核電廠安全級DCS機柜火災薄弱部位優(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.中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，成都 610213；2.華北電力大學 國家新能源發(fā)電工程研究中心，北京 102206）

在《核電廠安全級DCS機柜可燃物分析及火災仿真模擬》[1]一文中，通過對設計的一臺安全級DCS機柜火災仿真模擬發(fā)現，機柜存在部分火災隱患。因此，本文主要針對機柜內的火災隱患點（即火災薄弱部位）進行分析，基于熱-結構的多物理場耦合問題，在流場、結構等方面對機柜進行優(yōu)化改進，為火災的預防提供有效支撐，便于后期消防等設計，主要優(yōu)化改進方案集中在機柜進出風口優(yōu)化、機柜流場優(yōu)化、機柜結構優(yōu)化等方面。

1 機柜火災薄弱環(huán)節(jié)分析

1.1 防火分區(qū)不足

機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，機柜內部后半部分側面電氣設備之間、機箱后部（如終端單元等）同上下及側面電氣設備之間實體屏障不足。同時，機柜內后半部分設備類型多、結構復雜，電纜易出現過載、過熱和熱負荷，導致線路過熱，引起火災。當火災發(fā)生時，由于缺少有效的屏障，將導致機柜內火焰易向上、向后蔓延，進而引燃其他部位的電氣設備，增加火災隱患，擴大火災損失。而通過增設盲板等屏障來設立防火分區(qū)，利用防火屏障實體隔離火焰把火災限制在防火區(qū)內，隔離潛在的火災，可使火災的蔓延風險及隨之產生的CO、CO2、HCN等有毒氣體的危害降到最小化[4]。

1.2 通風設計存在不足

在正常運行和事故工況下，機柜主要通過前門板上的通風孔及后門板上的柜門風扇進行通風和排煙。當發(fā)生火災時，無法及時降低柜內溫度，阻止有毒氣體的蔓延擴散。為改善機柜環(huán)境，降低電氣設備火災風險，保證火災發(fā)生時能夠及時有效減緩機柜內溫度上升速度，防止火災蔓延、煙霧擴散，可適當增設通風口。事故狀態(tài)下，及時加快機柜內空氣流速，降低柜內溫度，減緩溫度上升速度，防止煙霧氣擴散并及時排出柜外。

1.3 火災探測類型單一

機柜內設置溫度調節(jié)器進行溫度監(jiān)控，當機柜內溫度達到45℃時，會自動報警。對于機柜內電氣設備或電纜陰燃以及火災初期階段，機柜內溫度變化不大，存在監(jiān)視盲區(qū)，難以及早發(fā)現并響應。因此，通過添加探測范圍大的探測裝置（如：紅外火焰探測器、紅外對射式感煙探測器等）[4]來加強火災自動報警系統(tǒng)對機柜的監(jiān)視，補充火災探測方式，將火災撲滅在初期增長階段，降低機柜內的電子設備和線路的損害。

2 機柜火災薄弱點優(yōu)化

根據《核電廠安全級DCS機柜可燃物分析及火災仿真模擬》一文及第1章節(jié)火災薄弱點的分析可以發(fā)現，通過對機柜的結構、流場等多個方面進行優(yōu)化改進，可降低機柜火災危害等級，下面對各個改進方向進行分析。

2.1 機柜進出風口優(yōu)化

對安全級DCS機柜火災仿真模擬發(fā)現，進風口進風速率較慢和出風口排風速率較慢是導致安全級DCS機柜上部溫度較高的原因。通過增加機柜進風口，及時將低溫氣體帶到機柜內，或者通過增加機柜出風口/改進風扇速率，及時將高溫氣體排放到環(huán)境中，可使機柜內部溫度下降，從而降低機柜火災危害等級。本文機柜進出風口的優(yōu)化方案主要有3個，分別如下：

方案一：在初始安全級DCS機柜的基礎上，上出風口下方再增加兩個出風口，如圖1。

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

對比分析改造前后相同位置的8個熱電偶溫度，如圖2。從圖2中可以看出，機柜內各點的溫度并沒有下降，甚至個別點的溫度高于改造前溫度。這可能是因為下方的新開口沒有成為出風口，而是起到進風口的效果，增加了機柜后半部分氧氣量，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 熱電偶測溫（左側為改造前，右側為改造后）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DCS機柜的基礎上，機柜的另外3個表面也增加出風口，如圖3。

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

對比改造前后相同位置的8個熱電偶溫度，如圖4。從圖4中可以看出，在前200s的時間內，機柜內各點的溫度都有一定的下降，特別是改造后的機柜后半部分的溫度較改造前有了明顯的降低。但400s后，改造后的各點溫度較改造前有了很大的提高。這可能是因為前200s時，燃燒反應剛開始，可燃物熱解產生的可燃性氣體較少，機柜內的氧氣是充足的，開口的增加有利于機柜內部與環(huán)境的散熱，從而使機柜內溫度下降。400s后，燃燒反應劇烈，可燃物熱解的可燃性氣體較多，開口的增加反而促進了氧氣與可燃性氣體的接觸，有利于可燃性氣體燃燒，從而機柜內溫度增高。不過鑒于現實中，200s是可以滿足煙氣檢測器或工作人員發(fā)現的，且200s時，機柜內部溫度已達到溫度調節(jié)器的報警值（溫度設置值為45℃），因此可以適當增加出風口來降低火災前期的危害。

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

方案三：在初始安全級DCS機柜的基礎上，在機柜的出風口處設計4m/s的風扇，增加機柜內與外界的空氣交換速率，如圖5。

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

對比改造前后相同位置的8個熱電偶溫度，如圖6。從圖6中可以看出，各點的溫度并沒有下降，甚至個別點的溫度高于改造前溫度。這可能是因為風扇加速了機柜內的空氣流動，使機柜進氧量增加，燃燒反應更加充分。因此，此優(yōu)化方案不可行。

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

2.2 機柜流場優(yōu)化

機柜內部流場分布也會影響安全級DCS機柜溫度變化。通過優(yōu)化機柜內部流場，對機柜內部溫度變化可以起到提前預測。機柜內部流場Fluent仿真與分析如下：

仿真流程主要為：模型建立→單位標定→參數設置→劃分網格→仿真計算→后處理→結論[5]。后處理中主要關注機柜內部流體軌跡情況。

借助spaceclaim軟件中抽殼功能實現實體與空間的轉化，來實現對機柜中流場的建模，以模擬自然通風情況下柜內流場變化。機柜前下部為矩形排列的5×16個氣流進口，后上部為一左一右兩個氣流出口，設置中層機箱為熱源，溫度設置為1100K。機柜內部流場分布如圖7。

根據圖7可以看出機柜內熱源處空氣流通效果較差，流速僅為0.23m/s，且機柜上部空氣流通情況較差?，F根據以上兩點提出優(yōu)化方案：在機柜出口處再增加兩個門板風扇盒，通過設置出口空氣流速為4m/s來模擬風扇對流場的影響，優(yōu)化后機柜內部空氣流速云圖如圖8。

圖7 機柜內部流場分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of flow field distribution inside the cabinet

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

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

從Fluent模擬結果可以看出，通過加裝門板風扇盒并提高風扇速率，可以有效改善火災發(fā)生時機箱處及機柜上部空氣流動情況，使火源附近空氣流動與機柜上部空氣流通得到改善。但結合機柜進出風口方案三FDS模擬結果分析，熱電偶所測各點的溫度并沒有下降，甚至個別點的溫度高于改造前溫度。這是因為風扇改善了機柜內的空氣流動情況，機柜進氧量增加。機柜內氧氣與可燃物充分接觸，燃燒反應更加充分。因此，此優(yōu)化方案不可行。

2.3 機柜結構設計優(yōu)化

機柜結構設計的優(yōu)化方案主要有兩個，分別如下：

方案一：在初始安全級DCS機柜的基礎上，在機柜的進風口處增加四周擋板連接，將進風口和盲板前的空間封閉，使空氣直接從進風口流向電氣設備，消除風道的短路[6]，如圖9。

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

對比改造前后相同位置的8個熱電偶溫度，如圖10。從圖10中可以看出，在前600s的時間內，機柜內的溫度都有一定的下降。但在600s時，發(fā)生了火焰轟燃現象，溫度驟升。雖然之后幾點熱電偶測得的溫度下降，但通過觀察火災蔓延情況，發(fā)現此時機柜下部發(fā)生了燃燒反應。因此，此優(yōu)化方案不可行。

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

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

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

對比改造前后相同位置的8個熱電偶溫度，如圖12。從圖12中可以看出，各點的溫度有明顯的下降，且發(fā)現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自身部分。因此，此優(yōu)化方案可行。

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

3 結論

對比分析機柜進出風口、流場及結構改進優(yōu)化前后的方案仿真結果，發(fā)現在1U風扇盒和6U機箱之間的后部增設厚絕熱板和適當增加水平開口兩個方案可以有效降低機柜內火災發(fā)生時的整體溫度，降低火災危險系數。