核电厂建筑防火性能化设计研究

关键词 性能化设计；火灾模拟、FDTS；CFAST、FDS  

　　1 防火性能化设计 

　　建筑防火“性能化”设计是对“处方式”防火设计的改进。“处方式”防火设计方法根据建筑物的使用类型、层数、平面布置、高度、面积等情况，对照有关设计规范的条文中给定的消防设施的设置要求及设计参数和指标进行设计。随着大型建筑复杂化、多功能化，以及新材料、新技术和新的建筑结构形式涌现，传统的“处方式”防火设计有很大的局限性。针对此缺陷改进的“性能化”防火设计运用消防安全工程学的原理和方法，根据总体目标确定整个防火系统应达到的性能目标，并针对各类建筑物的实际状态，应用所有可能方法对建筑的火灾危险和将导致的后果进行定性、定量地预测和评估，以期达到最佳的防火设计方案和最好的防火保护。防火性能化设计方法广泛地应用于民用建筑，如超高层建筑、大型商场、地下建筑、大型娱乐游艺场所等。 

　　国外许多公司、科研院所等机构将防火性能化设计方法应用到核电厂建筑厂房的防火设计中，编写火灾模拟软件对核电厂放进行定量化消防设计，如法国电力公司EDF编写火灾模拟软件MAGIC，美国国家标注技术研究所（NIST）开发火灾模拟软件CFAST，美国核管会（NUREG）编写火灾定量化分析工具FDTs等，而且颁布多项有关防火性能化设计的文件，如NFPA-805，NFPA-806，NUREG-1805，NUREG-1824，NUREG-1934，NUREG-6850等。 

　　2002年，美国消防协会颁布《NFPA-805》，首次将性能化防火标准应用到轻水堆核电厂的消防中。2004年，美国消防协会在联邦法规《10 CFR 50.48》中允许美国核电厂运营商自愿使用《NFPA-805》中的消防要求作为已有确定性消防需求的另一个选择。 

　　美国消防协会颁布了性能化消防国家标准《NFPA-806》，针对改进型第二代核电站的建设和运行所有阶段，该标准规定了风险已知/性能化防火改进过程的最低需求。该标准定义核电厂消防相关术语，纵深防御的基本需求（如性能化目标和准则），以及分析方法（火灾模拟定量化分析）等。 

　　美国核管会开发一种简单的、定量地火灾危害分析工具（FDTs），文件《NUREG-1805》给出此工具的使用说明，用于评估可信火灾场景的可能性。这些评估的目的之一是判断潜在火灾是否会对核电厂内安全停堆构件造成严重损坏。该工具已经制作成Microsoft Excel?表格以便使用，它基于火灾动力学原理，包括简单的经验关系式以及详细的数学方程式，多种物质的火灾特性数据表也整合在此表格中。 

　　计算机计算量大、速度快，目前已经开发出多款火灾模拟软件，为对这些软件进行检验和验证，美国核管会组织研究人员进行大量实验测试，并将测试结果汇编成册，发布《NUREG-1824》。此份报告选取5种火灾模拟软件工具作为研究对象，采用统一的方法开展检验和验证研究，调查这些软件在引用到核电厂消防中遇到的问题，并将模型相对于实际试验的预测能力定量化。 

　　随着核电厂消防性能化设计方法的发展以及火灾模拟计算机技术的提高，对核电厂进行消防性能化分析的水平不断提高，为加强对性能化设计中火灾建模的指导，美国核管会颁布《NUREG-1934》。该份文件指导核电厂建筑火灾建模，分析目前常用的火灾定量化分析建模工具，对各类型工具的基本原理进行阐述，并分析其优缺点。此指导文件给出一些典型火灾场景的分析注意事项和火灾建模软件的选择。 

　　《NUREG-1934》中火灾建模过程分为6个步骤：1）定义火灾建模目标；2）描述火灾情景；3）选择火灾模型；4）计算火灾造成后果；5）开展敏感性和不确定性分析；6）记录分析。 

　　火灾概率安全分析是当前定量化分析的重要方法，美国电力研究所EPRI和美国核管会NRC开展火灾概率安全分析研究并颁布《NUREG/CR-6850》。此文件指出火灾概率安全分析需要4个关键领域的人员参与：1）火灾分析；2）基本PRA和反应堆系统分析；3）人员可靠性分析；4）电气分析。该文件总结了最新的火灾概率安全分析方法，为火灾概率安全分析的相关人员提供技术支持。 

　　2 火灾模拟软件 

　　目前，常用的火灾模拟软件分为3类：1）代数模型；2）区域模型；3）场模型。 

　　1）代数模型 

　　软件：FDTs及FIVE-Rev 1。 

　　代数模型是孤立的关系式，可以从参考文献中找到，或是从经验数据中总结出的方程，能够对整体着火场景进行概况的简单处理。这些关系式通常是一阶微分方程，能够计算热气层温度、火焰热通量、烟气产生速度、热气层高度、探测器激活时间等。 

　　优势：简单易用；输入少；计算快；可进行多参数敏感性研究。 

　　劣势：应用范围有限；现象处理与外界隔离；一般应用仅适用于简单定义的临时火灾。 

　　2）区域模型 

　　软件：CFAST及MAGIC。 

　　区域模型是将每个矩形空间分层，不同的软件将空间分为不同的层数，如CFAST将矩形空间分为上下2层。区域模型假设每一层是充分混合的，同一层内的所有火灾环境参数（例如温度、烟气浓度等）在同一层内是完全相同的。上、下两层之间的边界不是固定的，会在火灾模拟过程中上下移动。区域模型相对于代数模型而言，可以更好地模拟空间构造，输入输出数据比代数模型复杂，但比场模型少、计算迅速。 　　优势：简单易用；联系热气层与本地影响；计算快；可进行多参数敏感性分析。 

　　劣势：偏离矩形空间越大时错误越大；大的水平通道处理不好。 

　　3）场模型 

　　软件：FDS。 

　　场模型使用计算流体力学的方法确定某位置处的火场景各个参数，场模型将空间划分为多个三维网格，因此可以模拟较复杂空间的火灾场景。场模型基于一系列的常微分方程和状态方程，对网格边界处的参数计算，因此网格划分的粗细决定计算结果的准确性，相连的空间可以划分为粗细不同的网格，可以更有效率地关注重点研究内容并节省计算时间。 

　　优势：可模拟复杂几何形状和复杂孔洞空间的火灾情景。 

　　工作时间有限或者空间形状简单时，可以优先选择区域模型软件，若有充足的计算时间或者空间形状复杂时，可以优先选择场模型软件。 

　　不同类型的软件各有优缺点，可以相互结合使用提高效率。例如有条件时，可以同时使用区域模型和场模型对火灾场景进行模拟，比较两种模型软件的模拟结果，从而更有助于做出消防决策。 

　　NUREG-1824总结各模型可以计算的火灾模拟参数，如表3所示，此表格有助于根据研究目的和研究的参数选择合适的软件。 

　　3 火灾模拟软件验证和有效性分析 

　　火灾模拟软件的验证和有效性分析是保证模拟正确性、适用性的重要步骤。验证就是确定模型是否正确表达出开发者的理论描述（例如，模型是否正确地建立），而有效性则是确定所建造的模型是否正确地展示现实世界，是否可以产生所关注的现象（例如，是否建立的正确模型）。验证是确保建立模型微观上的每一个步骤都正确，而有效性则是确保所建立模型宏观上能反映现实世界。 

　　NFPA-805要求必须对软件进行验证和有效性分析，只有权威管理机构接受的火灾模型才可以应用到火灾模拟计算中。NUREG 1934测试6个不同系列共26个全尺寸火灾试验，对模型预测核电厂可能发生火灾场景13个参数的能力进行验证，得出每种模拟软件模拟每个参数的偏移误差和标准方差，如果所研究对象的各参数在这13个参数内，则不必再进行验证工作；如果部分参数在这13个参数内，则要进行额外的验证和有效性工作；而如果所有参数不在这13个参数内，则验证工作不能基于NUREG 1824的研究结果。 

　    参考文献 

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

　　[2]NUREG-1824，Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications[R]，2007. 

　　[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，Fire Dynamics Simulator， Technical Reference Guide，2010. 

　　[8]NIST SP 1019-5，Fire Dynamics Simulator，User’s Guide，2010. 

　　[9]刘芳，廖曙江.建筑防火性能化设计[M].重庆：重庆大学出版社，2007.