乏燃料后處理玻璃固化產品干法貯存通風方式優(yōu)化研究及仿真模擬分析

魏 剛, 王 璐

(中國核電工程有限公司建筑所，北京100840)

乏燃料后處理玻璃固化產品干法貯存通風方式優(yōu)化研究及仿真模擬分析

魏 剛, 王 璐

(中國核電工程有限公司建筑所，北京100840)

本文介紹了高放發(fā)熱體干法貯存的一般通風形式,采用隔熱材料優(yōu)化自然通風方式，并運用CFD技術對其進行模擬計算分析。研究發(fā)現采用隔熱措施能有效降低發(fā)熱體對混凝土結構的熱影響，強化自然通風，達到節(jié)能和降低運行維護費用的效果。

發(fā)熱體；干法貯存；自然通風；CFD；節(jié)能

乏燃料后處理過程中會產生高放廢液，將其固化制成玻璃產品以便貯存是目前可行的方法。貯存這些產品的就是高放廢液玻璃固化產品容器暫存庫，其貯存產品有發(fā)熱量高、輻射性強和毒性大的特點。這類發(fā)熱體貯存庫如果采用干法貯存的方式，就需要采用通風將發(fā)熱體持續(xù)釋放的衰變熱導出。

目前國際上采用干法貯存所采用的通風形式各國情況不盡相同，具體見表1[1]所示。

表1 各國玻璃固化暫存庫通風形式一覽表Table 1 Ventilation system in dry Interim Storage Building of Vitrification Plant in different countries

本文介紹和優(yōu)化研究的對象是國內第一個高放廢液玻璃固化體暫存庫的通風系統(tǒng)。

1 工程基本情況介紹：

1.1 建筑形式

貯存區(qū)共4個位于地下的貯存室存放發(fā)熱體，各室有5×11個貯存井，貯存井內部空間與各井之間的貯存區(qū)空間是物理隔離的。平面圖如圖1，剖面圖如圖2所示。

圖1 高放廢液玻璃固化體貯存區(qū)平面圖Fig.1 ISB Top view of the storage chambers

圖2 高放廢液玻璃固化體貯存區(qū)剖面圖Fig.2 ISB Transverse section of a storage chamber

1.2 發(fā)熱體概況

單個貯存室有5×11個貯存井，每個井垂直疊放7個產品容器。發(fā)熱體在貯存初期衰變熱為90W/產品容器，20年后衰變熱降為45W/產品容器。

1.3 貯存區(qū)通風降溫設計的限值

(1) 混凝土在正常運行工況或其他任何長期作用下的溫度為65℃，但局部范圍，如高能管道穿管區(qū)域，其允許溫度可適當提高，但不宜大于95℃。[2]；

(2) 貯存井的溫度限值為400℃。

2 原設計貯存區(qū)的熱工模擬結果

各工況模擬的結果如表2所示。

表2 模擬結果匯總表Table 2 Summary of the simulation result

3 原設計貯存區(qū)通風方案

根據以上模擬計算結果，原通風方案為:運行前20年,在衰變熱大于45W/產品容器的情況下，通風以機械通風為主，在斷電或設備故障的情況下才采用自然通風，經三天內搶修后恢復機械通風；期間，當室外溫度低于18.8℃時也采用自然通風降溫。20年以后，在衰變熱小于45W/產品容器的情況下，如果通風氣流經檢測符合劑量排放標準的要求，則長期采用自然通風降溫。

貯存區(qū)通風系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 貯存區(qū)通風系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of the storage chambers

(1) 設S-2送風系統(tǒng)：配1臺組合式空調機組，機組風機帶變頻器，根據送風總管的壓力調節(jié)電機頻率。當送風機故障，排風機正常時，進風經閥門切換改走機械旁通管道；當送、排風機同時故障時，采用自然通風，送風走自然通風旁通管道。自然通風管路為抗震I類，如“貯存區(qū)通風流程圖”中粗線所示。

(2) 設AP-1排風系統(tǒng)：配2臺風機，1用1備；排風總管設流量控制器，通過改變風機頻率維持排風風量，風量控制值可以根據實際運行情況予以設定。

4 優(yōu)化設計及其模擬計算

4.1 優(yōu)化措施

(1) 局部保溫優(yōu)化：在溫度較高的頂板混凝土和貯存室之間的側壁混凝土墻的內壁上敷設保溫隔熱材料，其余墻體不敷設保溫隔熱材料。研究中經過反復試算，確定保證側壁混凝土墻的溫度不超過65℃的保溫材料參數為：厚度500mm，傳熱系數為0.02W/m2·K。

(2) 全保溫優(yōu)化：在所有混凝土墻內壁全部敷設保溫隔熱材料。材料同前。

4.2 模型建立

(1) 貯存區(qū)模型建立

以一個貯存室為研究對象，其模型如圖4所示。

圖4 單個貯存室的模型圖Fig.4 ISB CFD geometry model

(2) 主要邊界條件的設定

a.進風溫度設為32℃；

b.混凝土的熱傳導系數為2W/(m·K)，比熱容為880J/(kg·K)，表面的散射系數ε=0.93；

c.對于自然通風的情形，在出風口設定-45Pa 的負壓，該負壓是不低于60m高煙囪產生的抽力；

d.管道壓力損失系數為δ=2；

e.不銹鋼的物理性質如表3所示;

表3 不銹鋼物理性質表Table 3 Physical properties stainless steel

f.貯存室的頂板和各貯存室之間的隔墻設定為絕熱，統(tǒng)稱為絕熱混凝土墻；其他墻體統(tǒng)稱為非絕熱墻體，這些非絕熱墻體與環(huán)境之間的傳熱系數為5W/(m2·K)；

g.在貯存室內壁敷設的保溫絕熱材料：厚度500mm，傳熱系數為0.02W/M.K。在CFD軟件的墻體屬性中直接設定。

4.3 計算結果對比

(1) 貯存庫運行初期原設計自然通風和采取優(yōu)化措施后自然通風CFD模擬結果對比圖如圖5～圖8所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(2) 模擬結果對比如表4所示。

表4 優(yōu)化模擬結果匯總表Table 4 Summary of the optimized simulation result

5 結論

(1) 局部保溫優(yōu)化后能明顯降低混凝土墻的溫度，阻斷發(fā)熱體對混凝土墻體的直接輻射傳熱，有效降低混凝土結構受溫度的影響。

(2) 局部保溫優(yōu)化措施是在絕熱墻體上敷設隔熱防護材料，因墻體本身向外界散熱少，所以局部保溫不會有效阻隔通過墻體向外界的散熱，從而不會有效提高貯存區(qū)空間空氣的溫度。

(3) 貯存區(qū)非絕熱墻體的散熱是不能忽視的排熱途徑。在全部保溫措施情況下，這些墻體不能有效散失熱量，將使排風溫度和貯存井的溫度升高，尤其是貯存井的溫升導致頂部墻體溫度較局部保溫優(yōu)化的情況高。因此，具體的保溫面積和對哪些墻面采取保溫措施要根據具體工程的實際情況確定，不能盲目的采取全保溫的措施。

(4) 按照模擬計算結果分析，局部保溫優(yōu)化后該工程在貯存庫初期，只要室外進風溫度不超過32℃便可以使用自然通風為貯存區(qū)降溫通風。原設計是室外取風溫度為18.8℃時，才可采用自然通風降溫。因此局部保溫優(yōu)化拓寬了自然通風使用條件，延長了自然通風工況時間，減少了機械通風使用頻率，延長了機械設備使用壽命，從而能達到節(jié)能和節(jié)省日常維護費用的效果。

[1] 孫東輝,浦永寧,于喜來，等. 高放廢液玻璃固化電熔爐技術[M]. 北京： 原子能出版社,1995(3)：305-397.

[2] 中國核電工程有限公司. B/T 20012—2010壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計規(guī)范[S]. 北京: 核工業(yè)標準化研究所, 2010.

Research and CFD Analysis of the Ventilation System in Dry Interim Storage Building of Vitrification Plant for Dealing with Spent Fuel

WEI Gang, WANG Lu

(Architecture station of CNPE，Beijing 100840, China)

This paper introduces the general ventilation system in dry Interim Storage Building(ISB) of the Vitrification Plant China for dealing with spent fuel. On this basis, using adiabatic material optimizes the natural convection and using CFD analyses the case. The research gets the result that using adiabatic material can reduce the temperature of concrete, enhance the effect of the natural convection, reduce energy consumption and maintenance expense.

Heating unit; Dry storage; Natural convection; CFD; Energy conservation

2016-07-28

魏 剛(1980—)，男，湖北，高級工程師，碩士研究生，現從事乏燃料后處理廠通風設計研究

TL93+3

A

0258-0918(2017)01-0145-09