美法压水堆型消防设计特点分析

美法压水堆型消防设计特点分析

0非能动压水堆岩堆形貌与epr、cpr的消防设计对比根据中国的核安全规则，重要的工厂安全保障应采取措施防止外部和内部原因引起的火灾。美国三代非能动压水堆核电站(AP1000)由于采用了非能动设计,其消防设计呈现出与中国“二代加”压水堆核电站(CPR1000)、法国改进型三代压水堆核电站(EPR)不同的一些设计特点,本文将从AP1000消防设计出发,研究其与EPR、CPR1000消防设计的异同之处。1ap1000消防设计1.1各主要规定的内容AP1000消防设计主要遵循美国的相关法规标准,主要包括美国联邦法规(10CFR)、美国核管会(NRC)颁布的法规导则(NUREG、R.G.、BTP等)以及相关美国国家消防协会(NFPA)的标准规范,其中比较重要的有:(1)10CFR50附录A中核电站总的设计准则3——火灾防护。(2)化学工程分会(CMEB)技术见解(BTP)9.5-1:核电厂防火导则(第二版)。BTP9.5-1对核电厂防火设计既提出了要求,又做了具体的设计规定。目前,该导则依旧有效,AP1000的消防设计也需证明与BTP9.5-1的条款要求一致,如有例外须陈述所采取的措施与BTP9.5-1相应条款具有等同安全水平。1.2安全设施设计核岛厂房使用不燃结构材料,且被分为若干个防火区,以隔离潜在的火灾及其蔓延的风险,以及随之产生的腐蚀性气体、灭火剂、烟气,并使放射性污染造成的危害最小化。一些防火区又细分为防火小区,以更精确鉴别可燃物、火灾探测和灭火系统的类型和位置。防火小区是基于内墙和楼板的构造及每个防火区内主要设备的位置来细分的。通过实体隔离(防火屏障等)和空间隔离(防火间距、防火隔断等)对安全冗余列以及安全停堆设备进行隔离,以保证核电厂在发生火灾时的核安全。安全相关列之间及安全相关区域和非安全相关区域之间用耐火极限为3h的防火屏障隔离,防火屏障上的开孔和贯穿件需进行耐火处理,以达到与防火屏障相同的耐火极限。每个防火区设置消防通道和人员逃生通道,并清楚地标出火灾时人员撤离的路线。1.3预警控制室火灾自动报警系统为电厂提供火灾探测器等探测和报警设备,在火灾发生时向控制室发出报警信号,并能提供相关的操作控制手段。火灾探测器的设置根据火灾危害性分析,考虑受保护区域的可燃材料类型以及假想火灾特点等因素。1.4消防水系统和配套系统消防水由2个独立的水箱供给:第一个消防水箱供给消防系统(FPS);第二个消防水箱供给FPS和安全壳喷雾系统,该水箱竖管上方的水量作为向厂用水系统冷却塔补水的重力流应急补水水源。系统设有2台100%容量的消防泵:一台泵由电动机驱动,另一台备用辅助泵由柴油机驱动。消防泵吸水管固定连接消防水箱,消防泵设计成可以从任一水箱或同时从2个水箱吸水。消防水由厂区地下环状主管网配水。喷淋和消火栓系统也由厂区主管网供水。在含有安全停堆所需设备的区域设置一套抗震竖管系统。该系统能够经受安全停堆地震的影响,同时向安全壳和辅助厂房非放射控制区域内的自动灭火系统供水;它的水源来自与安全相关的非能动安全壳冷却系统储水箱,正常情况下独立于其他部分的FPS而运行。在附属厂房中,FPS和设备冷却水系统之间设置固定连接,正常情况下管道上串联的2个阀门是关闭的。在安全壳内,FPS和安全壳喷雾系统之间设置管道连接,正常情况下管道上串联的2个阀门是关闭的。FPS与乏燃料贮存区喷淋之间的管道在正常情况下也是关闭的。人工灭火系统包括厂区室外消火栓系统、室内消火栓系统和便携式灭火器。1.5碘吸附器的设计在通风风管穿越防火屏障之处装有防火阀,以维持防火屏障的完整性,防火阀与防火屏障的设计耐火极限相同。碘吸附器同时设有火灾报警、隔离、灭火措施,其上下游设有手动隔离阀,下游设有可发出两级报警的2个独立温度传感器以及设有可与附近消火栓连接的喷淋装置(容炭量高于45.4kg设置)。烟气控制装置设在电缆密集区、开关间、柴油储存区、汽轮机厂房和其他根据火灾危害性分析确定的可能存在大量烟气和高温气体的区域。23堆场设计的特点比较2.1按纵向防御的方针进行防火设计AP1000、CPR1000、EPR的消防设计从目的和原则上是一致的,都是采用“预防为主、防消结合”的方针,按照纵深防御来进行防火设计。首先,从布置和可燃材料控制上降低火灾发生的可能性;其次,设置适当容量的火灾探测系统和灭火系统,达到快速探测和灭火,将火灾对人员和安全重要物项的有害影响降到最低。防火设计中加强某个环节不意味着可以降低其他环节的设计,但可以在某种程度上弥补其他环节一些未知的缺陷。2.2u3000cpr监测技术AP1000主要遵循美国的相关法规标准,EPR主要遵循《EPR消防技术规范》(ETC-F),CPR1000主要遵循《压水堆核电站防火设计和建造规则》(RCC-I),相关的后台标准主要为法国标准。法国的核电体系从根本上是源自美国的,但法国经过数十个电厂的建设与消化吸收之后,建立了适应本国国情的核电体系。2.3fps的等级要求AP1000的分级系统与美国核协会(ANS)核安全分级、NRC质量分组、ASME规范第III卷分级、抗震分类和其他适用的工业标准相关,这导致AP1000FPS的分级有其自身特点。安全壳隔离所要求的FPS及部件的等级为B(安全相关);保护安全相关厂区的FPS的等级是F(非安全等级);FPS的其余部分是E级或者G级(非安全等级)。非安全等级F有附加质量要求和抗震要求,且只用于抗震竖管系统。抗震竖管系统根据抗震Ⅰ类准则设计。除了安全相关区域内的部分结构,FPS的其余部分是非抗震的,被划分为抗震Ⅱ类。CPR1000中FPS属于安全重要非安全级(IPS-NC级)。该等级在抗震(抗震Ⅰ类)、质量保证(Q3级)、定期试验3方面进行要求。EPR中的FPS属于F2级(F2是指EPR中的功能分级,是按安全屏障保护功能分级,分为F1A、F1B、F2和非安全级NC),并且有F1功能设备的厂房内的FPS应该按照抗震Ⅰ类分级。2.4分区类型的比较AP1000的防火分区方法符合核安全导则HAD102/11的要求;防火分区嵌套设置,这与CPR1000的防火区和防火小区独立设置的防火分区方法有较大的不同,随之会带来防火分区原则的不同。而EPR中防火分区方法和AP1000保持一致,并符合HAD102/11的要求。EPR和CPR1000除将防火分区分为防火区和防火小区之外,还根据ETC-F和RCC-I进一步将两者细分为数种类型,分区类型的比较分析见表1。应该指出的是CPR1000在实际防火分区中有安全防火区、安全防火小区和人员疏散通道区3种类型;而AP1000只分为防火区和防火小区,没有进一步细分。2.5两种防火屏障的隔离AP1000防火设计中规定安全相关列之间及安全相关区域和非安全相关区域之间用3h耐火极限的防火屏障隔离,这与我国CPR1000以及EJ/T1082—2005《核电厂防火准则》中规定的1.5h(部分3h)有差异。相比CPR1000,EPR中只是将与安全相关以及放射性包容的防火分区的耐火极限由1.5h提高到了2h(表1)。2.6相对epr/cpr转变的传动机械AP1000的非能动设计使得泵、电机等能动部件的数量减少,从而使得转动机械的润滑油、动力电缆、信号电缆等可燃物数量相对EPR和CPR1000大大降低,如主冷却剂泵采用无需润滑油的屏蔽泵,2台消防泵中的1台为电动泵,无电缆密集区等。2.7消防水系统2.7.1设立病水系统AP1000消防水系统在核电厂正常运行模式下,提供适当容量的灭火能力。除此之外还承担如下功能:(1)为余热排出系统泵和热交换器的冷却提供备用,以便在火灾发生时使设备冷却水系统正常热排出功能丧失的情况下,能保证电厂冷停堆。(2)在可用状态下为非能动安全壳冷却系统提供一个备用水源,在任何需要安全壳冷却的设计基准事故发生后能冷却安全壳或向非能动安全壳冷却系统贮水箱充水(如果FPS可用)。(3)提供备用水源用于乏燃料水池的补给水和乏燃料水池喷淋(如果FPS可用)。(4)在严重事故处理中提供与非安全相关的安全壳喷淋功能。而CPR1000和EPR的消防水系统的主要功能是提供适当容量的灭火能力以使火灾对安全性重要的构筑物、系统和部件的不利影响减小到最低,并不承担其他功能。2.7.2基于点防御的消防水系统op0103由于AP1000为单堆设置,因此AP1000消防系统单个反应堆有一套独立且完整的消防供水系统(图1)。AP1000的核电厂防火设计理念,是在纵深防御对策的前提下,进一步提出“区别对待、重点防御”的策略。即AP1000的电厂配置2个消防水系统:一个专供确保反应堆安全的非能动消防水系统[安全壳顶高位水箱(PCCWST)+满足抗震I类要求的消防水竖管供水管线],另一个是确保全厂发电安全生产的消防水系统(非抗震的消防水池+消防泵+供配水管线);2个消防水池中一个专供消防水,另一个除供消防水之外还供给安全壳喷淋系统。CPR1000为双堆设置,2个反应堆共用1套消防供水系统,设置2个100%容量专供消防水的消防水池,消防泵可在发生火灾时从1个或2个水池中同时吸水,用于保护核岛和常规岛区域。EPR为单堆设置,消防供水系统的设置和CPR1000基本一致。2.7.3ap00消防系统HAD102/11要求设置多重消防泵,以满足单一故障原则,且最大泵发生故障下也应能提供100%流量的消防用水。AP1000消防系统采用多样化设计,设置了2台消防泵、1台电动泵、1台柴油泵,保证了可靠性的同时也大大降低了火灾荷载。CPR1000和EPR均设置2台柴油泵。2.7.4垂直管道系统与励磁系统之间的连接AP1000消防系统中竖管系统和喷淋系统分别从消防母管接出且二者间有隔离阀,CPR1000的竖管系统和喷淋系统从母管同一位置接出。2.8泡沫喷淋系统用户要求文件(URD)第三卷第9章3.4.12.1指出:“自动灭火应安装在柴油机发电机区域……应包括泡沫水龙卷盘的泡沫喷淋。”AP1000对于易燃液体类的火灾使用干管喷淋系统。干管喷淋系统可为涉及危险的区域提供同样的保护且安装和维护费用更低,而CPR1000、EPR采用泡沫灭火系统。2.9火灾危害性分析AP1000的火灾危害性分析作为火灾安全停堆分析的一部分,其分析结果应证明由内部火灾引起的堆芯损坏概率低于1×10-6(堆·年)-1,因此AP1000的火灾危害性分析更多的是采用计算机程序计算并结合火灾概率风险分析的方法。AP1000的火灾危害性分析步骤遵守NFPA804的规定,与HAD102/11所规定的火灾危害性分析步骤一致。在火灾持续时间计算上考虑了不同类型可燃物的火灾危害性等级。RCC-I对于防火分区耐火极限的确定采取的是标准升温曲线(ISO834)和DSN144曲线。用DSN144曲线确定耐火极限最大的特点就是火灾的持续时间只是空间内火灾荷载密度的函数;通过将构件的耐火极限和火灾的持续时间相比较,若构件耐火极限大于火灾的持续时间,则表明构件的耐火极限符合要求,或防火分区符合要求。法国核安全局通过对实际火灾的发展过程研究发现,火灾荷载密度并不是唯一影响火灾持续时间的参数,其他参数也对火灾持续时间产生影响,于是提出了新的防火分区方法——火灾时分区单元真实性能评价方法(简称EPRESSI)。EPRESSI法从防火分区实际情况入手,研究了防火分区的布置特点和防火分区边界设备的特点,使用的着火升温曲线有别于DSN144曲线和ISO834曲线,并且边界设备性能在实际火灾情况下也需要重新考虑。因此,新方法考虑了房间内实际的着火曲线以及防火分区边界设备的性能。3消防设计的安全导则HAD102/11与国际原子能机构(IAEA)安全导则50-SG-D2《核电厂防火》相当,中国境内建设的核电厂的防火设计可采用不同于该导则规定的方法和方案,但必须向中国国家核安全局证明所采用的方法和方案至少具有与该导则相同的安全水平,不会使核电厂厂区人员和公众增加风险。AP1000消防设计遵循NRC相关的准则和导则,这些准则和导则包含在标准审查大纲SRP第9.5.1节,包括BTP9.5-1、10CFR50.48、总体设计准则3及10CFR50附录R。这些NRC法规与IAEA的安全导则是一致的。2004年,IAEA发布了新版导则NS-G-1.7《核动力厂内部防火和防爆设计》,此导则是在50-SG-D2基础上进行修订的,目前中国国家核安全局也正在根据新的导则对HAD102/11进行修订和升版,升版后的版本与NS-G-1.7相当。将EPR消防设计同NS-G-1.7的条款进行了比对分析可知,不论安全要求还是设计基准,EPR的消防设计完全符合IAEA导则要求。CPR1000的消防设计从大亚湾核电站开始,通过岭澳核电站一期建设,到岭澳核电站二期的数项重大技术改进,再到红沿河、宁德等核电项目后续机组的持续改进,使得CPR1000的消防设计逐步满足了HAD102/11的要求,或采取措施达到了与该导则相同的安全水平。4消防设计方面(1)AP1000、CPR1000、EPR的消防设计从目的和原则上一致,均