核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统技术领域
本发明涉及核电厂安全监控技术领域，特别是涉及一种核电厂受限空间内火灾火
源功率监测系统。
背景技术
在核电厂安全监控中，火灾监控是极其重要的部分，火源功率是火灾最重要的特
征参数之一，是判定火灾危害性的最重要参数，也是设备受到热应力、火灾烟气蔓延、第二
火源着火的主要影响因素。火源功率代表火源对外的能量释放量，通常随着时间和火灾环
境发生变化。
现有的火源功率测量方法基本可以分为两种：第一种是根据燃烧热解质量损失速
率乘以燃烧热值，但是对于核电厂受限空间，复杂物质组成的燃烧物，如电气柜等，内部各
种电缆的组分分解的速率不同，燃烧热值不同，该方法在实际中很难应用；第二种方法是根
据燃烧消耗的氧气计算，这种方法的一般假设消耗单位质量的氧气产生的热量相同，即为
13.1MJ/kg。该方法只适用于富氧条件下的燃烧，实际的燃烧环境变化较大。对于核电厂的
结构特征来说，特别是其受限空间内，可燃物的持续燃烧会形成贫氧环境，采用该方法难以
符合测量的环境要求。
由此可见，现有火源功率测量方法，难以准确地监测核电厂受限空间内火灾火源
功率。
发明内容
基于此，有必要针对难以准确地监测核电厂受限空间内火灾火源功率的问题，提
供一种核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统。
一种核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统，包括：
气体热能变化测量系统、开口对流热交换测量系统、壁面热交换测量系统以及数
据处理系统；
所述气体热能变化测量系统设于核电厂的受限空间内，用于测量火源所在受限空
间内的气体所吸收的第一能量；
所述开口对流热交换测量系统设于核电厂的受限空间与外界接触的开口处，用于
测量火源所在受限空间内的气体通过开口与外界的热交换的第二能量；
所述壁面热交换测量系统设于所在受限空间壁面位置上，用于测量火源所在受限
空间壁面吸收的热通量；
所述数据处理系统接收所述第一能量、第二能量和热通量，根据第一能量、第二能
量和热通量，基于能量守恒计算核电厂受限空间内的实时火灾火源功率。
上述核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统，根据能量守恒，适用于核电厂复
杂可燃物分布、封闭环境、机械通风等多种火灾场景，火灾时实时对火源功率进行准确的监
测，为核电厂应急人员实时评定火灾风险提供定量的数据。
附图说明
图1为本发明的核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统的结构示意图；
图2是受限空间内气体分层和测量点布置示意图；
图3是受限空间内开口处测量点布置示意图；
图4是开口处测量点的温度传感器、气流方向传感器和压差传感器布置示意图；
图5是受限空间内侧壁热通量传感器的布置示意图；
图6是受限空间内顶部和底部的热通量传感器的布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图阐述本发明的核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统的实施例。
参考图1所示，图1为本发明的核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统的结构示
意图，包括：
气体热能变化测量系统、开口对流热交换测量系统、壁面热交换测量系统以及数
据处理系统；
所述气体热能变化测量系统设于核电厂的受限空间内，用于测量火源所在受限空
间内的气体所吸收的第一能量；
所述开口对流热交换测量系统设于核电厂的受限空间与外界接触的开口处，用于
测量火源所在受限空间内的气体通过开口与外界的热交换的第二能量；
所述壁面热交换测量系统设于所在受限空间壁面位置上，用于测量火源所在受限
空间壁面吸收的热通量；
所述数据处理系统接收所述第一能量、第二能量和热通量，根据第一能量、第二能
量和热通量，基于能量守恒计算核电厂受限空间内的实时火灾火源功率。
上述核电厂受限空间内火灾火源功率监测系统，适用于核电厂复杂可燃物分布、
封闭环境、机械通风等多种火灾场景，火灾时实时对火源功率进行准确的监测，为核电厂应
急人员实时评定火灾风险提供定量的数据。
在一个实施例中，参考图2所示，图2是受限空间内气体分层和测量点布置示意图；
所述气体热能变化测量系统包括由n个温度探测器垂直排布组成一个纵向的温度测量系
统；
所述温度探测系统将火源所在的受限空间在纵向上分成n层，每个温度探测器位
于一个层气体的中心位置，测量所在层气体的温度变化，其中，n≥2。
进一步的，气体热能变化测量系统的n个温度传感器将采集的温度数据实时传送
到数据处理系统；
所述数据处理系统根据如下公式计算火源所在受限空间内气体热能变化的第一
能量：
其中，表示第i层的气体密度，M是空气的摩尔质量，P0是大气绝对压力，R
是普通气体常数，Vi是第i层的体积，Cp是空气比热容，T0是受限空间内的初始温度。
在一个实施例中，参考图3所示，图3是受限空间内开口处测量点布置示意图；所述
开口对流热交换测量系统将开口分隔为m个区域，每个区域中心位置设置一个测量点；其
中，每个测量点分别设置一个温度传感器、气流方向传感器和压差传感器；参考图4所示，图
4是开口处测量点的温度传感器、气流方向传感器和压差传感器布置示意图。
所述温度传感器用于测量开口处的温度，所述气流方向用于测量开口流过的气流
方向，所述压差传感器用于测量开口处受限空间内外两侧的压力差。
进一步的，所述开口对流热交换测量系统将所采集的温度和压力传送到数据处理
系统；
通过开口的热交换能量为其中表示第j个开口
与外界的热交换的能量，表示i区域的密度，M是空气的摩尔质量(常数)，P0是大气
绝对压力，R是普通气体常数；vi是i层的流速，K为常数，取1.08，ΔP是压力差
Cp是空气比热容；T0是房间内的初始温度；Ai是i区域对应的面积。
所述受限空间内所有开口对流热交换为其中，表示所有开口
对流热交换的第二能量。
在一个实施例中，参考图5所示，图5是受限空间内侧壁热通量传感器的布置示意
图；所述壁面热交换测量系统包括布置在受限空间内侧壁各个测量点上的热通量传感器；
其中，受限空间内侧壁在竖直方向上分成x个区域，每个区域中心对应一个测量
点；受限空间内的顶部和底部在表面上横向划分成y1列，在竖向划分成y2行，形成y1×y2个
矩形区域，每个区域中心位置设置一个测量点。
参考图6所示，图6是受限空间内顶部和底部的热通量传感器的布置示意图。
进一步的，所述壁面热交换测量系统采集各个测量点上的火源所在受限空间壁面
吸收的热通量数据，将所采集的热通量数据传送到数据处理系统；
所述数据处理系统根据如下公式计算受限空间内侧壁的热通量：
式中，是受限空间内侧壁的热通量，是第i个热通量传感器单位面积接收
到热通量，SHFS_i是第i个热通量传感器所在区域面积。
作为实施例，上述实施例的涉及的温度探测器、温度传感器、气流方向传感器、压
差传感器以及热通量传感器的数据采集频率相同。
在一个实施例中，所述实时火灾火源功率计算公式为：
式中，为实时火灾火源功率，为火源所在受限空间内的气体所吸收的第一能
量，为火源所在受限空间内的气体通过开口与外界的热交换的第二能量，为火源所
在受限空间壁面吸收的热通量。
为了更加清晰本发明的技术方案，下面阐述一个具体实施例。
假设核电厂内一长方体的受限空间内发生火灾，受限空间内有一个开口。将受限
空间从垂直方向分成5层，每层的体积为Vi(i＝1,2,3,4,5)，在受限空间内中间放置一个热
电偶树，热电偶树上分布5个热电偶，分别位于对应层的中间，如图2。沿开口垂直中心线处
布置8个测量点，测量点和对应的面积，如图3。每个测量点从上到下依次布置有K型温度传
感器、双向探头和差压传送器，如图4。所述双向探头与差压传送器连接，从受限空间内流出
为正，从房间外流入房间内为负。火源所在受限空间的4个侧面垂直中心线上布置热通量传
感器，传感器布置和对应的面积，如图5。在受限空间的顶部(顶棚)和底部(地板)，传感器的
布置和对应面积，如图6。
所有的测量器件连接到数据采集模块并传输到数据处理系统的数据处理器，所有
数据采集频率为1HZ，即每秒采集1个数据。
所述热电偶树上的K型温度传感器将测量得到的数据传送到数据处理器，得到受
限空间内气体热量变化，得到和
所述开口处的温度传感器和压差传感器将数据传输到数据处理器，得到
所述受限空间内壁面热通量传感器将数据传输到数据处理器，得到
由此可得实时火灾火源功率：
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。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。