随着社会经济发展,关注环保,消除工程中危害环境的因素必将成为全社会的共识。原来关注面较少的工程项目,如核燃料元件类生产厂,随着核电产业的大发展而迅速扩张,其厂址选择的局限性也越来越大,核燃料元件厂的生产过程涉及放射性材料和其他多种有毒有害物质的使用,发生火灾时消防事故废水对环境的危害性大,如不收集,势必会对厂区及周边环境造成污染,甚至可通过河流对下游区域造成不可挽回的损失。2005年吉林化工集团爆炸,由于未设消防事故废水收集系统引发下游松花江流域严重的污染事件;近期发生火灾的漳州古雷PX项目,由于设置了消防事故水池,据报道消防事故废水都进入了消防事故水池,可见消防事故废水的收集系统对保护周围环境至关重要。 然而相关标准的欠缺,核燃料元件类生产厂的消防事故废水收集尚处于无据可依的状态。

　　 本文拟通过核燃料工程消防事故废水收集现状,结合行业特点、厂址、降雨等因素,以核燃料元件类生产厂消防事故废水的收集为例进行讨论,拟从收集池容积计算、收集管网等方面展开论述,结合平时管理、废水后期处理等予以分析,厘清核燃料元件厂消防事故水池的建设要求,为现有工程的改造找到切实合理的方案,也供收集消防事故废水的类似工程参考。

　　 2014年10 月1 日实施的《消防给水及消火栓系统技术规范》^[1],对消防事故水池的设置,并无具体规定。国内核电厂^[2]和化工企业^[3~5]均有相关规程明确要求收集消防事故废水,目的是杜绝放射性和事故废液释放到周围环境。核燃料元件厂消防废水的收集、处置要求,如参照核电和化工企业的做法,无论是消防事故废水池的容积还是池体做法,都无法满足核燃料元件厂的特殊要求。

　　 目前,无论国家规范还是行业规程均没有相关的条文对核燃料元件厂消防事故水池的设置做出要求。核燃料元件加工过程涉及化工、机械加工等多个工序,早期建设的核燃料元件厂各工序通常单独建设,近年来建成的核燃料元件厂多采用综合厂房的形式建造。主车间的耐火等级一般为一级,火灾危险性多是丁、戊类。由于生产过程使用了放射性物料和有毒有害原料,火灾时消防事故废水可能受污染而带放射性,有毒有害物质也可能随消防水外泄,因此需对消防事故废水收集、暂存,待处理、检验合格后方可外排。

　　 核燃料元件厂在消防事故状态下产生的事故废水包括生产废液、消防废水及事故期间可能进入的降雨量等,消防事故废水池容积V按下式计算:

　　 式中V₁———发生事故时可能进入收集系统的受放射性沾污的生产废液量,m³;

　　 V₂———发生火灾时的消防用水量,m³;

　　 V₃———发生火灾时可能进入该收集系统的降雨量,m³。

　　 火灾时,生产废液量可根据生产装置及其供液管道系统最大可能发生的泄漏量确定。核燃料元件厂化工段使用了有毒有害化工原料,放射性液体也主要集中在化工段,基于安全临界要求,总量不大。

　　 消防废水量可根据现行规范^[1]用消防用水量等量代替,消防废水量按下式计算:

　　 式中:Q_x———发生火灾时同时使用的消防设施给水流量,m³/h;

　　 t_x———火灾延续时间,h。

　　 消防时“可能”进入消防事故水池的雨水量是推测,是一种不确定性。目前,按设计暴雨强度公式、重现期和降雨历时计算,或按平均日降雨量计算,留下的难题都不少^[6]。火灾时收集可能进入消防事故水池的雨水量,减少了放射性类废水的危害,同时不能求大求全,要兼顾工程的可实施性。

　　 强制的消防制度,不断完善的消防规范,以及消防意识的提高和管理的加强,不能杜绝火灾的发生,但就某一项目来说,火灾是小概率事件。新建核燃料元件厂防洪要求是200年一遇的洪水,厂区雨水排放的设计重现期基本按50年或100年计,标准较高,从雨水排放来说,技术上容易实现;但从废水收集的角度来看,火灾时出现基于设计重现期的雨水也可以说是小概率事件。用两个小概率事件作为设计基准是欠妥的,如采用较小的雨水重现期,没有依据,即使小至2~3年重现期,计算出的雨水量也是很大,与尽量减少带放射性废水总量的原则是相悖的。

　　 按平均日降雨量计算时V₃=10qF,式中q为降雨强度(按平均日降雨量,q=q_n/n,q_n为当地多年平均降雨量,mm;n为年平均降雨日数,d),单位mm/d;F为必须进入消防事故水池的雨水汇水面积,单位hm²;“10”是单位换算系数^[7]。多年平均降雨量和年平均降雨日数容易查到,表1给出了国内几个有代表性地方的年平均降雨量^[8]和年平均降雨日数。

　　 采用日平均降雨量与消防时间不对应,造成计算降雨强度偏小,应分析平均降雨量的时间分布,提出合理的补偿系数K。皮尔逊Ⅲ型曲线在降雨统计中的适应性较强^[9],借用模比系数K_P作为补偿系数K可以满足工程需要。

　　 选用1985~2014年的降雨资料进行分析,计算离差系数C_V、偏差系数C_S、离均系数 Ф、模比系数K_P,以C_V=2C_S简化计算重现期P为100年、50年、10年、5年、2年、1年时部分城市的K_P,见表2。

　　 表2中的样本虽少,但基本上能反映模比系数K_P的变化趋势,P大,K_P也大;干旱地区的K_P大。P为100年时,K_P大致稳定在1.6;P为50年时,K_P大致稳定在1.5;P为10年时,K_P大致稳定在1.3;P为5年时,K_P大致稳定在1.2。不同区域、不同重现期的补偿系数K值见表3,K按重现期为100年、50年、10年、5 年分别取值1.6、1.5、1.3、1.2 在工程应用是可行的,无需过于精确。

　　 根据全国主要城市1961年以后气候资料,年平均降雨量大致分为3个档次,一是干旱地区,年降雨量小,降雨日数少,日平均降雨量众数为5 mm;二是一般内陆地区。如东北、华北、华中、西南等日平均降雨量众数为10 mm;三是沿海多雨地区,日平均降雨量众数为15 mm。如某地区暂无具体的降雨数据,工程设计时可直接按此数据选用,不同地方的数据偏差对收集池的容积影响有限。

　　 综上所述,采用暴雨强度公式法和平均日降雨量法计算消防事故水池雨水量,无法满足核燃料元件厂既有特性。利用日平均降雨量众数与当地补偿系数的乘积作为可能进入消防事故水池的雨水量,是核燃料元件厂现阶段可以接受的方法。另外减少消防时必须进入消防事故水池的雨水量可通过减少汇水面积来实现。

　　 废水收集宜规划在相对独立的排水区域,独立设置的消防事故废水收集管网使用率很低,借助厂区雨水管网是合理可行的。雨水管道设计重现期正常设计,废水收集池可靠近收集区域。消防时雨水管道与收集池自动连通,正常状态下收集池与雨水管道隔断。

　　 某核燃料元件厂位于成都地区,设计雨水汇流面积约1.08hm²,雨水管道设计重现期为50年。

　　 火灾时工艺废液可能带有放射性,对环境潜在危害大,必须收集。本工程工艺废液体量较少,约3 m³。不同的项目应结合工程实际区别对待。

　　 该核燃料元件厂室外消防用水量为20L/s,室内消防用水量为10L/s,火灾延续时间为2h。本工程化工部分不允许采用水消防,室内消防计算水量为0;室外消防用水量按现有规范要求计算为2×20×3.6=144(m³),共计144m³。

　　 进入消防事故水池的雨水可按当地暴雨强度公式或年平均降雨量考虑附加系数计算。

　　 按当地暴雨强度公式计算,重现期50年,降雨历时120min(即火灾延续时间2h),综合径流系数0.8,汇水面积1.08 hm²,计算的雨水收集量为873m³。水量较大,基于前述原由不予采用。

　　 按平均日降雨量计算,可按V₃=10 KqF计算,结合表3成都平均日降雨量取10mm/d,补偿系数取1.5,计算结果为162m³。

　　 根据前面计算,消防事故水池的容积中V₁为3m³,V₂为144m³,V₃为162m³,则V为309m³。消防事故水池设计尺寸为30m×6m×2.5m,有效水深2.0m,采用S31603不锈钢对池底和池壁敷面。

　　 消防事故废水收集管网的设计涉及总图、建筑、结构、给排水、电控等多个专业。首先,总平面和竖向布置时,总图专业已考虑了消防事故废水收集管网与雨水管网统一设置的可能性;其次,屋面雨水排放方案,建筑专业把分水线设置在需要收集的化工区与非收集的机械加工区之间,并与总图的竖向布置相协调。厂区室外雨水管网设计时,化工收集区与机械加工非收集区上下分开布置。消防事故废水收集管网设有切换井,切换井内配置正常控制阀与事故控制阀,与火灾报警系统联动。正常状态下,正常控制阀开启,事故控制阀关闭,雨水排入水体。火灾发生时,开启事故控制阀,关闭正常控制阀,雨水进入消防事故废水收集池。该核燃料元件厂区消防事故废水收集管网布置如图1所示。

　　 (1)基于环保考虑,建议GB 50974—2014后期修订时增加有毒有害危险场所应采取消防排水收集、储存措施。

　　 (2)火灾时可能进入收集系统的雨水量计算方法,应结合不同行业的特点确定,核燃料元件厂采用日平均降雨量考虑补偿系数的做法是合适的,是现阶段对推动消防事故废水收集工程易于被接受的方法。

　　 (3)利用皮尔逊Ⅲ型曲线给出日平均降雨量的补偿系数在工程上是可行的。