according to pre-determined criteria，the fre risk is expected to be relatively low or nonexistent compared to others.The methodology of the fre qualitative analysis with the application in the specifc nuclear power plant is mainly discussed in this paper.

Qualitative screening， Fire PSA， Nuclear power plant