摘要：纵深防御是核电站消防设计应遵循的基本原则。介绍了某核电站在消防设计中对这一原则的贯彻执行：消防水源有三个，消防水泵分别放在四个抗震泵坑里，由两个独立的应急配电系统供电并配柴油发电机作后备。核岛消防供水管道的抗震及环网设计，为安全设施多增 加了一道屏障。厂区增加环网布置及常规岛以后的管网减压设计提高了系统的可靠性，并且便于管路的冲洗维护。
关键词：核电站消防法规 纵深防御 设计基准 消防供水系统 稳压系统
随着我国核电事业的发展，以核发电近期已成为我国能源开发的重要课题。核电站主要由核反应堆厂房（以下简称核岛）、汽机厂房（以下简称常规岛）及技术性或非技术性建筑物（以下简称BOP）等组成。由于它生产设施的特殊性，无论在正常运行和事故条件下都要保证它具有足够的安全性。所以，核电站的消防设计也有别于通常的民用设计。
1 应遵循的消防设计规范
目前国内民用设施的消防规范只适用于核电站的非核设施及其厂房。
对于核设施及其厂房的消防设计应遵循中国核安全导则HAD102/11《核电厂防火》。然而，该导则只是指导性文件，用它作为技术规范标准来指导防火设计不能完全满足要求。并且，国内核电站多数是引进国外的商业堆，其消防设计应与工艺系统和厂房设计、建造相匹配，所以还必须遵守引进国相应的防火设计规范。
《核电厂防火》中强调纵深防御设计概念，即冗余、多样配制消防安全措施，从而确保高水平的安全性。冗余即同功能、同类型设备重复设置。
2 核电厂系统的作用
核电站火灾不仅造成巨大损失，可能造成的后果也是严重的：巨大的人员伤亡；威胁核安全或引发核安全事故；恶劣的公众影响。众所周知的切尔诺贝利核电站事故所造成的经济损失和对环境的污染都与火灾的二次效应直接有关。
因此，为确保足够安全，核电厂的防火设计必须满足总的安全设计要求。核安全导则HAD102 /11《核电厂防火》明确： 核电厂应通过在设计上运用纵深防御概念实现以下三个主要目标：①防止发生火灾；②快速探测并扑灭确已发生的火灾，从而限制火灾的损害； ③防止尚未扑灭的火灾蔓延，从而将火灾对电厂安全重要功能的影响降至最低。
第二目标的实现依赖于能动的防火技术是否达到火灾的早期探测和扑灭的要求。核电厂系统是通过水泵这一能动设备向整个电厂消防灭火能动装置提供和输送具有足够设计压力、设计流量的消防水。其供水的可靠性是实现这一目标的根本保障。
下面以某核电站系统的设计来论述为实现上述第二目标而采取的措施。
3 设计实例
某核电站引进法国压水堆型，规模：2×900 MW，为商用核电站。其系统是向核岛、常规岛、BOP及厂区灭火装置提供和分配具有足够设计压力、设计流量的消防水。由于核电站核设施的特殊性，它的防火设计遵循两个基准：①保护具有执行安全功能的安全系统的消防设施的设计；②保护非安全系统的消防设施的设计。采用的设计规范：中国核安全导则HAD102/11《核电厂防火》、《法国压水堆核电站防火设计和建造规则RCC-I》及国内现行的防火规范。另外，该核电站消防设计按同一时间只有一次火灾发生；由于条件限制厂区内没设高位消防水池。
它的系统相当于民用建筑的稳（准）高压系统，是由消防水生产系统，分配系统，稳压系统及厂区室外消防栓组成（见图1）。
图1 原理
3.1 消防水生产系统
消防水生产系统是由水源、水泵、消防泵房和管路组成。它的功能是向两个机组的核岛厂房、常规岛厂房、BOP及厂区灭火装置提供具有足够设计压力、设计流量的消防水。
设计基准：由于与核岛有关，设计时按保护具有执行安全系统消防设施的设计基准考虑。根据RCC-I，消防泵所提供的消防水应满足常规岛设计基准火灾灭火流量（受固定灭火装置保护的设备所需的最大消防水量）的需要，并且保证在扑灭常规岛最大设计基准火灾的同时，有若干室内消火栓耗水200 m3/h的需要。消防设施考虑冗余设计。另外，保护安全系统的消防设施、管道、阀门等附件在地震期间或地震后不允许被破坏，保证其功能的完整性，从而确保其所保护的安全系统的安全性。所以，除水源补水管外，系统划分为抗震系统，全部应按抗震级设计。
3.1.1 水源
核电站消防水源的可靠性与否直接关系到整个消防水灭火系统的可运行性，正如《核电厂防火》5.4.3所述：水系统应当永久性地接到有保障的足够的消防水源上。它还关系到如何实现快速探测并扑灭确已发生的火灾，从而限制火灾的损害这一目标。所以水源必须是：具有足够、可靠的水量；消防水水质要符合要求。
该核电站消防水源有三个：正常情况下由生活饮用水系统自动向消防水池供水，水池设有控制饮用水管路电动阀门开关的液位信号。当生活饮用水系统供水失效时，转换成生水系统供水，由值班人员用手动阀门控制补水。这两个水源的水都流入两个独立的能贮存1 400 m3淡水的混凝土池子。第三个水源是海水，一旦消防水池水位降到低报警液位，值班人员需手动打开消防泵与海水连接的吸水母管的阀门，水泵直接吸入海水。
它的消防水池容量是根据汽机厂房的设计基准火灾灭火消防水量设计的。该水量大于核岛厂房的灭火用水量，所以对于核岛消防，水量贮存能满足要求。消防水池是抗震性的结构，从而确保了水源的可靠性。设置两个独立、冗余的淡水池保证了检修时水源的连续可用性。两套补水系统、两个水源（淡水和海水）的替代，增强了防御的纵深度。
消防水补水系统一个是生活饮用水、一个是经过过滤的生水，水质均符合消防水要求；采用的海水是经过转鼓滤网（滤网孔径3 mm×3 mm）过滤后，直接进入消防管网。所以说，该核电站消防水源的设计上具有多重的防御措施，体现了纵深防御的概念，是安全可靠的。
3.1.2 消防水泵
消防水泵房是整个厂区消防灭火系统的心脏，它的设计要求如《核电厂防火》5.6.5所述在由水泵运行提供必要水量的厂区内，必须设置多重消防泵，以满足单一故障准则。单一故障准则可解释为在一套设备失效或不起作用的情况下，多重性可保住功能不致丧失。系统设计消防水量：1043 m3/h（常规岛设计基准火灾灭火流量）＋ 200 m3/h＝1243 m3/h；系统共设4台水泵（每个机组2台泵），并联连接，出水管上设有压力开关。当管网压力1.275 MPa（基点是±0.00 m）时，单台泵的流量342 m3/h ；当管网压力为1.2 MPa时，单台泵的流量445 m3/h，此时允许任一台泵检修工况。消防水泵的动力供电有应急配电系统、应急柴油发电机两种。正常情况下，每个机组的两台泵分别由两个独立的应急配电系统供电。当应急配电系统事故时，启动柴油发电机作后备应急电源。
考虑保持多重系统部件间的独立性，设计共设4台消防水泵并分别放在4个抗震泵坑里，实体隔离，而且泵坑的四壁、坑底板及坑顶板是钢筋混凝土制造，耐火极限2.5 h，这样保证了当一台消防泵受损时不殃及其余。水泵动力电源也考虑了冗余设计，减少了消防水泵失效的可能性。
3.2 消防水分配系统
消防水分配系统由消防泵房至核岛、常规岛消防输水管，常规岛以后的厂区消防输水管组成。其功能是将足够设计压力的消防水根据各厂房的重要性依次分配给核岛、常规岛、 BOP各建筑物。其中消防泵房至核岛的消防输水管承担着输送保护安全系统的消防水，应该按保护安全系统消防设施的设计基准设计。系统管网设置从泵房伸出两根消防管敷设在两个安全厂用水管沟里至核岛厂房，并在核岛内形成环网。在核岛消防环网上又引出两根消防管通向常规岛，在与常规岛供水管网分界处核岛两侧各设有一个电动隔离阀，它们在核岛失火或常规岛以后部分故障时可以关闭，确保了核岛的。根据RCC-I用来保护与安全相关的消防系统应按承受SSE设计，否则对与安全相关设备形成危险，……。 SSE是指安全停堆地震荷载。这段管线按抗震1A级设计，即在SSE荷载条件下,能动部件（水泵）运行，非能动部件（管线）保持其功能。并且安全厂用水管沟及管道支架也是抗震（承受SSE荷载）设计。
常规岛及以后的厂区供水管网是按保护非安全系统消防设施的设计基准设计，管网没有抗震要求。常规岛各自厂房内形成环网，两个环网之间由一根连通管连接。在1＃汽机厂房外侧设有消防稳压装置，其出水管接在汽机厂房的环网上，管网运行压力维持在1.2 MPa（基点±0.00 m）。两个汽机厂房各引出两根水管在厂区形成环网，围绕着核岛、常规岛及各厂房又布置成若干环路，每个环路都设有隔离阀。管网运行压力维持在1.2 MPa是基于核岛或常规岛的某些固定灭火装置要求确定的，而对于消火栓系统而言就显得过高。在常规岛与BOP之间的三根消防管线上分别设置三套减压阀组，在无火灾情况下，减压阀组上游管网压力为1.2 MPa，阀组后管网压力为0.8 MPa。厂区室外消火栓的布置：参照国内消防规范，沿着厂区室外消防管网每120 m设置一个室外消火栓。
3.3 消防水稳压系统
系统中稳压系统在整个消防管网中举足轻重：既要维持日常的管网运行压力，还要提供火灾初期或第一台消防泵尚未达到额定功率时的初期火灾消防水量。它的可靠性与否决定着是否能有效地限制火情的蔓延。
该核电站的稳压系统采用的是由气压罐、稳压泵、空压机组成的稳压装置（见图2）。它由1 个 75 m3的气压罐，2台1.5 L/s的补水泵，2台稳压空压机及配套管网组成。工作原理：当整个厂区消防给水系统因泄漏、排水或有消防用水时，气压罐内水位和压力随之下降，当水位达到设定的低水位时，此时如系统压力未达到正常运行压力1.2 MPa，则稳压空压机启动为气压罐补气，达到为整个厂区消防系统补压的目的，当压力达到正常状态后，稳压空压机停止运行。在这一过程中当补水泵启动后，如果整个厂区消防给水系统的水压仍继续下降，则当压力下降到一个更低的压力值1.1 MPa时，主消防泵将自动启动。所提供的初期火灾消防水量是气压罐内储存的压力为1.2 MPa，容量为25 m3 的消防水，是基于电源正常，主消防泵要在启动43 s内达到正常运行状态的条件下确定的。它能满足火灾时，至少向管网提供的是电厂可能发生最大一次火灾的最初1 min的消防水。补水泵的水源是敷设在汽机厂房的生活饮用水管。整个系统是非抗震设计。系统的特点：稳高压系统，火灾时，不仅能提供必要的初期 消防水量也能保证消防水压；补水泵、空压机是冗余设计；运行维护可靠，具有与高位水箱稳压系统等同的作用效果，并且实用、可行、经济。
图2 消防稳压装置原理
3.4 运行
正常情况下，消防水池和系统是充满水的，系统压力由设置在汽机厂房的稳压系统控制。当发生火险，系统压力值降至某一定值时，在30 s内，应急配电系统供电，消防泵根据消防水量、系统压力的变化依次启动，若超过30 s，消防泵由应急柴油发电机（后备应急电源）供电。在自动方式失效时，可在主控室或就地进行手动启动干预。消防水通过分配系统供应至消防用水点，消防完毕后，水泵的停运由主控室手动操作。
4 结论
综上所述，该核电站的系统在水源、水泵设计，动力源配制及控制方式上各有若干冗余、多样措施，核岛管道的抗震及环网设计，为安全设施多增加了一道安全屏障，因此充分体现了纵深防御的设计原则。厂区增加环网布置及常规岛以后的管网减压设计提高了系统的可靠性和可用率，并且便于管路的冲洗维护。稳压系统的选择是先进、可靠的。所以整个系统设计具有可行性、可用性和可靠性。
我国核电事业刚起步，充分理解国内、外防火规范在设计上的应用对将来的核电设计国产化是很有必要的。
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