基于相變蓄冷的核電廠主控室非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)

趙 丹 林宇清 呂胡人

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,上海)

0 引言

現(xiàn)有核電廠主控室正常運(yùn)行情況下均采用能動(dòng)式空調(diào)系統(tǒng)來提供主控室內(nèi)人員及設(shè)備適宜的溫度,而在事故或全廠斷電的緊急情況下,由于能動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)功能喪失,房間溫度會(huì)不斷上升,溫度會(huì)迅速突破主控室內(nèi)人員和設(shè)備可居留溫度極限,進(jìn)而可能導(dǎo)致主控室人員失去干預(yù)電廠事故發(fā)展的能力。因此,事故或喪失電源情況下的主控室冷卻系統(tǒng)必不可少[1-3]。

非能動(dòng)技術(shù)是國(guó)和一號(hào)等三代非能動(dòng)壓水堆核電站的最顯著特征,可顯著提升核電站的安全性。在三代非能動(dòng)壓水堆核電站主控室設(shè)計(jì)中,也利用非能動(dòng)技術(shù)保證事故后無電源情況下主控室人員的可居留性。非能動(dòng)應(yīng)急可居留系統(tǒng)(VES)為控制電廠的操縱員提供一個(gè)防護(hù)的環(huán)境。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或由于喪失所有AC(交流)電源導(dǎo)致核島非放射性通風(fēng)系統(tǒng)(VBS)不可用后運(yùn)行。目前非能動(dòng)核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下,主控室維持可居留環(huán)境溫度的時(shí)間按照3 d進(jìn)行設(shè)計(jì),以支持72 h內(nèi)無需人員干預(yù)進(jìn)行安全停堆[4]。

現(xiàn)有主控室非能動(dòng)應(yīng)急可居留系統(tǒng)的溫度控制主要依靠非能動(dòng)熱阱進(jìn)行冷卻,其主要實(shí)現(xiàn)方式是通過混凝土墻及混凝土天花板預(yù)埋金屬肋片等圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為蓄冷熱容載體,通過在天花板設(shè)置金屬肋片提高其蓄冷和釋冷能力。在事故工況下,積蓄在以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷量就會(huì)不斷釋放出來,進(jìn)而阻礙主控室溫度快速上升,實(shí)現(xiàn)控制室環(huán)境溫度長(zhǎng)時(shí)間維持在可居留溫度上。

經(jīng)三門、海陽非能動(dòng)壓水堆核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋,現(xiàn)有的主控室非能動(dòng)應(yīng)急可居留系統(tǒng)的溫度控制方案還存在以下不足:1) 在事故工況下,為了控制主控室邊界內(nèi)部設(shè)備散熱,需要關(guān)閉顯示屏幕,一定程度上削弱了電廠監(jiān)控能力;2) 在事故工況下,維持可居留環(huán)境溫度的時(shí)間僅為3 d,時(shí)間余量偏小;3) 正常工況下主控室體感溫度偏低,操作員舒適性有待進(jìn)一步提升。

提升現(xiàn)有主控室非能動(dòng)熱阱能力或蓄冷能力最簡(jiǎn)單直接的方法就是降低熱阱的初始設(shè)置溫度,即降低主控室正常運(yùn)行工況下的房間溫度,這樣可實(shí)現(xiàn)主控室在事故工況下維持可居留環(huán)境溫度時(shí)間超過72 h,但由此帶來的問題是主控室正常運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度過低,導(dǎo)致主控室操作員體感溫度偏低,操作員熱舒適性變差。另一種增加蓄冷能力的方法是通過增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來增加熱容,但該方法由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低,無法通過增加金屬肋片來提高熱阱能力,即無法實(shí)現(xiàn)冷量的及時(shí)釋放,進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)對(duì)主控室溫度的控制,另外該方法也帶來了建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的問題。

為了克服現(xiàn)有主控室非能動(dòng)應(yīng)急可居留系統(tǒng)的溫度控制方案的不足,需要提出一種新的主控室非能動(dòng)冷卻方案,該方案需要滿足在提升主控室蓄冷能力的同時(shí),保證主控室人員的舒適性要求。

1 現(xiàn)有非能動(dòng)技術(shù)方案分析

通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)和專利檢索,發(fā)現(xiàn)有2個(gè)相關(guān)專利,即一種非能動(dòng)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)[5]和一種核電廠用末端被動(dòng)式冷梁裝置[6]。

一種非能動(dòng)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)包括管道組件、換熱組件、壓縮空氣供氣口。管道組件包括供氣管道,供氣管道用于向主控室提供壓縮氣體。換熱組件包括蓄冷箱、熱管、冷卻器。冷卻器設(shè)于供氣管道上;蓄冷箱用于提供冷源,蓄冷箱與冷卻器連接傳熱,蓄冷箱內(nèi)部冷源產(chǎn)生的冷量通過熱管傳遞至冷卻器內(nèi),從壓縮空氣供氣口進(jìn)入供氣管道的壓縮空氣在冷卻器內(nèi)與熱管的蒸發(fā)段換熱,從而將降溫后的壓縮空氣輸送至主控室。該非能動(dòng)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)無需能源供應(yīng),能自動(dòng)在核污染事故下或核電廠停電狀況下維持對(duì)主控室供氣。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 非能動(dòng)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意圖

在一種核電廠用末端被動(dòng)式冷梁裝置發(fā)明專利中,包括設(shè)置在安全級(jí)重要房間頂部的箱體,箱體設(shè)有若干個(gè)非能動(dòng)的冷卻器,安全級(jí)重要房間的內(nèi)部空氣形成的室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入箱體,被冷卻器冷卻為冷梁送風(fēng)后從箱體流入安全級(jí)重要房間內(nèi),冷梁送風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)能夠形成自然對(duì)流循環(huán)。該發(fā)明在全廠斷電工況下,可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的非能動(dòng)氣流組織功能,保證室內(nèi)空氣循環(huán),實(shí)現(xiàn)安全級(jí)重要房間的冷卻功能,提高系統(tǒng)可靠性和核電站固有安全性。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

圖2 核電廠用末端被動(dòng)式冷梁裝置示意圖

以上專利中的非能動(dòng)熱阱易受振動(dòng)、腐蝕等造成損壞、泄漏,且熱管易破壞天花板強(qiáng)度,例如現(xiàn)有的非能動(dòng)通風(fēng)冷卻系統(tǒng),在其換熱組件中,利用熱管將蓄冷箱中冷量輸入到冷卻器中,實(shí)現(xiàn)對(duì)主控室的非能動(dòng)冷卻,但組件中采用的熱管存在振動(dòng)、腐蝕等導(dǎo)致管壁破裂泄漏的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而導(dǎo)致冷卻功能失效;同時(shí),熱管貫穿混凝土天花板也會(huì)存在導(dǎo)致天花板強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn);又由于噴射的壓縮空氣流量受限和出風(fēng)口位置受限,主控室的冷卻效果和操作人員的舒適性也很難保證。此外,核電廠用末端被動(dòng)式冷梁裝置,其冷卻器和管道也存在振動(dòng)、腐蝕等導(dǎo)致管壁破裂泄漏的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而導(dǎo)致冷卻功能失效;同時(shí),管道貫穿混凝土天花板也帶來了天花板強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于相變蓄冷的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)

核電廠主控室非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)要求可以實(shí)現(xiàn)在無電源條件下主控室環(huán)境溫度可居留性(低于35 ℃)維持3 d以上,裝置啟動(dòng)無需人工干預(yù),并保證足夠可居留時(shí)間的安全余量、主控室操作人員的絕對(duì)安全,滿足防火、抗震、無泄漏安全要求。在設(shè)計(jì)壽命和可靠性上,與核電廠60年設(shè)計(jì)壽命相匹配。

本文提出的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)包括抗震支架和相變蓄能模塊,相變蓄能模塊為細(xì)長(zhǎng)板形狀;非能動(dòng)冷卻裝置布置在天花板和吊頂之間、內(nèi)墻面及貼敷于地板下,以及應(yīng)急可居留系統(tǒng)回風(fēng)道內(nèi)壁。

在正常工作期間,VBS為主控室房間提供冷量,非能動(dòng)冷卻裝置的蓄冷模塊通過自然對(duì)流換熱形式從房間空氣中吸收冷量并存儲(chǔ)在蓄冷模塊中,在應(yīng)急失電工況下,非能動(dòng)冷卻裝置的蓄冷模塊通過自然對(duì)流換熱形式向主控室房間釋放冷量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急工況下冷卻主控室的功能。而布置于主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)回風(fēng)道的非能動(dòng)冷卻裝置,則通過強(qiáng)制對(duì)流將回流空氣冷卻,進(jìn)而將冷量輸送到房間內(nèi)。

相變蓄能模塊內(nèi)部為定形相變材料,包括利用樹脂材料將石蠟材料分散封閉形成的定形材料或利用石墨將石蠟材料分散封閉形成的定形材料,同時(shí)相變蓄能模塊外部采用鋼板等金屬材料,將定形相變材料封裝,進(jìn)而保證蓄冷模塊的強(qiáng)度和抗震性;相變蓄能模塊尺寸和布置需要綜合考慮傳熱面積、天花板安全承重限制、經(jīng)濟(jì)性、人員舒適性、溫度場(chǎng)均勻性,實(shí)現(xiàn)尺寸和布置方式的最優(yōu)化。

布置于天花板和吊頂之間的非能動(dòng)冷卻裝置,優(yōu)選豎直布置,進(jìn)而增加釋冷面積和釋冷能力,冷卻裝置間距可根據(jù)下方負(fù)荷強(qiáng)弱調(diào)節(jié),在負(fù)荷較大和人員密集區(qū)密集布置冷卻裝置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人員的舒適性和溫度場(chǎng)的均勻性。吊頂應(yīng)為鏤空設(shè)計(jì),保證非能動(dòng)冷卻裝置與房間空氣充分自然對(duì)流,使蓄冷和釋冷過程順利進(jìn)行。

布置于墻面和地板的非能動(dòng)冷卻裝置,可根據(jù)周圍負(fù)荷調(diào)整布置面積和相變材料厚度,綜合平衡舒適性、溫度場(chǎng)均勻性、經(jīng)濟(jì)性等因素,達(dá)到綜合效果最優(yōu)。

布置于主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)回風(fēng)道的非能動(dòng)冷卻裝置,可分層布置,具體布置尺寸和面積可綜合考慮換熱面積、回風(fēng)道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、回風(fēng)道阻力損失等因素,達(dá)到綜合效果最優(yōu)。

所有的非能動(dòng)冷卻裝置均需抗震支架支撐,同時(shí)其中的相變蓄能模塊可方便拆卸替換,因而可實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)冷卻裝置服務(wù)于整個(gè)核電廠設(shè)計(jì)壽命周期。詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)見圖3、4。

圖3 主控室基于相變蓄冷應(yīng)急非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 基于相變蓄冷的主控室循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于相變蓄冷的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)的技術(shù)要求

基于相變蓄冷的非能動(dòng)熱阱技術(shù)方案中,非能動(dòng)冷卻裝置由抗震支架和安裝在抗震支架上的可拆卸相變蓄能模塊組成。其中,相變蓄能模塊由外殼及設(shè)置在外殼內(nèi)的定形相變材料組成。

相變蓄能模塊需采用無泄漏的定形相變材料,可切割加工、無泄漏、不變形、循環(huán)穩(wěn)定性好,無過冷及析出現(xiàn)象、環(huán)境友好、使用壽命長(zhǎng)、耐火不可燃,無火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),避免了泄漏和變形風(fēng)險(xiǎn),使整個(gè)蓄冷和釋冷過程安全可靠。

相變材料的選取需要滿足如下要求:相變溫度與主控室溫度相匹配,相變潛熱大,化學(xué)穩(wěn)定性好,耐循環(huán),傳熱性能好,無毒、無味,無泄漏,無過冷和相分離現(xiàn)象,防火、抗震等。

所有的非能動(dòng)冷卻裝置均需要抗震支架支撐,抗震支架可采用角鋼、槽鋼、工字鋼或方鋼組成。支架與蓄冷相變模塊的框架采用高強(qiáng)度螺栓連接,支架與混凝土的預(yù)埋板采用焊接或螺栓連接。其中相變蓄能模塊可方便拆卸替換,因而可實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)冷卻裝置服務(wù)于整個(gè)核電廠設(shè)計(jì)壽命周期。

4 基于相變蓄冷的非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)實(shí)施方案

在正常運(yùn)行工況下,非能動(dòng)冷卻裝置經(jīng)歷蓄冷過程,從核島VBS輸出的冷空氣通過自然對(duì)流冷卻相變蓄能模塊,相變蓄能模塊吸收冷量,其中封裝在顆粒膠囊內(nèi)的相變材料受冷變?yōu)楣腆w。在應(yīng)急失電或熱負(fù)荷突然增加時(shí),非能動(dòng)冷卻裝置經(jīng)歷釋冷過程,模塊中封裝在顆粒膠囊內(nèi)的相變材料受熱變?yōu)橐后w,過程中釋放冷量,通過自然對(duì)流和輻射換熱將模塊周圍的空氣冷卻,冷卻后的冷空氣由于重力作用下沉,將冷量傳送到操作人員和發(fā)熱電器設(shè)備,被加熱的空氣再因浮力作用上升,上升到非能動(dòng)冷卻裝置周圍后再被冷卻,進(jìn)而形成自然循環(huán),實(shí)現(xiàn)整個(gè)房間溫度穩(wěn)定,避免空氣溫度過快上升,進(jìn)而可長(zhǎng)時(shí)間維持主控室可居留的熱環(huán)境。

布置于墻面和地板的非能動(dòng)冷卻裝置,在應(yīng)急失電或熱負(fù)荷突然增加時(shí),相變蓄能模塊經(jīng)歷釋冷過程,模塊中封裝在顆粒膠囊內(nèi)的相變材料受熱變?yōu)橐后w,過程中釋放冷量,通過自然對(duì)流和輻射換熱將模塊周圍空氣冷卻,冷卻后的冷空氣傳送到操作人員和發(fā)熱電器設(shè)備處,被加熱的空氣在非能動(dòng)冷卻裝置周圍再被冷卻,進(jìn)而形成自然循環(huán),實(shí)現(xiàn)整個(gè)房間溫度穩(wěn)定,并保證了正常工況下操作人員的熱舒適性。

在正常工況下,布置于主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)回風(fēng)道的非能動(dòng)冷卻裝置通過自然對(duì)流吸收房間空氣中的冷量并將冷量存儲(chǔ)在相變蓄能模塊中。在應(yīng)急失電工況下,應(yīng)急可居留系統(tǒng)啟動(dòng),噴射器啟動(dòng),使回風(fēng)道由于引流作用吸入主控室空氣并通過消聲器,隨后吸入空氣與噴射空氣混合一起經(jīng)過消聲器和過濾器,最終通過排風(fēng)道排入主控室環(huán)境中,進(jìn)而形成主控室空氣循環(huán)。

5 結(jié)論

本文提出的基于相變蓄冷的核電廠主控室非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)存在以下優(yōu)勢(shì):

1) 蓄冷相變模塊采用的定形相變材料,可切割加工、無泄漏、不變形、循環(huán)穩(wěn)定性好,無過冷及析出現(xiàn)象、環(huán)境友好、使用壽命長(zhǎng)、耐火不可燃,無火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。避免了泄漏和變形風(fēng)險(xiǎn),使整個(gè)蓄冷和釋冷過程安全可靠。

2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,占用空間小,無需引入額外冷源和管道,不依托任何系統(tǒng),無振動(dòng)導(dǎo)致功能失效的風(fēng)險(xiǎn),每個(gè)非能動(dòng)冷卻裝置相互獨(dú)立,彼此無影響,即使其中一個(gè)裝置失效,其他裝置還可以正常工作,系統(tǒng)可靠性高。

3) 不僅可用于新建核電廠主控室,也可用于既有核電廠主控室改造,無需對(duì)現(xiàn)有墻體破壞和貫穿,也不需要改變已有電路、水路、風(fēng)路設(shè)計(jì)。

4) 可靈活布置,不受房間內(nèi)其他設(shè)備空間和管道空間限制,同時(shí)保證操作人員的舒適性和房間內(nèi)空氣溫度的均勻性,可做到按需布置,在大負(fù)荷電器周圍增加布置面積,在小負(fù)荷和無負(fù)荷區(qū)域減少和不布置冷卻模塊。同時(shí),布置面積和蓄冷模塊厚度也可以按需設(shè)置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確控溫。

5) 蓄冷相變模塊需要的體積小,占用空間小,蓄冷能力是同體積混凝土的9倍以上。

6) 非能動(dòng)冷卻裝置可實(shí)現(xiàn)房間溫度波動(dòng)小、受負(fù)荷變化影響小,提高房間內(nèi)操作人員舒適性。非能動(dòng)冷卻裝置增大了主控室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比熱容,進(jìn)而使主控室溫度抗干擾能力增強(qiáng),在外界環(huán)境溫度或負(fù)荷劇烈變化時(shí),可以保證主控室溫度波動(dòng)小,同時(shí)也保證了主控室溫度均勻性,降低了豎直和水平方向的溫差,提高了操作人員的熱舒適性。

7) 非能動(dòng)冷卻裝置無任何運(yùn)動(dòng)部件,也沒有液體流動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置不產(chǎn)生任何噪聲,同時(shí)也不存在磨損和泄漏問題,保證了裝置的可靠性和壽命。

本文提出的基于相變蓄冷的核電廠主控室非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)還需要進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,用于評(píng)估該方案的可靠性、安全性,以及工程可行性。