核電廠低溫災害防護設(shè)計研究

深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 張 峰

0 引言

寒冷地區(qū)低溫造成的危害可能影響核電廠的安全和運行。核電廠低溫防護需求來自于設(shè)備和人員，有以下特點：

1) 低溫防護的范圍幾乎涉及全廠；

2) 液體工質(zhì)和油品在低溫環(huán)境可能出現(xiàn)陡邊效應，比如凍結(jié)、結(jié)晶；

3) 低溫防護通過圍護結(jié)構(gòu)和供熱措施共同實現(xiàn)，由于低溫危害來自外部環(huán)境，所以圍護結(jié)構(gòu)的絕熱和熱慣性作用比較明顯；

4) 與高溫危害防護相反，系統(tǒng)和設(shè)備運行一般有利于低溫防護，待命和備用的停運設(shè)備往往是低溫防護需要特別關(guān)注的對象。

通過寒冷地區(qū)核電廠的自主設(shè)計、建造和運行，進行了大量的探索和研究，積累了一定的工程設(shè)計經(jīng)驗和認識。本文通過分析、歸納和提煉，希望建立一套核電廠低溫防護設(shè)計的原則和方法。

1 低溫防護的設(shè)計目標

核電廠低溫防護的主要目標是保證核電廠設(shè)備良好運行或者設(shè)備不被損壞。根據(jù)核電廠不同工況要求和設(shè)備材料特性，可以識別和定義如下3類設(shè)備低溫防護環(huán)境溫度：

1) 長期運行的最低環(huán)境溫度ts1，即從性能、壽命等方面考慮，設(shè)備長期運行或者備用狀態(tài)的可接受最低環(huán)境溫度。該特征溫度對應核電廠的正常運行工況，從安全性、經(jīng)濟性和可實現(xiàn)性等的平衡考慮，可以保留相對較大裕量。

2) 保證功能的最低環(huán)境溫度ts2，即設(shè)備短期運行或者備用狀態(tài)的可接受最低環(huán)境溫度。該特征溫度對應核電廠的事故工況，從安全可靠的角度考慮，一般保留合理裕量。

3) 不被損壞的最低環(huán)境溫度ts3，即不需要維修，當環(huán)境條件恢復后，設(shè)備就能夠正常運行的可接受最低環(huán)境溫度。該特征溫度指核電廠在事故工況不需要運行的設(shè)備的材料和介質(zhì)不發(fā)生不可逆損壞的保證溫度，并考慮必要的裕量。

舉幾個例子說明以上低溫防護環(huán)境溫度，供設(shè)計研究參考：

1) 包含水溶液工質(zhì)的流體系統(tǒng)。當水溫處于低于0 ℃的過冷狀態(tài)時就可能結(jié)冰，影響系統(tǒng)運行，甚至造成設(shè)備的損壞。由于流體系統(tǒng)工質(zhì)的低溫源于環(huán)境，當環(huán)境溫度為0 ℃時，流體系統(tǒng)的水溶液溫度高于或者等于0 ℃，另外有研究表明水的流動有利于防止結(jié)冰，所以僅從水溶液工質(zhì)的角度考慮，不被損壞的最低環(huán)境溫度ts3和保證功能的最低環(huán)境溫度ts2可以均取0 ℃。對于核電廠正常運行工況，長期運行的最低環(huán)境溫度ts1一般可取≥5 ℃。

2) 硼酸溶液工質(zhì)的流體系統(tǒng)。體積分數(shù)為2 200×10-6的硼酸溶液的結(jié)晶溫度為0 ℃，考慮合理的裕量，僅從硼酸溶液工質(zhì)的角度考慮，ts3和ts2可以均取4 ℃。對于核電廠正常運行工況，ts1一般取≥7 ℃。

3) 人員。國外做了大量研究和試驗，發(fā)現(xiàn)人對于溫度的敏感和耐受能力差異很大，特別是對于低溫。一般認為手表面溫度低于15 ℃時，人的工作效能顯著下降。對于在核電廠事故工況需要人員保持操作的區(qū)域，ts2可以取7～10 ℃；在核電廠正常運行工況需要人員長期居留工作的區(qū)域，ts1一般可取18～22 ℃；對于人員，不考慮不被損壞的最低環(huán)境溫度ts3。

核電廠低溫防護設(shè)計應該按照不同設(shè)備和工質(zhì)類型，包括各類機械設(shè)備、電氣設(shè)備、電子設(shè)備、包含油和(或)水和(或)硼溶液的管道和容器等，收集相關(guān)最低環(huán)境溫度的需求值，考慮合理的安全裕量，建立低溫防護環(huán)境溫度參數(shù)。

需要注意廠房環(huán)境溫度不是低溫防護設(shè)計的直接目標，系統(tǒng)的運行狀態(tài)、保溫、伴熱等都可能改變設(shè)備對于廠房環(huán)境溫度的要求。比如，堆芯和乏燃料排熱相關(guān)的系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、伴熱設(shè)備和管道等，由于存在熱源和保溫，所以其運行狀態(tài)對于廠房環(huán)境條件幾乎沒有要求或者要求很低，這些系統(tǒng)運行狀態(tài)和備用停運狀態(tài)對于廠房的低溫防護環(huán)境溫度要求是不一樣的。另外，在進行動態(tài)熱平衡計算評估分析時，如果有必要，可以直接計算設(shè)備本體或者工質(zhì)材料的實際溫度進行判斷，而不是間接地采用廠房環(huán)境溫度。

廠房房間的低溫防護環(huán)境設(shè)計溫度應該綜合考慮所有安裝在房間內(nèi)部設(shè)備的低溫防護環(huán)境溫度參數(shù)，并結(jié)合核電廠不同工況的功能要求，進行評估確定。

對于安全分析要求的環(huán)境初始溫度，應該根據(jù)工況假設(shè)，采用長期運行的最低環(huán)境溫度(ts1)或者保證功能的最低環(huán)境溫度(ts2)。

2 低溫防護的室外計算參數(shù)

核電廠低溫防護設(shè)計室外計算參數(shù)的確定要考慮外部災害防護和重要功能相關(guān)的可靠性要求，以及低溫防護動態(tài)計算分析的參數(shù)要求。

參考《先進輕水堆用戶要求文件》(URD)、《輕水堆核電廠歐洲用戶要求文件》(EUR)和我國工業(yè)設(shè)計標準，結(jié)合工程實踐認識和經(jīng)驗，可以定義3個核電廠低溫防護設(shè)計室外計算溫度：

1) 可用性低溫室外計算溫度(tw1)，該溫度用于核電廠非安全功能相關(guān)的廠房設(shè)備低溫防護和供熱容量設(shè)計計算。該參數(shù)的定義和統(tǒng)計計算方法可以參考通用的工業(yè)空調(diào)供熱的設(shè)計標準。

2) 安全性低溫室外計算溫度(tw2)，該溫度用于安全相關(guān)功能的廠房設(shè)備低溫防護和供熱容量設(shè)計計算中的圍護結(jié)構(gòu)傳熱計算。由于圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性，使通過圍護結(jié)構(gòu)傳熱形成的室內(nèi)熱負荷具有時間延滯和幅度降低的特點，建議按照較tw1的不保證概率低一個數(shù)量級確定該溫度基準的定義和統(tǒng)計計算方法，比如，采用累年平均每年不保證6～12 h的統(tǒng)計計算基準。

3) 極端低溫室外計算溫度(tw3)，該溫度用于安全相關(guān)功能的廠房設(shè)備低溫防護和供熱容量設(shè)計計算中的室外新風引入的熱負荷計算，故這部分熱負荷有瞬時性的特點。該參數(shù)的定義和計算采用零超越概率的統(tǒng)計計算基準。

核電廠低溫防護設(shè)計室外計算參數(shù)的統(tǒng)計計算年限應該根據(jù)外部災害防護的總體設(shè)計要求確定，參考我國法規(guī)要求，建議不低于100 a。

室外風速會影響圍護結(jié)構(gòu)的傳熱，故應該考慮與低溫室外計算溫度相關(guān)的冬季室外風速，具體的組合方法和采用基準尚無權(quán)威的資料參考，需要另外分析研究。按照我國工業(yè)設(shè)計標準，構(gòu)筑物圍護結(jié)構(gòu)的傳熱計算采用通用的外表面換熱系數(shù)，再根據(jù)構(gòu)筑物的位置和外部環(huán)境特點，采用附加系數(shù)進行修正。

在核電廠低溫防護設(shè)計中，對于重要供熱功能和措施的可靠性評估分析，需要進行假設(shè)特定工況時間長度的動態(tài)熱平衡計算，比如低溫疊加廠外電源喪失(LOOP)，要建立該工況計算時間長度對應的室外低溫包絡(luò)計算溫度。該室外低溫包絡(luò)計算溫度是一條覆蓋計算工況時間長度的最低連續(xù)溫度線，代表在核電廠壽命期內(nèi)可能出現(xiàn)的最低室外連續(xù)溫度。計算采用的室外最低連續(xù)溫度線應該結(jié)合計算分析方法，根據(jù)廠址氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行合理的假設(shè)擬合，能夠可信地包絡(luò)實際可能出現(xiàn)的情況。一種可行的參考做法是根據(jù)前面的tw1、tw2和tw3的統(tǒng)計定義，將計算工況的時間進行分段，保守地組合一條分段階梯的低溫連續(xù)溫度線。

3 低溫防護的設(shè)計原則和方法

核電廠低溫防護應使設(shè)備處于適當?shù)臓顟B(tài)，保證設(shè)備在核電廠各類工況下能夠執(zhí)行其需要的功能。低溫作為一種外部災害，應該與核電廠各類工況疊加，根據(jù)設(shè)備功能采用相應的外部低溫設(shè)計基準。

核電廠正常運行工況下，采用可用性低溫室外計算溫度tw1時，所有設(shè)備均應該保證良好運行。核電廠正常運行工況和事故工況(包括設(shè)計基準事故和擴展設(shè)計基準事故)下，采用tw2和tw3時，所有執(zhí)行安全功能的設(shè)備均應該保證能夠可靠運行或者處于能夠可靠投運的備用狀態(tài)。

保證安全級設(shè)備運行執(zhí)行安全功能的供熱功能是安全級功能，應采用與所支持的安全級設(shè)備功能一致的可靠性設(shè)計基準。

僅用于維持安全級設(shè)備備用狀態(tài)的供熱功能，如果供熱功能失效將導致安全級設(shè)備的失效，則該供熱功能雖然不屬于安全級功能，但是屬于安全相關(guān)的重要供熱功能，需要考慮特殊的設(shè)計基準，比如冗余設(shè)計、應急電源等。

保證安全分析初始溫度要求的供熱功能，如果供熱功能失效將導致不能維持安全分析的初始條件，影響安全分析的結(jié)論，則該供熱功能屬于安全相關(guān)的重要供熱功能，需要考慮特殊的設(shè)計基準，比如冗余設(shè)計、應急電源等。

保證核電廠可用性相關(guān)的重要設(shè)備和高價值設(shè)備的低溫防護的供熱功能，采用tw2和tw3時，如果供熱功能失效會導致這些設(shè)備損壞，則該供熱功能屬于非安全相關(guān)的重要供熱功能，需要考慮特殊的設(shè)計要求，比如采用柴油機電源。

對于核電廠非安全級的重要供熱功能應進行失效分析，確定其可靠性的設(shè)計基準。在供熱功能失效后，如果有必要均可以通過維修干預等措施進行恢復，所以需要確定一個合理的供熱失效故障時間長度，并保守假設(shè)發(fā)生在最不利的連續(xù)低溫時刻，比如室外最低連續(xù)溫度線起始時刻為最低溫度。低溫疊加LOOP會導致核電廠停堆、大量設(shè)備失電停運和供熱系統(tǒng)失效，是核電廠低溫防護的供熱功能出現(xiàn)共模失效的最不利事件組合，應該作為核電廠重要的非安全級供熱功能進行失效分析的包絡(luò)工況。LOOP的延續(xù)時間(tL)是一個與廠址相關(guān)的基準參數(shù)，需要根據(jù)核電廠廠址條件進行分析確定，或者根據(jù)核電廠總體設(shè)計的技術(shù)要求，采用可信的包絡(luò)延續(xù)時間。

在確定供熱需求和容量的穩(wěn)態(tài)熱平衡計算，以及供熱失效分析計算的動態(tài)熱平衡計算時，應該根據(jù)設(shè)備的實際運行情況，合理分析確定可信的廠房內(nèi)部得熱。房間的供熱功能的設(shè)計基準應該根據(jù)最高的設(shè)備要求確定。

核電廠低溫防護設(shè)計原則和方法歸納見圖1。

4 低溫防護的工程措施

核電廠低溫防護設(shè)計除了借鑒工業(yè)工程的供暖和防凍設(shè)計，還可以考慮以下工程措施：

1) 合理選擇設(shè)備材料和工質(zhì)，提高設(shè)備的低溫耐受能力，如采用添加防凍液、選用適應低溫的油品、放空設(shè)備內(nèi)部液體等。

2) 優(yōu)先采用合理提高廠房和設(shè)備熱惰性的非能動措施，能夠明顯降低設(shè)備低溫防護對于能動供熱的依賴，或者明顯減小能動供熱的設(shè)備容量，有利于應對能動供熱失效，提高低溫防護的可靠性。

3) 通過采用廠房或者設(shè)備保溫、封閉廠房連通外部的貫穿口部、提高廠房的密封性等措施，提高廠房或設(shè)備的熱惰性。

4) 在上述2)、3)的情形下，如果通過合理提高廠房或者設(shè)備的初始溫度能夠達到低溫防護目的，宜優(yōu)先采用。

5) 當廠房內(nèi)僅少量設(shè)備有較高的低溫防護要求時，應針對這些設(shè)備采取伴熱、保溫或者其他措施，降低對于廠房低溫防護環(huán)境溫度的要求。

圖1 核電廠低溫防護設(shè)計流程圖

6) 采用備用設(shè)備切換運行，保持流體處于流動狀態(tài)。

7) 對于兼顧夏季排熱功能的通風系統(tǒng)，通過變頻、減少運行風機臺數(shù)、回風混合等措施合理減少廠房低溫工況的通風量。

8) 當廠房出現(xiàn)供熱功能失效工況(如低溫疊加LOOP工況)時，在核電廠安全可接受的前提下，停運廠房通風。

9) 必要時采用柴油機電源保證廠房供熱。

10) 對于低溫敏感設(shè)備的區(qū)域應設(shè)置低溫監(jiān)測和報警。

5 結(jié)論

1) 應該識別核電廠物項的材料、介質(zhì)、工質(zhì)、運行和功能要求等，確定低溫防護的設(shè)計目標參數(shù)。

2) 根據(jù)外部災害防護和功能設(shè)計的總體要求，建立一套低溫防護設(shè)計的室外設(shè)計計算參數(shù)。

3) 除了遵循常規(guī)核電廠功能和容量設(shè)計基準方法，還需要特別關(guān)注核電廠備用和停運設(shè)備的低溫防護安全，特別是對于相對重要功能設(shè)備，至少不能出現(xiàn)造成設(shè)備不可逆損壞的陡邊效應。

4) 低溫疊加廠外電源喪失(LOOP)的組合工況可以作為低溫防護設(shè)計中供熱失效分析的包絡(luò)工況。

5) 優(yōu)先采用減少圍護結(jié)構(gòu)傳熱和室外新風進入的措施、利用圍護結(jié)構(gòu)熱惰性、提高設(shè)備材料和工質(zhì)的耐低溫性能等非能動低溫防護措施。

核電廠低溫防護設(shè)計應該充分考慮各方面因素，基于風險和工程措施的平衡，合理制定工程設(shè)計方案，保障核電廠的安全和運行。