核电反应堆厂房检修期间消防疏散分析 作者：赵波，陈龙洋，王汉良，薛峰 来源：决策探索收藏天下（中旬刊） 2019 年第 6 期 赵波，陈龙洋，王汉良，薛峰 摘要：为了实现核电厂反应堆厂大修期间人员的安全疏散，文章对检修期间反应堆厂房的消防安全疏散进行了重点分析和研究。首先，根据人员疏散相关理论分析了反应堆厂房的疏散条件。然后，考虑了厂房的辐射剂量特殊性和检修期间的人员分布及人员特性，通过计算机疏散软件模拟实际场景的疏散过程，并验证分析结果。最后，在分析模拟疏散结果的基础上，找出疏散瓶颈，确认影响疏散的主要因素。分析结果表明：原疏散设计仅考虑了反应堆厂房正常运行状态，未考虑检修时的疏散情况，需要对检修期间的人员疏散采取加强措施。 关键词：核电厂；人员疏散；疏散模拟；火灾风险 基金项目：本文系上海市科学技术委员会科研计划项目课题（12231200800）。 随着核电项目在我国的大力发展，我国已成为核电在建规模世界第一，核电总装机容量世界第四的核国家，因此核电厂的消防安全问题也引起行业内部广泛关注。关于核电厂场外的核事故应急撤离疏散已有多项研究探索，但核电厂厂房内部消防疏散的问题少有涉及1-2。 由于核电反应堆厂房利用原子核裂变释放的核能来发电，其建筑结构和功能分区具有一定复杂特殊性，无法按照普通建筑考虑消防疏散路线。同时核电厂防火设计和建造，必须满足国家的法律法规、核安全局的规定和导则，以设计开始时国内、外经主管当局批准的、相应的核电厂防火设计和建造法规、标准的现行有效版本为依据3-5，但这些法规和标准都是以正常运行的状态进行考虑的。反应堆厂房在正常运行期间基本没有人员进入，人员荷载较少，但反应堆在经过一定时间运行后需进行停堆检修，对设备进行全面检修维护，反应堆也需重新换料。大量检修人员会同时进入厂房各处进行检修作业，这超出了标准设计中人员荷载的考虑，加大了人员疏散的难度，而对于该类场所该类场景的人员疏散目前没有可依据的相关标准，需根据实际需求分析。 本文以实际反应堆 CPR1000 机组反应堆厂房场景为例，针对检修期间反应堆厂房的疏散情况，对现场情况进行调研，分析可能的火灾场景及疏散情况，并以计算机模型进行模拟分析，研究影响人员疏散的主要难点及因素，最终提出可行的改进疏散条件措施。 一、案例分析 （一）厂房建筑概况 为了保障营运安全及控制紧急情况下的核扩散，核电厂的反应堆厂房均整体包裹在圆柱体钢筋混凝土结构内，建筑高度可达 60m。厂房内部空间可分为外环走廊和内环房间两部分：外环大部分为钢格板搭建的钢结构平台；内环分多层，各层由封闭空间功能房间组成。各层有外环和内环的楼梯连通，人员可到达厂房内高差超过 20 米的各个平台进行维修作业。 （二）疏散特征 厂房内底层设有 3 组宽度约 0.7m 的开敞楼梯通往上层，其他各层均设有 2 组宽度约 0.9m的开敞疏散楼梯通往上下层，供工作人员维修及运送材料。维修期间，厂房内均使用位于中层平面宽度约 6m 的出口进出厂房，以控制人员的进入数量及管控污染扩散，此出口也同时作为通往外部空间的安全疏散出口。厂房地面层也设有专用出入通道，用作运送特殊大型设备及材料，由于安全原因，该出口不用作正常出入使用，并需要专业人员花一定时间才能开启。厂房内疏散策略为人员通过各层上下连接的疏散楼梯前往中层平面，通过出口疏散出厂房。反应堆厂房为满足功能需要，铺设大量设备管道，内部空间有限，除安全出口外各疏散通道空间包括疏散楼梯仅可供单人通行。因核反应厂房与常规建筑结构区别，本文未使用百人疏散宽度指标概念分析疏散宽度。 反应堆厂房在核反应堆正常运行时，内部存在严重放射性。在反应堆厂房检修期间，核反应堆处于安全停堆状态，建筑内仍存在少量放射性辐射，同时火灾事故也有可能引起辐射量增大。为了便于辐射防护管理和职业安全控制，核电运营部门根据放射性辐射强度水平高低，将辐射控制区划分为红区、橙区、黄区、绿区。普通建筑设计疏散路线，只需要考虑人员朝向安全出口疏散，但核反应厂房规划疏散路线时必须考虑放射性辐射安全问题。人员疏散时应尽量从放射性水平高的区域向放射性水平低的区域疏散，尽量减少穿过高辐射剂量的区域。对于该类疏散没有可依据的相关标准，需根据实际场景和需求分析。 如图 1 各层辐射分区示意，厂房内整体辐射剂量分布基本为从内环至外环逐渐减少，契合人员从内环向外环楼梯及出口疏散的路线。由于核反应工艺原因，部分设施区域辐射剂量较高，造成部分房间通向安全出口的最短路径经过了高辐射剂量区域，需按照实际场景各位置重新规划疏散路径。 反应堆厂房在核反应堆正常运行时，内部仅会有少量员工进入；在检修期间，为了尽快完成检修工作，减轻人员收到的辐射，大量检修人员会同时进入厂房各处进行检修作业。但厂房建设施工设计时没有特别考虑大量人员荷载的紧急疏散问题。大修期间反应堆厂房内人员主要为现场检修工作人员和监管人员，人员构成主要为成年健康男性。进出厂房有严格人员身份认定及安保流程，根据现场安全防护人员的统计数据，整体厂房内的人员数目可达 400 人以上，检修期间人员根据作业需求分布在不同层，大部分维修作业人员位于顶层和底层作业空间，均远离中层平面的唯一出入口。 （三）火灾对疏散影响 反应堆厂房内可燃物含量较高，火灾载荷大，一旦发生火灾，火灾持续时间长，产烟量大。同时反应堆厂房由于功能需求和超压保护要求，不能以实体边界封闭各区域，而是采取实体边界、带开口的实体边界和假想边界组成防火小区分隔建筑空间。一旦发生火灾，火灾也许不会蔓延，但烟气会快速在火源附近空间蔓延。 根据各项研究经验，火灾中火源位置对会疏散情况产生很大影响6。火灾环境中对人员疏散造成影响的因素主要为热烟气层的高度及温度、清晰层温度及可见度、环境有害产物浓度，各项影响综合表现结果为阻碍疏散路径和安全出口。本文在疏散场景中以阻碍安全出口及其附近通行区域的表现形式体现火灾对与人员疏散的影响。 根据厂房内各区域的特点和火灾危险性分析结果，对厂房各区域的火灾场景进行设计。由于可能发生火灾的部位、规模及火源的类型有所不同，设计疏散场景需要根据厂房建筑物本身的特性选择“可信的最不利情况”，即同时考虑火灾场景发生的机率和可能对疏散造成的影响。厂房中层安全出口层外部廊道不是连通的环廊，可视为单向袋形走道疏散，发生火灾事故后人员难以疏散。虽然厂房在设计时依据现行法规及规范要求考虑了点火风险并严格控制了火灾荷载，但检修期间的相关作业及检修中引入的部分可燃物仍存在起火的风险。其中厂房的底层及顶层由于作业集中，起火可能性相对较大。火灾产生的烟气在热浮力作用下上升，当下层空间人员通过上行楼梯疏散时，与烟气上升方向一致，受烟气影响较大，对疏散较为不利。 根据反应堆厂房内火灾对人员疏散最不利的情况，本文以对人员疏散有较大影响的底层、中层、上层各层在疏散出口处附近发生火灾，作为模拟人员疏散场景。 （四）疏散场景 厂房为整体连通空间，发生火灾时厂房所有区域需进行疏散。本文根据设定的各疏散情况进行模拟，定量分析疏散方案的可行性。根据以上分析的不同的火源位置，疏散场景总结如表1 所示。 二、数值模拟及结果分析 （一）模型设置 用于疏散模拟的软件很多，常见的比如 STEPS、Pathfinder 等。本文拟采用模拟软件MassMotion 对不同的人员疏散方案进行模拟。MassMotion 通过了 ISO 9001-TickIT 审核认证，其分析结果的可靠性在国际上得到充分认证7-8。MassMotion 允许对各区域的各个人员的疏散路线进行单独定义，在核岛疏散场景中，由于核岛建筑结构和辐射剂量分布的特殊性，各区域各位置的人员疏散路线需各自单独规划，MassMotion 正好可以便捷实现该功能。另外，MassMotion 具有更好的展示效果以及多种结果展示方式，MassMotion 附加的各项疏散数据分析后，处理软件可以准确直观得输出疏散模拟结果，便于在本项目中复杂的空间环境下对人员疏散过程进行观察追踪，并读取数据进行后续研究分析。 首先在 MassMotion 中构建三维环境的特性，通过一系列的几何组件（地板、坡道、楼梯、自动扶梯、电梯、门、障碍和门户等）构建模拟环境。本文分析的核反应厂房的三维物理模型如图 2 所示。 （二）人员分布及疏散过程 根据对实际检修过程的观察统计，得到在一次典型的检修过程中，反应堆厂房内的人员分布如表 2 所示。将表中所示人员按楼层分布在三维空间模型中，并对人员疏散过程中的基本参数进行设定，软件将自动模拟人员的疏散过程。 需要特别提出的是，与常规的疏散不同，本次模拟中在以下几个方面考虑了反应堆厂房的特殊性： 第一，假定现场均为熟练的员工，对场地状况以及逃生路线非常熟悉，能大概率选择最优的逃生路线。 第二，假定现场的人员均为健康的男性，同时考虑厂房内空间狭小，对人员各疏散参数的选取为平面行走平均速度 1m/s，肩宽 0.5m。 第三，考虑到各层辐射分区的影响，对各位置人员的疏散路线进行限定，尽量不跨越高辐射剂量区域。 除此以外，反应堆厂房模拟中，遵循的其他假设条件包括：疏散过程中，所有未受影响的楼梯及安全出口保持畅通；人员按照预定疏散路线方案，有序进行疏散；人员的体能及心理状态在疏散过程中保持相对稳定的水平，可调整平均行走速度和对疏散出口进行理性选择。 （三）结果分析 各疏散场景中疏散情况在 60s 内一致；60s 后疏散场景 1、2、4 中疏散情况基本一致，最终总疏散行动时间分别约为 4min；但疏散场景 3 中 60s 后疏散较慢，最终总疏散行动时间为5.55min。 综合疏散模拟过程数据，可见各场景疏散曲线均在疏散 60s 左右出现拐点，表明安全出口在 60s 前后人员通过速率有较大差异。原因是各层人员在 60s 内都可向各层疏散楼梯移动并到达楼梯准备排队通过，因此可认为各层水平疏散距离不是疏散主要限制因素。各场景疏散曲线在 60s 后保持连续平整无变化，未体现竖向疏散距离对疏散情况的影响，说明疏散场景 14 中竖向疏散不是疏散主要限制因素。 场景 1、2、4 中 60s 后疏散曲线较为连续平稳，表明疏散人员在各层疏散楼梯交汇，逐步通过各层空间，最终到达安全出口，完成疏散。在该情况下各层人员在中层通向安全出口的楼梯交汇，局部拥挤，因此 60s 之后由于疏散宽度不足造成的过度拥堵是疏散的主要限制因素。而场景 3 与其他场景疏散情况偏差较大。火源位置差异对疏散情况的影响主要体现在场景 3 通向安全出口的其中一个疏散楼梯被火源阻挡，人员必须在这一层进行交汇，疏散宽度不足，且通过另外一个疏散楼梯疏散距离较长，最终导致人员疏散速度过慢，最后疏散行动时间过长。 对于中层单向必经的疏散通道必需加强防火管控措施，不应存放可燃物，防止该区域发生火灾事故影响人员疏散。 （四）优化方案验证 根据以上的分析结果，影响整体疏散行动时间的重要限制因素，为疏散宽度不满足待疏散人员数量，造成的人员拥堵等待时间增加。而水平和竖向疏散距离对整体疏散行动影响较小。针对该情况提出下列优化方案，并通过模拟进行疏散验证。 优化场景 1：增加辅助安全出口疏散，该疏散场景中将用于运送特殊大型设备及材料的常闭通道作为辅助安全出口。此方案能提供另一个出口供厂房内人员疏散，当厂房内部发生紧急事故时，需要配备人员从出口任何一侧打开此疏散门用于紧急疏散。因为该门的开启需 30s，因此在 30s 以前对疏散无影响，但在 30s 后可以极大地加快人员疏散速度。 优化场景 2：增大疏散楼梯的疏散宽度。该疏散场景中加大各层外环的疏散楼梯宽度，从0.9m 增至 1.5m，可供两股人流通行。这措施可以在发生火灾情况下封堵部分楼梯后，仍能提供一定的疏散宽度，缩短疏散时间。 优化场景 3：控制总疏散人数，在该疏散场景中，加强入口处的人员管控，控制总内部人数不超过为 300 人，按照相同比例分布在各层。这方案能最大地减少总疏散时间。 模拟结果显示，优化场景 1 总疏散行动为 3.4min，优化场景 2 总疏散行动时间为 3.75min，优化场景 3 总疏散行动时间为 3.52min，三个优化疏散场景均比原疏散场景减少至少 30s 疏散行动时间。 三种优化措施均减轻了人员拥挤的问题，从优化场景 1 疏散曲线拐点可以看出，约 2 分钟之后人员疏散量减慢，同时各优化场景总疏散时间均为 3.5min 左右。结合疏散过程分析，顶层和底层人员需要至少 3 分钟才能到达安全出口，采取优化措施，满足疏散宽度要求后，竖向疏散距离是影响厂房人员疏散的主要因素，将厂房全体人员完全疏散时间限制在 3.5min。 根据以上分析结果，并考虑反应堆厂房的实际作业需要，建议采取以下的优化措施： 第一，将用于运送特殊大型设备及材料的常闭通道作为辅助安全出口，并加设专员管理； 第二，在安全出口加强人员数量管控，限制带入厂房内的可燃物量，以加快在消防应急情况下反应堆厂房内检修人员的安全疏散。 在消防管理上也可从下面其他几个方面入手： 第一，加强关键疏散通道的防火管控； 第二，添加疏散指示标志，指引人员快速疏散； 第三，开展人员疏散演习演练，利用最新技术，如全景拍摄及虚拟现实手段，预先熟悉疏散路线，缩短应急疏散时间。 三、结语 受制于反应堆厂房的疏散结构特点，厂房整体面积有限，同层可快速疏散至疏散楼梯，但顶层与底层受楼层空间限制，距安全出口疏散距离较远，决定了总疏散行动时间最小值。同时由于疏散宽度不满足检修期间的超量人员通行，人员会较长时间拥堵在必经的疏散通道上，增加了总疏散行动时间。 结合检修期间带来的超量人员疏散问题，本文运用疏散模拟软件定量分析，确定了反应堆厂房人员疏散的主要限制因素，并提出可采取增加辅助安全出口、管控人员数量、加强消防管理等改进措施，增强安全疏散水平。本文分析研究内容，可为同类厂房疏散方案设计及消防管理提供参考和理论依据，以实现反应堆厂房包括检修期间全天候安全疏散的要求。 参考文献： 1赵善贵,张琳,陈晓秋,等.核电厂应急撤离的有关问题J.核安全,2008(4):52-56. 2王海峰,上官志洪,赵峰,等.核电厂核事故应急疏散研究J.中国安全科学学报,2010(7):26-31. 3法国核电厂设计和建造规则M.4 版.上海:上海科学技术文献出版社,1997. 4核电厂防火:HAD 102/111996S.北京:国家核安全局,1996. 5中国核工业集团公司:核电厂防火设计规范:GBT 22158-2008S.北京:中国标准出版社,2008. 6姚浩伟,赵哲,郑远攀,等.不同火源位置的火灾危险性模拟研究J.消防科学与技术,2016(3):313-315. 7Eric Rivers,Carla Jaynes,Amanda Kimball,et al.Using Case Study Data to Validate 3D Agent-Based Pedestrian Simulation Tool for Building Egress ModelingJ.Transportation Research Procedia,2014(9). 8Wong H.L.K, Han J.Y, Chiou M.C.“Risk Analysis Approach of China High-Speed Rail Tunnel Evacuation Design”C.Proceedings of the 8th International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics(PED2016),Beijing:University of science and technology of China press,2016. 作者简介： 赵波，2008 年于中国矿业大学获得消防工程学士学位，现为辽宁红沿河核电有限公司安全防护处消防专业负责人，主要从事消防管理与技术评估工作。 陈龙洋，2011 年于北京科技大学获得安全工程学士学位，2015 年于德国伍伯塔尔大学获得消防和公共安全硕士学位，现为奥雅纳工程咨询（上海）有限公司北京分公司消防部门消防工程师，主要从事建筑行业消防咨询业务。 王汉良，副总工程师，1999 年于香港科技大学获得学士学位，2001 年于香港科技大学获得硕士学位，2006 年于美国马里兰大学获得硕士学位，现为奥雅纳工程咨询（上海）有限公司北京分公司消防部门负责人，主要从事建筑行业消防咨询业务。 薛峰，2007 年于南华大学获得核工程与核技术学士学位，现为辽宁红沿河核电有限公司安全防护处处长，主要从事红沿河核电厂生产区域安全管理工作。 作者单位： 1. 辽宁红沿河核电有限公司 2. 奥雅纳工程咨询（上海）有限公司北京分公司