行政院原子能委员会

行政院原子能委員會 委託研究計畫論文報告 除役中火災事故之模擬與火災防護計畫之評估除役中火災事故之模擬與火災防護計畫之評估 The simulation of fire incidents and the evaluation of the fire protection for successful D t 為時間 其單位為 s 由於火源處的釋熱率隨時間而變化 因此火源處的釋煙率 溫度及 混合熱氣體的流動速度亦為時間的函數 因此在推導邊界條件時 先由 2 1 式至 2 3 式求出不同時間下火源處的釋熱率 再依下式求出單位面 積的釋熱率 HRR HRR Q A 其單位為 kW 2 4 2 m 統御方程式 Sgradrurdivr t iiiiii 2 5 式中之 i i r t 為暫態項 iii urdiv 為對流項 grad ri div 為擴散 項 而 為單位體積之源項 S 能量守恒方程式 2 6 質量守恒方程式 2 7 理想氣體方程式 2 8 2 6 2 7 2 8 式中之 yCEIL 表示地板至天花板之高度 R 為氣體常數 cp cv為比熱比 qU 為淨熵流率 the upper layer with flow compartments mU為淨質量流率 the upper layer with flow compartments 總熱傳率方程式 2 9 qCURT 為流出門窗之熵流率 qPLUME 為流出 PLUME 之熵流率 qVENT 為 6 流出天花板上之孔之熵流率 qHT 為隔間之熵流率 總質量流率方程式 2 10 mCURT 為流出門窗之質量流率 mPLUME 為流出 PLUME 之質量流率 mVENT 為流出天花板上之孔之質量流率 將 2 8 式代入 2 6 式可得 2 11 再利用 2 6 2 7 式可將 2 11 改寫成 2 12 二 問題分析與驗證二 問題分析與驗證 首先進行 CFAST 軟體驗證分析 分析的空間尺度 配置圖及控制體 積圖 如圖 1 2 所示 模擬空間之尺度 長 17 68m 寬 14 6m 高 5 8m 火源位置 X 方向 8 84m Y 方向 7 3m Z 方向 0 0m 即空間之中心點 位置之地面上 經由對驗證問題分析的結果得知 在快速 中速及緩慢三種火源燃 燒速率下 空間內溫度的變化速率比較可看出隨著燃燒速率的增加 溫 度上升速率以快速火源最快 接下來是中速火源 而以緩慢火源的上升 速率則最慢 由此顯示燃燒速率將影響室內火災時溫度的變化速率 因 此 如何控制火源避免其擴大係火災災害防治的重點之一 另外可發現 溫度的變化速率會在某一個時間點陡然增加 而影響此時間點快慢的因 素包括有火源燃燒速率的大小以及幾何空間的尺度 而火源燃燒 600 秒 後溫度上升至最高點 接下來即開始衰退 溫度亦隨之下降 其次 是探討火源燃燒速率對釋熱率 heat release rate 的影響 火 源燃燒速率越大 空間內溫度的上生速率也越快 而 heat release rate 也 7 越快 此外 空間尺度的大小也將對 heat release rate 造成相當程度的影 響 此外火源燃燒開始燃燒後 heat release rate 快速上升至 1055kw 隨 後趨於穩定 當火源燃燒 600 秒後即開始衰退 heat release rate 亦隨之下 降 另外 火焰高度與面積 均與燃燒速率成正比 所以快速火源在 150 秒時 中速火源在 300 秒時 緩慢火源在 600 秒時 火焰高度與面 積達最高點 而後燃燒穩定 在無外界空氣進入燃燒室內時 燃燒慢慢 衰退 而火焰高度與面積亦隨之衰退 三 三 TRR 除役現場假想之火災事故分析除役現場假想之火災事故分析 完成 CFAST 程式驗證分析後 在實際以 TRR 除役現場的條件進行 除役現場火災假想事故分析 一 空間尺度與配置圖 圖 3 是模擬空間之尺度 長 17 68m 寬 14 6m 高 5 8m 反應器 直徑 5 0m 火源位置 X 方向 11 34m Y 方向 7 3m Z 方向 0 0m 即 反應器之底部 0 度角位置 圖 4 是模擬空間之尺度 長 17 68m 寬 14 6m 高 5 8m 反應器 直徑 5 0m 火源位置 X 方向 11 34m Y 方向 7 3m Z 方向 2 9m 即 反應器之中段 0 度角位置 圖 5 是模擬空間之尺度 長 17 68m 寬 14 6m 高 5 8m 反應器 直徑 5 0m 火源位置 X 方向 0 5m Y 方向 0 5m Z 方向 0 0m 即空 間之左下角位置 二 事故模擬說明 本模擬仍採快速 中速及緩慢火源三種方式作研究 火源位置取在 反應器之 0 度角位置 如果取在反應器之 90 180 270 度角位置所得之 圖形及數值均非常接近 也就是說火源位置取在反應器之附近位置其圖 8 形及值均十分接近 由此可知火源產生在反應器四週其差異不大 所以 本模擬僅對火源位置在反應器之 0 度角位置作模擬 三三 分析結果 1 由分析結果比較可知 因為起火點 火源 高度位置的不同而溫度 分布會有所不同 當起火點並非在地面時 火焰的燃燒是向四面 八方擴散 其熱量的傳遞更加快速 所以溫度之上升速率亦隨之 加快 1 快速火源之空間溫度在 270 秒時到達最高溫度 如果以人 員可以忍耐的溫度 60 度而言 大約僅有 90 秒的逃生時間 2 中速火源之空間溫度在 420 秒時到達最高溫度 如果以人 員可以忍耐的溫度 60 度而言 大約僅有 170 秒的逃生時間 3 快速火源之空間溫度在 1200 秒時到達最高溫度 如果以人 員可以忍耐的溫度 60 度而言 大約僅有 300 秒的逃生時間 2 比較起火點 火源 位置所得分析果可知 因為起火點 火源 位置 的不同而有毒氣體之濃度分布會有所不同 當起火點並非在地面 時 有毒氣體之濃度分布如同火焰的燃燒是向四面八方擴散 其 熱量的傳遞更加快速 所以有毒氣體濃度之上升速率亦隨之加 快 1 快速火源之有毒氣體之濃度分布在 1160 秒時到達最高 如果以人員可以忍耐的安全範圍 3 034 度而言 大約僅有 80 秒的逃生時間 2 中速火源之有毒氣體之濃度分布在 1240 秒時到達最高 如果如果以人員可以忍耐的安全範圍 3 034 度而言 大約 僅有 100 秒的逃生時間 9 3 快速火源之有毒氣體之濃度分布在 1350 秒時到達最高 如果如果以人員可以忍耐的安全範圍 3 034 度而言 大約 僅有 115 秒的逃生時間 3 當火源位置在角落產生時 因為受到一面牆或地板阻隔之影響 其火場燃燒情形之反應時間均加長 也就是說人員之可逃生時間 也會加長 4 由上兩點雖可判定出人員在不同型態的火災情形下之逃生時 間 但如果人員有穿戴基本之安全防護裝備 如口罩 耐火衣物 等等 將可有更多的時間逃離火場 此外 如果火場有設置排 煙設備則有毒氣體之濃度將大為降低 但也因此會造成火場之燃 燒溫度 釋熱率更加提升 且燃燒時間也會加長 火災之燃燒行 為更加複雜而難以控制與分析 值得考量 5 本模擬空間之材質均為水泥 如果再加上一些防火 防煙材料 將可以改變火場之燃燒行為 更有利人員逃生 此外 本模擬空 間之四個氣窗所使用之玻璃可能因為火場溫度過高而爆裂 造成 大量空氣進入而使火場之燃燒行為更加激烈 如能採用耐高溫玻 璃 將可避免此情形之產生 值得考慮 四 成功的 D D 火災防護注意事項 計畫並依據個人之經驗與本計畫中分析結果 就下列八大方向完整 討論及成功的核設施進行除役中所需考慮的火災防護規劃 並列出一系 列之事先之要求事項 以確保核能設施已完成 D D 前之準備工作 各 個不同層次的 D D 所需之消防作業也納入其中考慮 一 消防之範疇 10 二 D D 之準備 三 減緩核物質危害度 四 定義與移走可燃物的危害 五 減低火源災害 六 機械設備中油料引起的災害 七 另外考量 八 除污考量 參 主要發現與結論參 主要發現與結論 本研究主要目的 係針對不同火源燃燒速率評估其溫度變化及 heat release rate 的差異 研究所得結論列述如下 一 就軟體適用性的評估而言 CFAST 軟體在分析上並不需花費太多的 時間 但因其相關的物理模式過於簡化 且無法模擬 3D 之情形 因此不適用於多重空間配置 或幾何空間複雜的火災模擬 但對火 災的初步模擬確十分快速有效 建議利用 CFAST 軟體來作為空間火 災初步評估的基準 但若需較嚴謹的評估結果 仍須利用較為複雜 的分析軟體 FDS PHOENICS 等 或實驗資料以為輔助 二 在本火災模擬分析中 設定為幾近密閉空間之燃燒 並無太多外界 的大量空氣進入燃燒空間中 因此火源燃燒呈較穩定之狀況 進一 步的研究可以設定在某一時間門窗突然開啟 其火災之燃燒情形 三 在本火災模擬分析中 模擬空間之天花板 地板及牆之材質 也會 影響溫度的上升及 heat release rate 因此如何控制火源燃燒速率將是 一項防火材料設計上的重要課題 此外在 heat release rate 一致時 如何控制火源燃燒速率將是一項防火材料設計上的重要課題 進一 步的研究可以針對不同空間之材質 模擬其火災之燃燒情形 11 肆 參考資料肆 參考資料 1 United States Department of Energy DOE O 420 1 Facility Safety 2 United States Department of Energy DOE O 440 1 Worker Protection Management of DOE Federal and Contractor Employees 3 United States Department of Energy G 420 1 B 0 G 440 1 E 0 Implementation Guide for use with DOE Orders 420 1 and 440 1 Fire Safety Program 4 United States Department of Energy DOE STD 106699 DOE Standard Fire Protection Design Criteria 5 Nowlen S P 1995 A summary of the fire testing program at the German HDR test facility NUREG CR 6173 Sandia National Laboratories Albuquerque NM 6 Dey M et al 1998 Technical review of risk informed performance based methods for nuclear power plant fire protection analysis DRAFT NUREG 1521 U S Nuclear Regulatory Commission Rockville MD 7 Peacock R D et al 1993 CFAST the consolidated model of fire growth and smoke transport NIST Technical Note 1