某核電站安全殼內(nèi)臨時通風(fēng)數(shù)值模擬研究

杜南麟，王平春，梁漢天

（1.國家電力投資集團有限公司，北京 100029；2.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200030；3.中國人民財產(chǎn)保險股份有限公司深圳市分公司，深圳 518000）

大型先進壓水堆核電廠的核島安全殼在頂封頭吊裝后將形成一個相對封閉的空間，其內(nèi)部焊接、打磨作業(yè)等在此空間內(nèi)持續(xù)開展。焊接過程中會產(chǎn)生大量的顆粒污染物和氣體污染物［1］，其中顆粒的粒徑主要為0.01～1μm。顆粒懸浮于空氣中，為可吸入粒子，這對工人的健康和生產(chǎn)效率帶來極大的影響，人體短期吸入高濃度粉塵或長期吸入一般質(zhì)量濃度（10 mg·m-3以上）的焊接粉塵，可能導(dǎo)致焊接塵肺。吸入可溶性化合物可能引起肺炎和血液系統(tǒng)疾病，對于這些疾病國內(nèi)目前尚無特效治療方法［2］。因此，我們必須設(shè)置合理的通風(fēng)系統(tǒng)以改善核島安全殼內(nèi)的空氣環(huán)境。臨時通風(fēng)布置是解決這一問題的有效方法。

在核電廠的臨時通風(fēng)布置方面，李金海［3］等研究了AP1000核電廠的核島臨時通風(fēng)風(fēng)量計算及通風(fēng)布置，劉源［4］研究了ACPR1000反應(yīng)堆廠房臨時通風(fēng)布置，但目前尚未有人進行有關(guān)核島安全殼內(nèi)大密閉空間臨時通風(fēng)方面的數(shù)值模擬研究。臨時通風(fēng)系統(tǒng)布置涉及風(fēng)量計算、風(fēng)機選型、路徑規(guī)劃、施工邏輯等諸多因素，而數(shù)值模擬能夠在無需實際布置的情況下超工期進行預(yù)研，其結(jié)果可提高施工方案的針對性和可操作性，有效避免后續(xù)頻繁盲目調(diào)整，為安全殼內(nèi)臨時通風(fēng)布置設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 通風(fēng)風(fēng)量及通風(fēng)布置

基于核島空間布置，本文選取核島臨時通風(fēng)空間最大和通風(fēng)難度最大的12.65 m平臺以上空間進行研究。12.65 m平臺以上區(qū)域臨時通風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)空間位置分為12.65 m平臺以上空間通風(fēng)系統(tǒng)以及安全殼頂封頭（Containment Vessel Top Head，簡稱CVTH）以上局部抽出式通風(fēng)系統(tǒng)兩部分。其中，CVTH以上局部抽出式通風(fēng)系統(tǒng)主要通過設(shè)置在該標(biāo)高層上的軸流風(fēng)機將作業(yè)的煙氣送至12.65 m平臺。12.65 m平臺上排煙有兩種方式，一是利用12.65 m平臺處吊裝孔排風(fēng)，二是利用安裝在12.65 m平臺上的軸流風(fēng)機將安全殼內(nèi)作業(yè)空間產(chǎn)生的污濁空氣，如焊接煙塵等，通過風(fēng)管穿過設(shè)備閘門，直接排出到外部空間。為減小風(fēng)管阻力和方便現(xiàn)場施工，根據(jù)安全殼現(xiàn)場情況，12.65 m平臺以上空間的系統(tǒng)通風(fēng)管路沿筒體內(nèi)壁鋪設(shè)在12.65 m平臺，CVTH以上局部抽出式通風(fēng)系統(tǒng)的管路沿腳手架垂直布置；CVTH環(huán)縫處主要進行環(huán)縫焊接作業(yè)，利用安全殼循環(huán)冷卻系統(tǒng)（簡稱VCS）環(huán)形風(fēng)管進行通風(fēng)，將CVTH頂封頭位置煙塵抽至安全殼外。

整個廠房內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 12.65 m標(biāo)高以上臨時通風(fēng)布置圖Fig.1 Layout of temporary ventilation above 12.65 m

系統(tǒng)風(fēng)機風(fēng)管沿筒體內(nèi)壁至設(shè)備閘門布置，在11廠房布置排風(fēng)機1臺，11廠房內(nèi)采用矩形鍍鋅風(fēng)管，同時為便于設(shè)備閘門大宗材料運輸需要和風(fēng)管經(jīng)常性移動，且考慮到風(fēng)機性能、風(fēng)管風(fēng)速承受能力、設(shè)備閘門通行及排煙通路限制，此處風(fēng)管采用直徑1200 mmPVC材質(zhì)。

經(jīng)計算，12.65 m以上CV圓柱筒體體積為50 231 m3，頂封頭（球缺）體積為11 095 m3，若按照每小時換氣3次計算［5］，則每小時通風(fēng)量為183 978.3 m3。

2 臨時通風(fēng)數(shù)值模擬

根據(jù)安全殼廠房及主要模塊尺寸，筆者利用AutoCAD對12.65 m以上空間進行建模。為簡化模型，降低網(wǎng)格劃分難度及運算強度，本文忽略各貫穿孔、CA01模塊空腔等，建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 12.65 m以上安全殼內(nèi)通風(fēng)布置圖Fig.2 Ventilation layout in containment above 12.65 m

參照相關(guān)焊接文獻研究［6］，筆者設(shè)定單個焊接作業(yè)點粉塵發(fā)生速度為0.006 g·s-1，同時類比AP1000核電項目焊工人數(shù)，假設(shè)高峰期共80人在計算模型空間內(nèi)連續(xù)進行焊接等作業(yè)，連續(xù)性系數(shù)取0.5，且粉塵在CA01模塊上部平臺21.3 m處均勻產(chǎn)生，則單位時間內(nèi)粉塵質(zhì)量流為4.8×10-4kg·s-1。筆者按上述要求設(shè)置邊界條件，利用ANSYS-FLUENT14.0軟件進行數(shù)值模擬，使用離散型模型和κ-ε雙方程湍流模型，具體見表1。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition setting

筆者利用FLUENT進行數(shù)值模擬并選取12.65 m、21.3 m、42 m三個典型標(biāo)高進行分析。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)：

（1）圖3顯示：在12.65 m標(biāo)高平面上，CH01設(shè)備閘門處產(chǎn)生的風(fēng)流能夠順利地貫穿右側(cè)區(qū)域，并最終與CH01處的排風(fēng)管的進風(fēng)匯合，風(fēng)速在3 m·s-1以下，屬于輕風(fēng)等級；吊裝孔處進風(fēng)流速也較大，在2 m·s-1左右；由于CA01模塊阻擋，中間風(fēng)速較小，多在0.5 m·s-1以下，屬于軟風(fēng)等級或無風(fēng)等級［7］。此外，在吊裝孔與CH01設(shè)備閘門之間粉塵濃度較大，原因是結(jié)構(gòu)形成的漩渦，不利于粉塵的排放，導(dǎo)致粉塵輕微聚集。

圖3 12.65 m標(biāo)高Fig.3 12.65 m elevation

（2）圖4顯示：在21.3 m標(biāo)高平面上，因CA01頂部鋼平臺處為本模擬粉塵產(chǎn)生的設(shè)定區(qū)域，所以粉塵濃度最大，但總體上粉塵濃度在4 mg·m-3以下，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)［8］要求；粉塵自CA01開始擴散，由于VCS風(fēng)口通風(fēng)作用，左右兩側(cè)濃度明顯減小。因此對于粉塵集中產(chǎn)生區(qū)域，必須設(shè)置過濾煙塵凈化器等降塵措施以確保粉塵濃度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 21.3 m標(biāo)高Fig.4 21.3 m elevation

（3）圖5顯示：在42 m標(biāo)高（環(huán)吊梁標(biāo)高）平面上，在渦流區(qū)域有較為明顯的粉塵聚集，相對位置在吊裝孔上面的粉塵濃度較大，但其他區(qū)域粉塵濃度較小，排塵效果顯著。

圖5 42 m標(biāo)高Fig.5 42 m elevation

3 粉塵控制措施建議

根據(jù)安全殼廠房臨時通風(fēng)布置及數(shù)值模擬結(jié)果，我們可采取以下措施提高粉塵控制效果：

（1）設(shè)置局部通風(fēng)機。在局部粉塵濃度較大或聚集的區(qū)域設(shè)置局部通風(fēng)機，引導(dǎo)風(fēng)流將粉塵及時排至風(fēng)管處并最終排至室外，從而降低粉塵濃度。

（2）設(shè)置降塵措施。根據(jù)模擬結(jié)果，在粉塵產(chǎn)生量較大的區(qū)域設(shè)置焊接煙塵過濾器等降塵措施，從源頭減少粉塵產(chǎn)生，防止其從焊接點向四周擴散；對于逸散粉塵的生產(chǎn)過程，應(yīng)對產(chǎn)塵設(shè)備采取密閉措施；作業(yè)前應(yīng)對生產(chǎn)工藝以及粉塵性質(zhì)進行分析，如果可以采取濕式作業(yè)，應(yīng)盡量采用濕式作業(yè)方法；在濕式作業(yè)仍不符合衛(wèi)生要求的情況下，應(yīng)采用其他通風(fēng)方式和除塵方法。

（3）優(yōu)化施工邏輯。盡量在CVTH頂封頭吊裝之前將VCS安全殼循環(huán)冷卻系統(tǒng)環(huán)形風(fēng)管安裝在安全殼上，提前投用。

（4）提高模塊化水平。盡可能將焊接、切割打磨等易產(chǎn)生粉塵的作業(yè)提前在核島外完成，減少核島內(nèi)作業(yè)的頻次。

（5）個人防護。對于采取了多種措施仍然無法確保接觸濃度符合要求的，作業(yè)人員應(yīng)佩戴防塵口罩或面具。

4 總結(jié)

本文基于國內(nèi)某核電廠安全殼廠房結(jié)構(gòu)研究了臨時通風(fēng)所需風(fēng)量，構(gòu)建了數(shù)值模擬模型，模擬了計算空間風(fēng)流矢量、粉塵濃度在空間不同標(biāo)高下的分布特征，模擬結(jié)果顯示計算風(fēng)量總體上達到了全面通風(fēng)降低粉塵濃度的目的；根據(jù)模擬結(jié)果，探討了降低安全殼廠房內(nèi)部粉塵濃度的方法，提出了局部通風(fēng)、設(shè)置降塵措施、優(yōu)化施工邏輯、提高模塊化水平及個體防護的綜合治理措施，有利于改善通風(fēng)環(huán)境和加強安全殼內(nèi)的粉塵控制，為電廠建設(shè)創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境。