一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法与流程

本发明属于核电厂爆炸风险分析技术，具体涉及一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法。

背景技术：

我国核安全法规《核动力厂设计安全规定》(haf102-2004)[8]第5.2.4.1条规定：设计和布置安全重要构筑物、系统和部件时，除满足其他安全要求外，还必须尽量降低外部或内部事件引发内部火灾和爆炸的可能性及其后果。必须保持停堆、排出余热、包容放射性物质和监测核动力厂状态的能力。目前，对除核电厂之外的其他民用工程来说，室外可燃气体爆炸模拟和风险评估较为成熟，而关于核电厂内部爆炸的防护研究则起步相对较晚，目前针对严重事故下安全壳氢气浓度控制系统的分析评估，已形成相对完整的分析原则和方法；针对核电厂爆炸性气体环境分区的相关国家标准也已发布，由核电厂爆炸性气体环境分区工作依据经验公式开展，要求爆炸性气体环境2区的释放可燃气体的设备进行防爆设计，但对核电厂室内可能发生的爆炸性气体的泄漏、扩散和爆炸具体破坏哪些设备或结构、相应的风险分析方法和风险分析指引的爆炸预防措施和保护措施等还有待进一步研究和完善。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，以能够筛选核电厂室内可燃气体释放源爆炸情景，充分利用仿真计算流体力学软件的优势，结合室内设备布置的特点，通过爆炸风险分析和功能分析得出风险指引的爆炸预防措施和保护措施。

本发明的技术方案如下：一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，包括如下步骤：

(1)确定核电厂内含有爆炸性气体释放源的房间及其所在防火空间环境参数；

(2)依次确定各房间释放源的参数；

(3)确认释放源所在防火空间内存在火灾风险的固定起火源和临时起火源的位置和位置范围；

(4)对释放源进行气体扩散模拟分析，确认所分析的释放源最大爆炸性扩散范围，确定最佳点火位置，分析探测器位置、报警浓度设置的合理性；

(5)爆炸情景筛选；

(6)针对筛选的爆炸情景，通过爆炸模拟分析计算爆炸冲击波造成的超压大小，得到爆炸破坏性范围，确定冲击波破坏的设备；

(7)对被爆炸后果进行功能分析，确认爆炸损坏的设备是否影响核安全功能；

(8)根据功能分析的结果判断需要采取的防爆措施和保护措施。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(1)中，所述的释放源包括释放可燃气体的电气设备、机械设备、储气罐及管道；所述的防火空间环境参数包括机械通风条件，防火空间中各房间四周墙体上未封堵的开口位置、大小，防火阀位置，房间内部设备或设施的材料及其布置位置。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(2)中所述的释放源的参数包括爆炸性气体种类及其特有物理属性参数、爆炸性气体贮存设备内的温度、压力、浓度、释放出口的几何大小、体积或持续释放可燃气体的时间；若释放源所处的系统位置决定了爆炸性气体的浓度小于爆炸下限，则确定该释放源不是爆炸源。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(3)中所述的固定起火源是指长期处在某固定位置的各类含电机的设备、油类，临时起火源是指因维修或卫生清扫等原因而短期出现在核电厂各处的可燃物；特征参数主要指上述起火源的位置及其内部可能的起火点位置。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(4)中采用仿真计算流体力学软件对释放源进行气体扩散模拟分析，所述最大爆炸性扩散范围指可燃气体浓度在爆炸浓度范围内的最大扩散区域。步骤(4)中所述的最佳点火位置根据可燃气体泄漏质量流速、可燃气体泄漏位置、点火源位置以及可燃气体层流燃烧速率相对更大的位置综合判断。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(5)中所述的爆炸情景筛选指的是，由于气体释放方向或释放位置不同，且固定起火源和临时起火源可能存在多处位置，因此同一释放源存在较多的火灾情景，需根据房间内设备布置的具体情况，并结合步骤(4)确定的可燃气体浓度在爆炸浓度范围内的最大扩散区域和最佳起火点位置，针对某一释放源判断出最不利的一个或几个爆炸情景。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(6)中模拟计算出爆炸冲击波破坏的关键设备为核安全相关设备和电缆或防火空间边界防火门及穿越防火空间边界的防火阀，用于判断本防火空间的安全冗余系列设备是否被损坏和爆炸冲击波是否继续影响相邻防火空间。步骤(6)使用的爆炸模拟分析工具可以是能够进行有效爆炸模拟分析的经验公式或仿真计算流体力学软件等。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(7)中所述的功能分析指已隔离的不同系列冗余设备和电缆是否同时被一个爆炸情景损坏及最终影响的核安全功能。

进一步，如上所述的核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法，步骤(8)中根据分析的结果，若确认该释放源会损坏安全冗余设备或电缆，则采取的措施包括：

(a)该释放源若为电气设备或机械设备，则该释放源应选择防爆设备；

(b)该释放源若为管道泄漏，则应针对该释放源设置防爆箱体与房间内其他设备隔离，箱体内根据爆炸性气体的种类设置合理有效的通风措施；

(c)若该释放源发生爆炸会破坏某一防火空间边界，造成火灾可能蔓延至相邻防火空间，则应针对该防火空间边界设置泄压装置或根据超压大小设置抗压门，防止结构破坏或缓解超压损坏范围；

(d)若探测器未覆盖最大爆炸性扩散范围，则应增设相应的探测器；若探测器位置调整能更快速的监测到可燃气体泄漏，则应考虑调整探测器设置的位置。

本发明的有益效果如下：本发明针对核电厂室内可燃气体爆炸性可能，综合考虑释放源特征及所在环境等因素，筛选最不利爆炸情景，基于仿真计算流体力学软件模拟爆炸过程及后果，采用功能分析的方法，评估核电厂室内可燃气体爆炸给核安全带来的具体风险，并采用风险指引的方法提出预防和保护措施，有利于核电厂的防爆设计，提高了核电厂的安全性。

附图说明

图1为示例性的本发明的一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法的流程图；

图2为本发明具体实施例中模拟空间的结构简图；

图3-1为本发明具体实施例中高度1.35m水平高度在42.5s时的当量比分布；

图3-2为本发明具体实施例中高度1.55m水平高度在70.0s时的当量比分布；

图4为本发明具体实施例中n212房间内探测器所在高度平面的氢气浓度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

示例性的本发明的一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法如图1所示，按如下步骤进行。

1)确定释放源所在房间、防火空间环境参数

根据核电厂系统布置信息，确定核电厂内含有爆炸性气体释放源(包括释放爆炸性气体的电气设备、机械设备、储气罐及管道)的房间。通过结构模板图、综合布置图、系统手册等获得所在防火空间环境参数。防火空间内部环境参数除机械通风条件外，还包括防火空间中各房间四周墙体上未封堵的开口位置、大小，防火阀位置和房间内部设备或设施的布置位置。步骤1)所确定的参数将用于步骤4)气体扩散模拟分析和步骤6)爆炸模拟分析建立模型。

2)依次确定各房间释放源的参数

从房间的第一个释放源开始确定释放源参数，释放源参数包括爆炸性气体种类及其特有物理属性参数、爆炸性气体贮存设备内的温度、压力、浓度及各种气体的组成比例、释放出口的几何大小、体积或持续释放可燃气体的时间；若释放源所处的系统位置决定了爆炸性气体的浓度小于爆炸下限，则确定该释放源不是爆炸源，继续确定下一个释放源参数，直到完成该步骤的所有工作。步骤2)确认的爆炸源参数将用于步骤4)气体扩散模拟分析和步骤6)爆炸模拟分析建立模型。

3)确认固定起火源、临时起火源的位置和位置范围

确认释放源所在防火空间内存在火灾风险的固定可燃设备和临时起火源，及其所在位置、内部可能起火点位置等特征参数，固定起火源是指长期处在某固定位置的各类电气设备、阀门或泵等含电机的设备、油类；临时起火源是指因维修或卫生清扫等原因而短期出现在核电厂各处的可燃物，包括办公用品、垃圾。确认固定起火源、临时起火源特征参数，用于步骤4)设置最佳点火位置，辅助情景筛选和指导步骤6)爆炸模拟建立模型时使用步骤5)的结果。

4)对释放源进行气体扩散模拟分析

在情景设置中，根据实际分析需要，至少针对同一释放源分别设置两处泄漏位置和两个不同的泄漏质量流速(kg/s)，对比反应和扩散气体质量的结果，选择获得较大结果的泄漏位置及泄漏质量流速。

采用仿真计算流体力学软件对释放源进行气体扩散模拟分析，确认该释放源释放的可燃气体浓度在爆炸浓度范围内的最大扩散区域，确定最佳点火位置，确认该区域内是否设有对应的气体探测器，分析探测器位置及报警浓度设置的合理性。最佳点火位置根据可燃气体泄漏质量流速、可燃气体泄漏位置、点火源位置以及可燃气体层流燃烧速率相对更大的位置综合判断。

5)筛选爆炸情景

由于气体释放方向或释放位置不同，且临时起火源可能存在多处位置，因此同一释放源存在较多的火灾情景，需结合步骤4)确定的可燃气体浓度在爆炸浓度范围内的最大扩散区域，根据房间内设备布置的具体情况，针对某一释放源判断出最不利的一个或几个爆炸情景。

6)进行爆炸模拟分析

利用仿真计算流体力学软件等可进行有效爆炸模拟分析的软件对步骤5)确认的爆炸情景依次进行爆炸模拟分析，计算爆炸冲击波造成的超压大小，得到爆炸破坏性范围，并根据核安全相关设备承压阈值确定其是否被冲击波损坏；根据核安全相关电缆或其防火包覆的承压阈值确定其是否被冲击波损坏；根据穿越防火空间边界的防火阀承压阈值确定其是否被冲击波损坏。

7)对爆炸后果进行功能分析

对爆炸后果进行功能分析，确认已隔离的不同系列冗余设备和电缆是否同时被一个爆炸情景损坏，确认爆炸损坏的电缆和设备是否影响核安全功能和最终影响的核安全功能。

8)确认预防或保护措施

根据功能分析的结果，若确认该释放源会损坏安全冗余设备或电缆，则需要采取的防爆措施和保护措施包括：

(a)该释放源若为电气设备或机械设备，则该释放源应选择防爆设备；

(b)该释放源若为管道泄漏，则应针对该释放源设置防爆箱体与房间内其他设备隔离，箱体内根据爆炸性气体的种类设置合理有效的通风措施；

(c)若该释放源发生爆炸会破坏某一防火空间边界，造成火灾可能蔓延至相邻防火空间，则应针对该防火空间边界设置泄压装置或根据超压大小设置抗压门，防止结构破坏或缓解超压损坏范围；

(d)若探测器未覆盖最大爆炸性扩散范围，则应增设相应的探测器；若探测器位置调整能更快速的监测到可燃气体泄漏，则应考虑调整探测器设置的位置。

实施例

下面举例说明本发明所提供的一种核电厂室内可燃气体爆炸性风险分析方法在核电厂实际情况当中的应用。

设定需要进行室内可燃气体爆炸性风险分析的是某核电厂核辅助厂房a列安全防火空间zfsn0282a容积控制箱间(简称容控箱间)，本例以爆炸性气体—氢气为例进行描述，具体按如下步骤依次进行：

1)确定该防火空间内释放源所在房间、防火空间环境参数

a列安全防火空间zfsn0282a共包括两个房间n212和n213，该防火空间内的两个房间均布置有化学与容积控制系统(rcv)的相关设备及管道，故含有爆炸性气体种类为氢气。

确认的防火空间环境参数如下：

如图2所示，模型的原点位于n213房间左下角地面高度。n212房间的长度6m，宽度3.5m，高度4.5m，室内环境温度25℃，房间墙体建筑材料为钢筋混凝土，墙1厚0.80m，墙2厚0.5m，墙3厚1m，墙4厚为1.3m，底楼板的厚度为1m。此房间与相邻房间n213有两处开口，位于墙2，开口1位于墙面的长宽均为0.4m，开口上沿高度2.5m，开口2(由非防火门的缝隙估算)位于墙面的长宽分别为1.0m、0.4m，开口上沿高度2.05m。n212房间内每小时的机械通风流速为700m³，送风方向竖直向下，送风口高度为3.5m。n213房间的长度6m，宽度4.5m，高度3.5m，室内环境温度25℃，房间墙体建筑材料为钢筋混凝土，墙5厚1.3m；房间n213的通风由n212房间转送风至该房间。

该防火空间内贮存氢气的管道有rcv640、rcv641、rcv760、rcv135。该防火空间内布置有无爆炸性风险的设备还有通风系统管道(布置有防火阀)、rvm系统相关设备及管道、电缆托盘和支架等。

2)依次确定各房间释放源的参数

从房间的第一个释放源开始确定释放源参数，释放源参数如下表1。

表1释放源参数表

由上表可知，上述释放源所处的系统位置决定了爆炸性气体的浓度均高于氢气爆炸下限，则确定表1中释放源均需要进行下一步骤的分析。步骤2)确认的爆炸源参数将用于步骤4)气体扩散模拟分析和步骤6)爆炸模拟分析建立模型，详见步骤4)和步骤6)。

3)确认固定起火源、临时起火源的位置和位置范围

n212房间内存在火灾风险的固定可燃物设备主要是电动阀门内部电机，临时起火源主要为可能因清扫或维修等原因随机出现的垃圾桶或电缆等可燃物。固定起火源电机的位置坐标为(3.40m，6.55m，1.31m)，临时起火源可放置的区域范围是地面和其上部空间未被其他设备或管道占据的位置。

4)对释放源进行气体扩散模拟分析

步骤3)主要是使用模拟软件或经验公式等适当的分析工具对步骤2)中的释放源逐一进行气体扩散模拟分析，本例以某款仿真计算流体力学软件对释放源rcv135进行分析为例，主要步骤如下：

a.依据房间实际大小和房间内设备布置建立几何模型。对需要的分析的区域划分网格，本例中网格大小为0.1m*0.1m*0.1m。

b.情景设置，根据分析使用的工具不同设置必要的参数，包括但不限于：

设置某次模拟过程可记录的变量参数种类；

设置监测点位置及监测数据的类型；

设置泄压板位置和类型及相关参数(如有)；

设置输出时间间隔等获取数据的方式；

设置三维输出参数类型；

设置仿真模拟时长及一个或多个仿真和输出开始记录的时间；

设置边界条件，即边界(包括边界墙体和风等)对房间压力场的反馈作用类型；

设置初始条件，包括重力加速度、模拟区域初始温度、大气压力、海拔高度、地面粗糙度等；

输入可燃气体当量比、组成和体积，输入各气体体积比例，并自定义气体毒性(如有)；

设置点火参数，包括点火位置及时间等；

设置泄漏点位置、泄漏口大小、泄漏方向、泄漏类型、泄漏气体的质量流速(质量流速由表1的参数可计算获得)等；

设置水灭火系统参数(如有)；

设置百叶窗面板参数(如有)；

设置(地沟口等的)格栅参数(如有)。

在情景设置中，针对同一释放源分别设置两处泄漏位置及较大和较小的两个不同的泄漏质量流速(kg/s)，对比反应和扩散气体质量的结果，选择获得较大结果的情景继续进行后续分析(对除释放源rcv135之外的释放源也同样进行此步骤)。

完成上述工作后，需确认释放源rcv135释放的氢气在不同高度处爆炸浓度范围内的最大扩散区域。

在本例中，对比高度1.35m和1.55m处，气体扩散时间分别为42.5s和70.0s时的氢气的当量比(er)见图3-1和图3-2，因为氢气的层流燃料速率在er约为1.05时最大，故可在当量比er＝1.05等位线附近选取最佳点火位置。选取最佳点火位置的方法可根据分析工具的不同而不同。

n212房间内坐标(5.20m，7.05m，4.25m)处设有氢气探测器，氢气爆炸极限是4.0％～75.6％(体积浓度)，氢气探测器第一整定值为爆炸下限值的12.5％，根据扩散分析的结果，氢气探测器所在位置处氢气浓度达到第一整定值的时间约为12.5s，n212房间内探测器所在高度平面的氢气浓度如图4。按上述步骤，综合对比其余三个释放源发生泄漏时的氢气探测器所在位置处氢气浓度达到第一整定值的时间，建议探测器位置左移，范围为x轴坐标0.5m至5.0m且y轴坐标6.0m至8.0m较为合理，能够缩短氢气探测器的响应时间。

5)筛选爆炸情景

由于气体释放方向或释放位置不同，而且需要考虑固定起火源和临时起火源的爆炸情景，同时临时起火源可能存在多处位置，因此同一释放源存在较多的火灾情景，需结合步骤4)确定的可燃气体浓度在爆炸浓度范围内的最大扩散区域和最佳起火位置，根据房间内设备布置的具体情况，针对某一释放源判断出最不利的一个或几个爆炸情景。

结合图4中er＝1.05等位线和起火源位置，起火点位置可选择(3.85m，7.35m，1.25m)和(4.50m，4.50m，1.55m)。

6)进行爆炸模拟分析

对步骤5)确认的爆炸情景依次进行爆炸模拟分析，计算爆炸冲击波造成的超压大小，再根据防火空间边界防火屏障抵抗爆炸冲击波的阈值，得到爆炸破坏性范围。本例中目标物为核安全相关设备容积控制箱下游隔离阀1—rcv033vp和容积控制箱下游隔离阀2—rcv034vp及其各自相连的电缆，根据其所在位置的超压和承压阈值确定其被冲击波损坏。防火空间边界防火阀和防火门为非防爆设备，其所在位置的超压已经超过其承压阈值，因此本防火空间边界的防火门和防火阀均被损坏，后续还需要使用本发明的方法继续对相邻防火空间进行可燃气体爆炸性风险分析。

7)对爆炸后果进行功能分析

对爆炸后果进行功能分析，确认已隔离的不同系列冗余设备和电缆是否同时被一个爆炸情景损坏，确认爆炸损坏的电缆和设备是否影响核安全功能和最终影响的核安全功能。

本例中目标物为核安全相关冗余设备容积控制箱下游隔离阀1—rcv033vp和容积控制箱下游隔离阀2—rcv034vp及其各自相连的电缆。从安全功能上必须保证上充泵吸入口从容积控制箱到内置换料水箱(ptr水箱)的切换。这意味着rcv033vp或rcv034vp必须在收到“从rcv到ptr的切换”信号时关闭，以保证对下游容积控制箱的隔离。因此从功能分析角度，本例中目标物同时损坏是不可以接受的。

8)确认预防或保护措施

根据功能分析的结果，确认该释放源会损坏安全冗余设备或电缆，则需要采取的防爆措施和保护措施包括但不限于：

(a)本防火空间内的可燃气体释放源为氢气管道泄漏，则应针对该释放源设置防爆箱体与房间内其他设备隔离，箱体内根据氢气的特点在隔离设备的上部设置合理有效的通风措施；

(b)本防火空间内的可燃气体释放源爆炸会破坏防火空间边界，造成火灾可能蔓延至相邻防火空间，则应针对该防火空间边界设置泄压装置或根据超压大小设置抗压门，防止结构破坏或缓解超压损坏范围并对相邻防火空间使用本发明的分析方法继续进行爆炸性风险分析；

(c)探测器覆盖最大爆炸性扩散范围,综合对比其余三个释放源发生泄漏时的氢气探测器所在位置处氢气浓度达到第一整定值的时间，建议探测器位置左移，范围为x轴坐标0.5m至5.0m且y轴坐标6.0m至8.0m较为合理，能够缩短氢气探测器的响应时间。根据扩散分析和爆炸分析的结果，氢气探测器应是防爆型的，它们由带热敏电阻的低温触媒氧化型装置组成，并应能满足该区域正常工况下的环境参数。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。