核電廠主控制室熱擾強(qiáng)度限值研究

上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司 林宇清

0 引言

主控制室作為核電廠的控制中心，承擔(dān)著保證核電廠正常運(yùn)行和事故發(fā)生后安全停運(yùn)的重要使命。在三代非能動(dòng)壓水堆核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中，正常運(yùn)行時(shí)，主控制室采用地板送風(fēng)方式，以滿足室內(nèi)工作人員的熱舒適和機(jī)組設(shè)備環(huán)境溫度要求；發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，主控制室依靠主控制室應(yīng)急可居留系統(tǒng)來(lái)保證事故發(fā)生后72 h內(nèi)主控制室壓力邊界內(nèi)的人員可居留性[1]。包括維持主控制室正壓，防止氣載污染物侵入；為主控制室內(nèi)人員提供呼吸用氣[2]；為主控制室壓力邊界內(nèi)的空氣提供安全有關(guān)的非能動(dòng)過(guò)濾功能，移除所有滲透進(jìn)入主控制室壓力邊界的潛在污染物[3]；利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容提供非能動(dòng)冷卻。

事故發(fā)生后，主控制室依靠超厚重混凝土墻體吸收室內(nèi)散熱量，維持室內(nèi)空氣在72 h內(nèi)溫升不超過(guò)8.3 ℃，從而保證工作人員的可居留和設(shè)備的正常運(yùn)行。主控制室內(nèi)擾散熱是影響正常運(yùn)行時(shí)熱舒適和事故運(yùn)行72 h內(nèi)室內(nèi)空氣溫升的重要因素，研究其散熱特性對(duì)進(jìn)一步提出主控制室熱控制措施十分必要。

主控室內(nèi)擾的散熱量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)隨時(shí)間呈階段性變化，是影響主控制室室內(nèi)空氣狀態(tài)的重要因素。主控制室室內(nèi)的熱源種類繁多、形狀各異。嚴(yán)格地描述內(nèi)擾散熱特性時(shí)還需要考慮輻射、對(duì)流和熱源的耦合關(guān)系。而目前對(duì)于內(nèi)擾特性的研究主要集中在對(duì)流和輻射的熱量比例，但研究仍不完善。因此進(jìn)行內(nèi)擾特性及內(nèi)擾對(duì)于主控制室室內(nèi)狀態(tài)影響的研究，進(jìn)而對(duì)主控制室室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行熱控制是十分必要的。

1 主控制室?guī)缀文Ｐ?/h2>

利用ANSYS進(jìn)行三維建模，建立的主控室模型如圖1所示。簡(jiǎn)化后主控制室尺寸為長(zhǎng)23.12 m、寬22.35 m、高5.40 m，常開門的高度為2.00 m。墻、頂板混凝土厚600 mm，頂板裝有垂直肋片，室內(nèi)初始空氣溫度為22 ℃，外墻保溫層厚度為133 mm，室外溫度為30 ℃。頂部有3個(gè)送風(fēng)口，1個(gè)回風(fēng)口，當(dāng)主控制室相對(duì)周邊的壓差超過(guò)30 Pa時(shí)，泄壓閥門開啟，進(jìn)行排風(fēng)。送風(fēng)口及回風(fēng)口的參數(shù)如表1所示。

圖1 主控制室?guī)缀文Ｐ?/p>

2 室內(nèi)熱擾理論模型

對(duì)室內(nèi)熱擾，τ時(shí)刻的總散熱量qin是時(shí)間τ的函數(shù)：

qin=qin(τ)

(1)

在0～τ的時(shí)間段內(nèi)，內(nèi)熱源釋放的總散熱量Qin(τ)為

(2)

主控制室發(fā)生事故時(shí)，工作人員會(huì)繼續(xù)停留，以控制設(shè)備儀表等在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，以及核電站安全停堆。主控制室內(nèi)照明、顯示儀器、辦公設(shè)備等為保證室內(nèi)人員正常工作，也在一定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。即不同類型室內(nèi)熱擾在72 h內(nèi)不同階段持續(xù)散熱，控制設(shè)備儀表、應(yīng)急照明、辦公設(shè)備等根據(jù)應(yīng)用需要在不同時(shí)間段開啟或關(guān)閉，操作人員則在72 h內(nèi)在室內(nèi)工作和停留。主控制室熱擾在0～72 h總散熱強(qiáng)度均呈階梯變化，分為3個(gè)階段，如表2所示。

主控制室發(fā)生事故后0～2 h內(nèi)，要保持所有設(shè)備運(yùn)行，所以熱擾總散熱強(qiáng)度較大，此階段熱擾強(qiáng)度為18 497 W；2 h后，主控制室內(nèi)設(shè)備如大屏幕信息系統(tǒng)、辦公設(shè)備等設(shè)備停止運(yùn)行，熱擾總散熱強(qiáng)度立刻降低；24 h后一些次重要的設(shè)備停止運(yùn)行，主控制室內(nèi)熱擾只有停留人員和安全照明等，熱擾強(qiáng)度降低，并持續(xù)到72 h。

主控制室混凝土熱阱在主動(dòng)冷源正常運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)存冷量，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間混凝土熱阱溫度與室內(nèi)溫度保持一致為t(0)，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)熱阱吸收室內(nèi)外熱擾散熱量，溫度開始上升?；炷翢嶷鍌鳠釣槠叫杏诨炷梁穸确较蛏系囊痪S導(dǎo)熱，則0～τ時(shí)間內(nèi)，熱阱吸熱總量Qr為

(3)

式中i為熱阱數(shù)量(比如有4面墻和1面頂板為熱阱，則i為5)；λr為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；Ari為各熱阱的傳熱面積，包括4面外墻及天花板，m2；tri(x,τ)為τ時(shí)刻位于xr處混凝土熱阱溫度，℃；xr為混凝土熱阱距離傳熱面距離，m。

定義熱阱混凝土第三類邊界條件如下：

(4)

式(4)、(5)中hin為熱阱內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hex為熱阱外表面綜合換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；δr為混凝土熱阱厚度，取0.6 m；tr(τ)為τ時(shí)刻混凝土熱阱溫度，℃；tex(τ)為τ時(shí)刻混凝土熱阱外表面溫度，℃。

3 模型工況參數(shù)設(shè)置

基于以上描述的物理模型，采用RNGK-ε湍流模型，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。室內(nèi)空氣流動(dòng)為湍流、自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流都存在的混合對(duì)流；考慮溫差引起的浮升力的影響，采用Boussinesq假設(shè)。室內(nèi)空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的整個(gè)空氣流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為216 515個(gè)。在壓力-流動(dòng)方程的耦合求解中采用標(biāo)準(zhǔn)的SIMPLE算法，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)采用殘差判定收斂，其中流動(dòng)量收斂判據(jù)為10-3，能量收斂判據(jù)為10-6?？諝馕锢韰?shù)見(jiàn)表3。模擬工況初始溫度22 ℃，墻體面積689.44 m2，頂板面積414.84 m2，外墻保溫層厚度133 mm，室外溫度30 ℃。

表3 空氣物理參數(shù)

4 熱擾強(qiáng)度影響分析

對(duì)工況1～5進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。分析各工況最高溫度，結(jié)果見(jiàn)表4。可以發(fā)現(xiàn)，第2 h時(shí)增加發(fā)熱量100%使得室內(nèi)空氣最大溫升為7.85 ℃，對(duì)比工況1增幅14.19%；隨后由于室內(nèi)發(fā)熱量的降低，溫度上升趨緩，兩工況室內(nèi)空氣溫差逐漸減小。0～72 h工況5最大溫升7.85 ℃，沒(méi)有超過(guò)溫升限值，比安全界限8.3 ℃低0.45 ℃。

圖2 室內(nèi)熱擾強(qiáng)度改變室內(nèi)溫升對(duì)比

表4 各工況室內(nèi)溫度

主控制室室內(nèi)熱擾散熱強(qiáng)度是主控制室室內(nèi)空氣溫度響應(yīng)的重要因素。因?yàn)橹骺刂剖覂?nèi)熱擾散熱首先進(jìn)入室內(nèi)空氣，室內(nèi)空氣再與熱阱壁面進(jìn)行換熱。主控制室室內(nèi)空氣最大溫升隨室內(nèi)熱擾強(qiáng)度倍數(shù)增大逐漸上升，趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 熱擾強(qiáng)度倍數(shù)與最大溫升擬合曲線

利用5種工況得出的最大溫升值，線性擬合處最大溫升與熱擾強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)下式：

y=3.732x+0.406

(6)

式中y為主控制室在72 h內(nèi)的最大溫升，℃；x為熱擾強(qiáng)度倍數(shù)。

當(dāng)室內(nèi)熱擾強(qiáng)度增大到2倍時(shí)，室內(nèi)最大溫升為7.85 ℃，未超過(guò)室內(nèi)溫升安全限值8.3 ℃，由式(6)可知，原熱擾強(qiáng)度的2.12倍，對(duì)應(yīng)溫升安全限值8.3 ℃，所以熱擾強(qiáng)度不應(yīng)該超過(guò)現(xiàn)有強(qiáng)度的2.10倍。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，擬合出主控制室72 h內(nèi)最大溫升隨室內(nèi)熱擾強(qiáng)度和熱阱體量同時(shí)變化的二元函數(shù)，擬合式如下：

y=5.261 43-4.591 35x1+3.581 1x2

(7)

式中x1為實(shí)際熱阱體量與模型熱阱體量的比值；x2為實(shí)際熱擾與模型室內(nèi)熱擾強(qiáng)度的比值。

5 結(jié)論

主控制室室內(nèi)熱擾散熱強(qiáng)度是主控制室室內(nèi)空氣溫度響應(yīng)的重要因素。主控制室室內(nèi)空氣最大溫升隨室內(nèi)熱擾強(qiáng)度增大逐漸上升。當(dāng)室內(nèi)熱擾強(qiáng)度增大到2倍時(shí)，室內(nèi)最大溫升為7.85 ℃，未超過(guò)室內(nèi)溫升安全限值8.3 ℃，由擬合公式可知，熱擾強(qiáng)度不應(yīng)該超過(guò)模型熱擾強(qiáng)度的2.10倍。