高溫堆核電站主控室可居留區(qū)事故工況環(huán)境溫度分析

(中核能源科技有限公司，北京 100193)

0 引言

華能山東石島灣核電站高溫氣冷堆示范工程(以下簡(jiǎn)稱“示范工程”)是世界首臺(tái)具備第四代核能系統(tǒng)安全特性的商用核電機(jī)組，是新核能安全體系下的探路人和領(lǐng)先者，為世界核安全領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展注入強(qiáng)勁的動(dòng)力。

主控室可居留區(qū)是正常和事故工況下安置和保護(hù)核電廠運(yùn)行人員以及控制與儀表設(shè)備的場(chǎng)所。示范工程主控室可居留區(qū)包括主控制室、控制設(shè)備間、技術(shù)支持中心、應(yīng)急生活間、分布式控制系統(tǒng) (distributed control system，DCS)工程師室及內(nèi)走廊，見(jiàn)圖1。

示范工程主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要功能是滿足工作人員和設(shè)備正常工作所需的環(huán)境要求，同時(shí)更是實(shí)現(xiàn)主控室可居留區(qū)可居留性要求的必要系統(tǒng)，為安全級(jí)系統(tǒng)。本文基于CFD軟件，在空調(diào)系統(tǒng)遇到事故工況下，對(duì)主控室可居留區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)室內(nèi)溫度變化曲線，分析主控室可居留區(qū)在事故工況下是否滿足可居留性要求。

1 主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)及事故工況介紹

1.1 主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

示范工程主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要由兩臺(tái)組合空調(diào)機(jī)組(1運(yùn)1備)、兩臺(tái)空氣凈化機(jī)組(1運(yùn)1備)、兩臺(tái)凈化機(jī)組送風(fēng)機(jī)(1運(yùn)1備)和通風(fēng)管道及設(shè)置在管道上的隔離閥、調(diào)節(jié)閥、防火閥等閥門(mén)組成，設(shè)備均為安全級(jí)。

空調(diào)系統(tǒng)的冷源來(lái)自兩臺(tái)水冷式螺桿冷水機(jī)組(1運(yùn)1備)，兩臺(tái)冷凍水循環(huán)水泵(1運(yùn)1備)，設(shè)備均為抗震I類，接應(yīng)急電源。冷卻水來(lái)自廠用水系統(tǒng)，房間冷負(fù)荷通過(guò)冷卻水系統(tǒng)由空冷塔排放至大氣中。另單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)風(fēng)冷式冷水機(jī)組作為在廠用水失去條件下的補(bǔ)充，為空調(diào)系統(tǒng)提供冷源，設(shè)備為抗震I類，接應(yīng)急電源。

1.2 事故工況介紹

主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)在失去廠用電事故工況下，能動(dòng)設(shè)備接入應(yīng)急電源系統(tǒng)，維持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，保持可居留區(qū)可居留性要求；在失去廠用水系統(tǒng)事故工況下，開(kāi)啟風(fēng)冷式冷水機(jī)組，保持對(duì)空調(diào)系統(tǒng)冷凍水的供應(yīng)，滿足可居留區(qū)可居留性要求。廠用水系統(tǒng)和風(fēng)冷式冷水機(jī)組全部失去的事故工況下，空調(diào)系統(tǒng)沒(méi)有冷凍水提供冷源，但風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行可以保持主控室可居留區(qū)的持續(xù)通風(fēng)，加強(qiáng)房間散熱量的排出。

但在全廠電源失去的事故工況下，風(fēng)機(jī)及冷水系統(tǒng)由于無(wú)電力供應(yīng)無(wú)法工作，主控室可居留區(qū)的散熱量只能通過(guò)向有溫差的墻體傳熱，同時(shí)利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土和室內(nèi)空氣蓄熱，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)散熱量的排出。因此本文主要針對(duì)該事故工況下主控室居留區(qū)的室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行模擬和分析。

2 計(jì)算輸入?yún)?shù)

2.1 主控室可居留區(qū)各房間散熱量

表1是主控室可居留區(qū)各房間散熱量。見(jiàn)表1，主要散熱房間為主控制室和控制設(shè)備間，其它房間設(shè)備散熱量均較小，對(duì)可居留區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度的影響可忽略不計(jì)。因此本文只對(duì)主控制室和控制設(shè)備間在全廠電源失去的事故工況下進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境溫度分析。

按照表1數(shù)據(jù)，事故工況前2 h內(nèi)，主控制室和控制設(shè)備間的內(nèi)熱源密度分別為6.34 W/m3和35.91 W/m3；2 h后，部分控制設(shè)備執(zhí)行完安全停堆任務(wù)后關(guān)停，控制設(shè)備間的內(nèi)熱源密度減小為4.82 W/m3，主控室內(nèi)熱源保持不變。

表1 主控室可居留區(qū)各房間散熱量

2.2 物性參數(shù)

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

主控制室和控制設(shè)備間圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕大部分是鋼筋混凝土構(gòu)成，主控制室部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃窗，所占比例較小，因此可簡(jiǎn)化均為鋼筋混凝土構(gòu)成。主控制室屋頂為鋼筋混凝土做成的井字梁，梁高均為1.5 m，梁寬均是0.5 m。鋼筋混凝土性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋼筋混凝土性能參數(shù)

2.2.2 環(huán)境參數(shù)

示范工程主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)為全年性空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)溫度一直保持在20～25℃。室內(nèi)環(huán)境大氣壓采用石島灣高溫氣冷堆夏季室外大氣壓力值1.01×105Pa。室內(nèi)空氣性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)空氣性能參數(shù)

3 數(shù)值模擬和分析

3.1 模型建立

3.1.1 控制方程

當(dāng)發(fā)生全廠電源失去的事故后，房間余熱得不到有效排出，室內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸升高，因此采用瞬態(tài)傳熱方程。

發(fā)生上述事故后，主控制室和控制設(shè)備間的通風(fēng)系統(tǒng)停運(yùn)，這兩個(gè)房間所在區(qū)域均無(wú)外門(mén)窗，風(fēng)壓和熱壓影響基本可以忽略，因此房間內(nèi)的氣流流動(dòng)很小，可不考慮流動(dòng)和傳熱的耦合計(jì)算。控制方程可近似簡(jiǎn)化為式(1)[1]。

式中：T為計(jì)算域的溫度(℃)；t為計(jì)算時(shí)間(s)；α為熱擴(kuò)散率(m2/s)；Ф為內(nèi)熱源散熱量(W)；ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)；c為介質(zhì)比熱容(J/(kg·℃))。

3.1.2 邊界條件

為保證設(shè)計(jì)余量，主控制室和控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境初始溫度設(shè)置為24℃，計(jì)算區(qū)域外圍空氣溫度采用石島灣夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度28.6℃(累年平均每年不保證50 h干球溫度)。

3.1.3 建模和網(wǎng)格劃分

運(yùn)用CFD軟件按照示范工程主控制室和控制設(shè)備間的實(shí)際尺寸建立三維模型。模型計(jì)算域分為四個(gè)模塊，第一個(gè)模塊是主控制室空氣域，第二個(gè)模塊是控制設(shè)備間空氣域，第三個(gè)模塊是鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)域(400 mm厚)，第四個(gè)模塊是外部大空間域(各向向外延伸3 m)。對(duì)上述四個(gè)模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總量約為17萬(wàn)。主控室和控制設(shè)備間空氣域及外部大空間的模型和網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

3.2 數(shù)值模擬和分析

運(yùn)用CFD軟件對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，打開(kāi)能量方程，考慮導(dǎo)熱和熱輻射的耦合影響，輻射模型采用Rosseland模型，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1 min，能量殘差設(shè)置為1×10-9?？紤]到圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)為鋼筋混凝土，反射系數(shù)取值為0.3。

3.2.1 主控制室室內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)值分析

圖3為主控制室室內(nèi)環(huán)境溫度在第1小時(shí)內(nèi)的變化圖。由圖3可知，在上述事故發(fā)生后的15 min內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升0.27℃；15 min之后室內(nèi)環(huán)境溫度隨時(shí)間上升趨勢(shì)相對(duì)變緩。導(dǎo)熱和輻射傳熱過(guò)程中，室內(nèi)空氣首先會(huì)吸收和散射一部分熱量，因此在開(kāi)始階段室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升，上升速率約為0.02℃/min。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱有一定的滯后性，若單位時(shí)間房間散熱量較大，會(huì)造成局部時(shí)間室內(nèi)環(huán)境溫度突然升高，會(huì)造成人體的不適感。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)始吸收熱量后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升趨勢(shì)變緩。

圖4是主控制室室內(nèi)環(huán)境溫度72 h內(nèi)變化圖。由圖4可知上述事故發(fā)生后72 h，室內(nèi)環(huán)境溫度上升了2.8℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為26.8℃(室內(nèi)環(huán)境初始溫度為24℃)，低于舒適性空調(diào)設(shè)計(jì)溫度上限值 28℃及儀控設(shè)備工作溫度上限值35℃，對(duì)人體和設(shè)備的正常工作均不會(huì)造成影響。

3.2.2 控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)值分析

控制設(shè)備間的室內(nèi)環(huán)境溫度變化分兩個(gè)時(shí)段。第一時(shí)段是上述事故發(fā)生到發(fā)生后兩小時(shí)，部分控制設(shè)備依靠蓄電池組提供的電源繼續(xù)執(zhí)行安全停堆任務(wù)，房間設(shè)備散熱量較大。第二時(shí)段是上述事故發(fā)生2 h后到第72 h，部分設(shè)備關(guān)停，房間設(shè)備散熱量降低。

圖5是控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境溫度第一時(shí)段變化圖。在上述事故發(fā)生后的20 min內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升1.7℃，溫度上升速率為0.085℃/min；20 min之后室內(nèi)環(huán)境溫度隨時(shí)間上升趨勢(shì)相對(duì)變緩。同上所述，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量傳遞的滯后性，若控制設(shè)備間設(shè)備散熱量較大，短時(shí)間內(nèi)上升溫度過(guò)高，溫度上升速率過(guò)快，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)對(duì)一些設(shè)備、儀表，尤其是高精度的設(shè)備儀表的正常使用造成一定的影響。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)始吸收熱量后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升趨勢(shì)變緩。第一時(shí)段結(jié)束后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升近2℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為26℃(室內(nèi)環(huán)境初始溫度為24℃)。

圖6是控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境溫度72 h內(nèi)變化圖。第二時(shí)段開(kāi)始后，由于設(shè)備散熱量的大幅度降低，隨著鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱，室內(nèi)環(huán)境溫度呈緩慢下降趨勢(shì)，到第12 h，溫度降低0.5℃。然后室內(nèi)環(huán)境溫度隨時(shí)間開(kāi)始呈緩慢上升趨勢(shì)。由圖6可知上述事故發(fā)生后72 h，室內(nèi)環(huán)境溫度上升了3.3℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為27.3℃(室內(nèi)環(huán)境初始溫度為24℃)，低于儀控設(shè)備工作溫度上限值35℃，對(duì)設(shè)備的正常工作不會(huì)造成影響。

4 優(yōu)化措施

由圖4和圖6可知，室內(nèi)環(huán)境溫度對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)為正值，即溫度會(huì)隨著時(shí)間的推移增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)逐漸增大。若事故發(fā)生后的72 h內(nèi)無(wú)法及時(shí)提供電源或采取措施，隨著房間散熱量的逐漸積聚，室內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)有超出溫度限值的危險(xiǎn)。另外今后60萬(wàn)kW和百萬(wàn)千瓦高溫堆核電站主控室和控制設(shè)備間設(shè)備散熱量會(huì)增大，可居留區(qū)空間有限，若事故工況僅依托鋼筋混凝土的蓄熱和向外傳熱，室內(nèi)環(huán)境溫度有不滿足可居留性要求的危險(xiǎn)。為避免上述情況的發(fā)生，主控室可居留區(qū)可采取以下措施維持室內(nèi)環(huán)境溫度在事故工況下的適宜性。

4.1 采用蓄熱系數(shù)大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料蓄熱系數(shù)越大，對(duì)熱量的吸收能力就越強(qiáng)。通過(guò)加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，正常工況下可以穩(wěn)定室內(nèi)環(huán)境溫度，事故工況下可以作為余熱的蓄熱體。鋼筋混凝土的蓄熱系數(shù)為17W/(m2·℃)，碳鋼的蓄熱系數(shù)為126 W/(m2·℃)[2]，若鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)敷設(shè)鋼板，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力會(huì)得到較大提高。AP1000機(jī)組主控室圍護(hù)結(jié)構(gòu)上敷設(shè)鋼翅片，除了加強(qiáng)傳熱外，也起到提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力的作用。

4.2 相變蓄熱

相關(guān)蓄熱是一種更有效地加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力的方法。相變蓄熱材料具有在相變過(guò)程中將熱量以潛熱的形式儲(chǔ)存于自身的性能，通過(guò)將相變材料引入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，可以將熱流波動(dòng)的影響削弱，把室內(nèi)環(huán)境溫度控制在適宜的范圍內(nèi)[3]，尤其是在溫度短時(shí)間快速升高的情況下，通過(guò)相變吸熱可以有效地控制溫升速率。固－固相變材料與建筑材料基體直接混合，這種方法工藝簡(jiǎn)單，性質(zhì)均勻[4]，今后可應(yīng)用于可居留區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。

4.3 利用自然通風(fēng)

核電站主控制室一般均設(shè)計(jì)在內(nèi)區(qū)，無(wú)外門(mén)窗，當(dāng)全廠電源和冷水系統(tǒng)失去的事故工況下，無(wú)法直接利用自然通風(fēng)排出余熱。若在主控制室圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)設(shè)置空氣流通夾層，正常工況下空氣通道利用手動(dòng)百葉窗關(guān)閉，上述事故發(fā)生后，可手動(dòng)開(kāi)啟百葉窗。排風(fēng)口設(shè)置位置須比進(jìn)風(fēng)口位置高，利用熱壓保持夾層內(nèi)的自然通風(fēng)，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量及時(shí)排出。

5 結(jié)論

綜上所述，在全廠電源失去的事故工況下，主控制室和控制設(shè)備間72 h溫升分別為2.8℃和3.3℃，室內(nèi)環(huán)境溫度均在27℃左右，同時(shí)局部時(shí)間室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升的速率也不會(huì)對(duì)工作人員和設(shè)備造成影響，可見(jiàn)按照示范工程主控制室和控制設(shè)備間的房間散熱量計(jì)算的上述事故工況下的72 h內(nèi)室內(nèi)環(huán)境溫度均滿足可居留性要求，同時(shí)也說(shuō)明依托圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力可作為一種極端事故工況下維持可居留性環(huán)境溫度要求的措施。

為了保證主控室的可居留性要求，同時(shí)考慮到今后60萬(wàn)kW和百萬(wàn)kW高溫氣冷核電站的發(fā)展，主控室可居留區(qū)在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)采取優(yōu)化措施，加強(qiáng)冷水系統(tǒng)或全廠電源失去這類事故工況下房間余熱的排出。