某核電站安全殼內(nèi)臨時(shí)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(tuán)有限公司，北京 100029；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200030；3.中國人民財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)股份有限公司深圳市分公司，深圳 518000）

大型先進(jìn)壓水堆核電廠的核島安全殼在頂封頭吊裝后將形成一個(gè)相對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)通風(fēng)布置是解決這一問題的有效方法。

在核電廠的臨時(shí)通風(fēng)布置方面，李金海［3］等研究了AP1000核電廠的核島臨時(shí)通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算及通風(fēng)布置，劉源［4］研究了ACPR1000反應(yīng)堆廠房臨時(shí)通風(fēng)布置，但目前尚未有人進(jìn)行有關(guān)核島安全殼內(nèi)大密閉空間臨時(shí)通風(fēng)方面的數(shù)值模擬研究。臨時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)布置涉及風(fēng)量計(jì)算、風(fēng)機(jī)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(shí)際布置的情況下超工期進(jìn)行預(yù)研，其結(jié)果可提高施工方案的針對(duì)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(shí)通風(fēng)布置設(shè)計(jì)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(shí)通風(fēng)空間最大和通風(fēng)難度最大的12.65 m平臺(tái)以上空間進(jìn)行研究。12.65 m平臺(tái)以上區(qū)域臨時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)空間位置分為12.65 m平臺(tái)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(jī)將作業(yè)的煙氣送至12.65 m平臺(tái)。12.65 m平臺(tái)上排煙有兩種方式，一是利用12.65 m平臺(tái)處吊裝孔排風(fēng)，二是利用安裝在12.65 m平臺(tái)上的軸流風(fēng)機(jī)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(tái)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(tái)，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(jìn)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(jìn)行通風(fēng)，將CVTH頂封頭位置煙塵抽至安全殼外。

整個(gè)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(shí)通風(fēng)布置圖Fig.1 Layout of temporary ventilation above 12.65 m

系統(tǒng)風(fēng)機(jī)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(jī)1臺(tái)，11廠房內(nèi)采用矩形鍍鋅風(fēng)管，同時(shí)為便于設(shè)備閘門大宗材料運(yùn)輸需要和風(fēng)管經(jīng)常性移動(dòng)，且考慮到風(fēng)機(jī)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(jì)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(shí)換氣3次計(jì)算［5］，則每小時(shí)通風(fēng)量為183 978.3 m3。

2 臨時(shí)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(duì)12.65 m以上空間進(jìn)行建模。為簡化模型，降低網(wǎng)格劃分難度及運(yùn)算強(qiáng)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(xiàn)研究［6］，筆者設(shè)定單個(gè)焊接作業(yè)點(diǎn)粉塵發(fā)生速度為0.006 g·s-1，同時(shí)類比AP1000核電項(xiàng)目焊工人數(shù)，假設(shè)高峰期共80人在計(jì)算模型空間內(nèi)連續(xù)進(jìn)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(tái)21.3 m處均勻產(chǎn)生，則單位時(shí)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(jìn)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(jìn)行數(shù)值模擬并選取12.65 m、21.3 m、42 m三個(gè)典型標(biāo)高進(jìn)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(jìn)風(fēng)匯合，風(fēng)速在3 m·s-1以下，屬于輕風(fēng)等級(jí)；吊裝孔處進(jìn)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(jí)或無風(fēng)等級(jí)［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(tái)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(kuò)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(duì)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(duì)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(shí)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(jī)。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(jī)，引導(dǎo)風(fēng)流將粉塵及時(shí)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(diǎn)向四周擴(kuò)散；對(duì)于逸散粉塵的生產(chǎn)過程，應(yīng)對(duì)產(chǎn)塵設(shè)備采取密閉措施；作業(yè)前應(yīng)對(duì)生產(chǎn)工藝以及粉塵性質(zhì)進(jìn)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(gè)人防護(hù)。對(duì)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(shí)通風(fēng)所需風(fēng)量，構(gòu)建了數(shù)值模擬模型，模擬了計(jì)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(jì)算風(fēng)量總體上達(dá)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(gè)體防護(hù)的綜合治理措施，有利于改善通風(fēng)環(huán)境和加強(qiáng)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。