以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的主控室可居留性系統(tǒng)研究*

何 磊 張艷芝 李 林 李愛娟

(中核能源科技有限公司,北京)

0 引言

核電站主控室可居留性是指在正常和事故工況下均能為主控室應(yīng)急區(qū)域工作人員配備或提供可居留的生活及工作環(huán)境,保持核電站正常運(yùn)行的受控、異常情況的安全停堆,以避免或減緩各類事故造成的影響。主控室可居留性系統(tǒng)包括通風(fēng)、空調(diào)、過濾、隔離和監(jiān)測系統(tǒng)及生活物資、衛(wèi)生設(shè)施和藥品配備系統(tǒng)[1]。之前的主控室可居留性系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過冗余設(shè)計(jì)和實(shí)體或功能隔離確?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在事故后運(yùn)行的可靠性,但日本福島核電站事故(極端災(zāi)害天氣造成的全廠斷電和最終熱阱喪失)使全球的核電設(shè)計(jì)者認(rèn)識到只靠能動(dòng)設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)無法保證核電站的安全。而采用非能動(dòng)的冷卻方式則可以提高主控室最終熱阱的可靠性和穩(wěn)定性,以保證主控室的可居留性。

1 主控室非能動(dòng)冷卻方式研究現(xiàn)狀

主控室非能動(dòng)冷卻方式已經(jīng)在一些核電站應(yīng)用,例如AP1000核電技術(shù),其主控制室應(yīng)急可居留系統(tǒng)(VES)采用混凝土墻體和帶金屬肋片的混凝土天花板作為非能動(dòng)熱阱,同時(shí)利用氣體膨脹吸熱和密度差等實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)冷卻功能[2]。

研究人員對以鋼筋混凝土墻體為非能動(dòng)熱阱吸收全廠斷電事故后設(shè)備散熱量的可行性進(jìn)行了分析和研究,證明了混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體依托其自身蓄熱能力,可滿足主控室可居留性要求[3-4]。

非能動(dòng)冰蓄冷技術(shù)在主控室可居留性應(yīng)用方面也得到了一些研究和論證[5]。該技術(shù)依托蓄冰池為非能動(dòng)熱阱,全廠斷電事故發(fā)生后,由冷卻水依靠重力作用流至蓄冰池,然后流向主控室換熱器進(jìn)行換熱降溫。

另外,有技術(shù)人員對節(jié)流制冷和膨脹制冷進(jìn)行了分析,即利用高壓空氣作為冷卻劑經(jīng)節(jié)流或膨脹產(chǎn)生冷效應(yīng),從而起到制冷效果,對主控室進(jìn)行非能動(dòng)冷卻[6]。

上述非能動(dòng)冷卻方式在功能上均能實(shí)現(xiàn)全廠斷電事故后的主控室的可居留性,但同時(shí)也均存在一些不足。上述各非能動(dòng)冷卻方式采用的高壓空氣儲存系統(tǒng)、制冰蓄冰系統(tǒng)及節(jié)流或膨脹設(shè)備均應(yīng)為安全級設(shè)備,增加了工程成本,也對日后運(yùn)行和維護(hù)帶來一定的壓力。而對于以圍護(hù)結(jié)構(gòu)為非能動(dòng)熱阱的方式,對主控室鋼筋混凝土容量有一定的要求,同時(shí)也不能作為長期熱阱,若設(shè)備散熱量較大,可能會出現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度超出標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。

研發(fā)一種更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)成本盡量低的主控室非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)是目前核電技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)之一。本文闡述的以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的方式,依托自然通風(fēng)原理,可安全、可靠地將主控室余熱排出,能以較小的工程成本實(shí)現(xiàn)主控室全廠斷電后的可居留性。

2 非能動(dòng)冷卻通道作用機(jī)理

核電站發(fā)生全廠斷電事故后,主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)無法運(yùn)行。為了保證安全停堆,部分電氣、儀控及照明設(shè)備需要依托UPS(不間斷電源)繼續(xù)運(yùn)行。隨著設(shè)備散熱量的累積,室內(nèi)環(huán)境溫度不斷上升。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度超出限值時(shí),主控室可居留性就會被破壞。

本文以某核電站主控室為研究對象。該主控室長18.10 m、寬9.35 m、高4.90 m,散熱量主要包括設(shè)備散熱量15.0 kW、人體散熱量1.5 kW、照明散熱量2.0 kW。忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱延遲性、其他冷負(fù)荷及非能動(dòng)冷卻量的影響,計(jì)算核電站發(fā)生全廠斷電事故后主控室內(nèi)環(huán)境溫度變化趨勢,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,初始溫度24 ℃,經(jīng)過48 h后,室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到31 ℃,經(jīng)過72 h后,室內(nèi)環(huán)境溫度已超過35 ℃,影響了工作人員和一些安全級電氣設(shè)備的工作和運(yùn)行。若電力或冷源未能在72 h內(nèi)恢復(fù),120 h后,溫度將升至近42 ℃,人員和設(shè)備均無法正常工作和運(yùn)行。

圖1 主控室失電失冷事故工況下室內(nèi)環(huán)境溫度變化

非能動(dòng)冷卻通道的作用機(jī)理是基于“煙囪效應(yīng)”,依靠主控室室內(nèi)外空氣密度差形成的熱壓作用進(jìn)行自然通風(fēng),使主控室內(nèi)設(shè)備的散熱量排至室外。為了防止外界存在放射性物質(zhì)或危害性氣體的空氣對主控室的環(huán)境造成影響,非能動(dòng)冷卻通道采用主控室所在的廠房(白區(qū))所構(gòu)成的空氣域?yàn)闊嶷濉?/p>

核電站發(fā)生全廠斷電事故后,主控室設(shè)備散熱量會逐步加熱內(nèi)部環(huán)境空氣。當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度高于主控室外環(huán)境溫度時(shí),就會形成空氣密度差。當(dāng)進(jìn)、排風(fēng)口有高度差時(shí),就會形成熱壓壓頭,成為自然通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力。

3 非能動(dòng)冷卻通道設(shè)計(jì)方案

圖2為非能動(dòng)冷卻通道設(shè)計(jì)方案示意圖。非能動(dòng)冷卻通道系統(tǒng)包括主控室、排風(fēng)豎井、水平連通空間、豎直連通空間(高大空間)、各風(fēng)口及風(fēng)口處的防火擋板。水平和豎直連通空間可以采用專設(shè)通道,也可采用能夠保證密封性的風(fēng)井等,與其他房間和區(qū)域隔離,確保非能動(dòng)冷卻通道與外部區(qū)域隔離,防止放射性物質(zhì)滲入主控室可居留區(qū)域。圖3為非能動(dòng)冷卻通道布置示意圖,非能動(dòng)冷卻通道系統(tǒng)的風(fēng)口包括上、下進(jìn)風(fēng)口及上、下排風(fēng)口。上進(jìn)/排風(fēng)口根據(jù)建筑布局在廠房內(nèi)設(shè)置1個(gè)或若干個(gè),與廠房內(nèi)區(qū)的水平空間連通。豎直連通空間和排風(fēng)豎井的最上部均設(shè)置1個(gè)進(jìn)/排風(fēng)口與室外連通。進(jìn)/排風(fēng)口處均設(shè)置常閉的防火擋板,非能動(dòng)冷卻通道啟用時(shí),防火擋板失電開啟或手動(dòng)開啟。當(dāng)外部空氣環(huán)境存在放射性污染時(shí),非能動(dòng)冷卻通道為閉口運(yùn)行;當(dāng)外部空氣環(huán)境無放射性污染時(shí),非能動(dòng)冷卻通道為開口運(yùn)行。

圖2 非能動(dòng)冷卻通道設(shè)計(jì)方案示意圖

圖3 非能動(dòng)冷卻通道布置示意圖

采用這種設(shè)計(jì)方案是為了防止全廠斷電事故時(shí)存在放射性物質(zhì)或其他危險(xiǎn)性氣體的室外大氣污染廠房內(nèi)部空間。另外,按照NB/T 20395—2017的規(guī)定,異?；蚴鹿使r下,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度應(yīng)不高于35 ℃,因此在全廠斷電事故時(shí),若室外計(jì)算溫度高于35 ℃,則也不能直接與室外大氣連通。

當(dāng)全廠斷電事故發(fā)生后,手動(dòng)開啟或失電開啟通向內(nèi)區(qū)的上進(jìn)/排風(fēng)口,利用廠房內(nèi)區(qū)水平和豎直連通空間較低的溫度與主控室不斷升高的溫度產(chǎn)生的熱壓即可形成自然通風(fēng)冷卻條件。專設(shè)的水平和豎直連通空間由于內(nèi)部無負(fù)荷,并且處于內(nèi)區(qū),環(huán)境溫度與廠房設(shè)計(jì)環(huán)境溫度基本一致,夏季設(shè)計(jì)溫度一般控制在25～30 ℃,冬季設(shè)計(jì)溫度一般控制在5～15 ℃,同時(shí)由于混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱延遲性和蓄熱性,這些房間的空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)可作為熱容體,吸收主控室可居留區(qū)的設(shè)備散熱量。

在室外大氣無污染且溫度適宜的情況下,可開啟最上部進(jìn)/排風(fēng)口,利用大氣與室內(nèi)環(huán)境溫度差,實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)冷卻。

4 以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的主控室可居留性環(huán)境溫度分析

溫度是實(shí)現(xiàn)主控室可居留性的至關(guān)重要的因素。本文旨在通過建立數(shù)學(xué)模型確定實(shí)現(xiàn)其可行性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)對以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的主控室在全廠斷電事故后的環(huán)境溫度進(jìn)行分析,驗(yàn)證其可居留性。

根據(jù)式(1)～(5)得出數(shù)學(xué)模型(見式(6))。由式(6)可知,自然通風(fēng)的散熱能力主要取決于進(jìn)/排風(fēng)口的面積F、進(jìn)/排風(fēng)口高度差h、進(jìn)/排風(fēng)口空氣溫差Δt、主控室室內(nèi)外空氣密度差Δρ,以及非能動(dòng)冷卻通道的阻力Δpz。

(1)

(2)

Δpj=-h1(ρw-ρp)g

(3)

Δpp=h2(ρw-ρp)g

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中G為排出室內(nèi)余熱所需的空氣質(zhì)量流量,kg/s;Q為主控室的總余熱量,kW;c為空氣比熱容,kJ/(kg·℃),取1.01 kJ/(kg·℃);tp、tj分別為冷卻通道的排風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)溫度,℃;μ為風(fēng)口流量系數(shù),取0.7[7];Fj(p)為進(jìn)(排)風(fēng)口面積,m2;Δpj、Δpp分別為進(jìn)、排風(fēng)口余壓,Pa;ρj(p)為進(jìn)(排)風(fēng)密度,kg/m3;h1、h2分別為進(jìn)、排風(fēng)口中心距中和界高度差,m;ρw為主控室室外空氣密度,kg/m3;g為自由落體加速度,m/s2;S為非能動(dòng)冷卻通道阻抗,Pa/(m3/s)2;Δpr為熱壓,Pa。

在Q為定值的情況下,F、h、Δt、Δρ互為反比關(guān)系。其中,Δt的數(shù)值范圍直接決定了主控室的室內(nèi)環(huán)境溫度范圍,而F、h的取值范圍受建筑條件的制約。由式(6)可知,相對于h、Δρ,F、Δt的取值對于自然通風(fēng)冷卻能力的影響更大。因此如何確定合理可行的F、Δt,以保證在各種不利工況下保持主控室室內(nèi)環(huán)境溫度在一個(gè)理想的范圍內(nèi),是實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)冷卻的關(guān)鍵。

寬度一定時(shí),進(jìn)、排風(fēng)口面積越小,截面高度越小,要滿足余熱排出所需的溫差就越大,但較大的溫差可能導(dǎo)致主控室內(nèi)環(huán)境溫度超出限值。因此根據(jù)數(shù)學(xué)模型(見式(6))進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選,選擇1個(gè)較小的溫差,在滿足余熱排出要求的同時(shí),得到1個(gè)合理可行的風(fēng)口截面高度。

假定送風(fēng)口距離中和界的高度差為10.00 m,風(fēng)口寬度為9.35 m(主控室凈寬),根據(jù)式(2)計(jì)算進(jìn)風(fēng)口高度100～1 000 mm范圍內(nèi)、溫差1～10 ℃范圍內(nèi)的自然通風(fēng)量,與根據(jù)式(1)計(jì)算所得的通風(fēng)量相比較,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫差和不同風(fēng)口截面高度下的空氣流量

當(dāng)風(fēng)口截面高度等于600 mm時(shí),溫差Δt=3 ℃已滿足按負(fù)荷計(jì)算所要求的通風(fēng)量,但風(fēng)口截面高度繼續(xù)增大對溫差的影響不大,在風(fēng)口截面高度為700～1 000 mm時(shí),仍需溫差Δt>2 ℃才能滿足按負(fù)荷計(jì)算所要求的通風(fēng)量,況且風(fēng)口截面高度越大,對于結(jié)構(gòu)和密封防火要求帶來的挑戰(zhàn)越大,因此選取風(fēng)口截面高度600 mm為理想高度,溫差Δt控制在3 ℃。該分析結(jié)果同樣適用于排風(fēng)口高度的選取,因此本設(shè)計(jì)方案進(jìn)、排風(fēng)口截面高度均設(shè)定為600 mm,即F=5.61 m2。

在Δt=3 ℃、F=5.61 m2情況下,根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算得出進(jìn)風(fēng)口中心距中和界高度差所對應(yīng)的風(fēng)量,如圖5所示。

圖5 不同進(jìn)風(fēng)口中心與中和界高度差所對應(yīng)的風(fēng)量

在進(jìn)風(fēng)口中心距中和界高度差為8.8 m時(shí),通風(fēng)量為5.15 m3/s,與通過負(fù)荷計(jì)算所得風(fēng)量相對應(yīng)。設(shè)定進(jìn)、排風(fēng)口總面積相同,則進(jìn)、排風(fēng)口中心距可取為17.6 m,主控室所在廠房建筑可實(shí)現(xiàn)該排風(fēng)豎井高度,此時(shí)Δpr=2.1 Pa。根據(jù)阻力公式計(jì)算Δpz=1.5 Pa,滿足Δpr≥Δpz的要求。

主控室初始環(huán)境溫度為24 ℃,非能動(dòng)冷卻通道進(jìn)風(fēng)溫度按照廠房夏季設(shè)計(jì)溫度25 ℃考慮,在上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)下建立非能動(dòng)冷卻通道計(jì)算模型,同時(shí)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性和向外傳熱情況,計(jì)算核電站發(fā)生全廠斷電事故后主控室內(nèi)環(huán)境溫度變化,結(jié)果如圖6所示。在前24 h,室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升,24 h時(shí)溫度達(dá)到近27 ℃。在24～48 h之間,室內(nèi)環(huán)境溫度上升速率開始減慢。48 h后室內(nèi)環(huán)境溫度逐步趨近于28 ℃。到72 h后,室內(nèi)環(huán)境溫度基本維持在28 ℃,滿足主控室可居留性的要求?？梢?在進(jìn)風(fēng)溫度保持在25 ℃時(shí),通過非能動(dòng)冷卻通道可以實(shí)現(xiàn)主控室在全廠斷電及最終熱阱喪失事故工況下,依托非能動(dòng)冷卻通道形成的熱阱滿足主控室可居留性的溫度要求。

圖6 全廠斷電工況下以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的主控室內(nèi)環(huán)境溫度變化(進(jìn)風(fēng)溫度25 ℃工況)

非能動(dòng)冷卻通道開口或閉口運(yùn)行時(shí),鑒于室外環(huán)境溫度較高及非能動(dòng)冷卻通道冷卻能力有限等因素,當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度高于某個(gè)閾值后,非能動(dòng)冷卻通道功能將喪失。進(jìn)風(fēng)溫度為32 ℃時(shí)核電站發(fā)生全廠斷電事故后主控室內(nèi)環(huán)境溫度的變化如圖7所示。在前70 h,室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升,之后上升速率開始減慢,72 h時(shí)室內(nèi)環(huán)境溫度為34 ℃,到90 h后,室內(nèi)環(huán)境溫度基本維持在35 ℃,基本滿足主控室可居留性的溫度要求。

圖7 全廠斷電工況下以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的主控室內(nèi)環(huán)境溫度變化(進(jìn)風(fēng)溫度32 ℃工況)

當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度高于32 ℃時(shí),主控室內(nèi)環(huán)境溫度將超出標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,以非能動(dòng)冷卻通道為熱阱的設(shè)計(jì)方案需結(jié)合建筑布置,使非能動(dòng)冷卻通道的空氣在通道內(nèi)流動(dòng)過程中逐步降溫,使進(jìn)口溫度保持在不高于32 ℃的范圍,以滿足全廠斷電及最終熱阱喪失工況下的主控室可居留性溫度要求。

5 結(jié)論

本文研究的非能動(dòng)冷卻通道系統(tǒng)作為一種全新的主控室非能動(dòng)冷卻方式,在滿足全廠斷電及最終熱阱喪失工況下的主控室可居留性溫度要求的同時(shí),相對于其他非能動(dòng)冷卻方式,還具有以下優(yōu)勢:

1) 不用另外增設(shè)安全級設(shè)備,節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用和設(shè)備用房面積,減輕了運(yùn)維的負(fù)擔(dān)。

2) 可建立專設(shè)的非能動(dòng)冷卻空間,也可在保證與外界環(huán)境隔離的前提下利用現(xiàn)有建筑空間構(gòu)建非能動(dòng)冷卻通道,水平連通空間可采用處于內(nèi)區(qū)的通風(fēng)夾層、電纜夾層等,豎直連通空間可采用處于內(nèi)區(qū)的風(fēng)井、電纜豎井等。

3) 采用熱壓作為驅(qū)動(dòng)力,提高了冷卻能力的可靠性;采用排風(fēng)豎井提高了熱壓值,有效保障了冷卻通道內(nèi)部空氣的流動(dòng)。

4) 非能動(dòng)冷卻通道加大了空氣量,可以使主控室內(nèi)空氣中的二氧化碳濃度得到有效控制。

當(dāng)然,該設(shè)計(jì)方案還存在一些不足之處:

1) 為防止放射性物質(zhì)或其他有害氣體進(jìn)入主控室,非能動(dòng)冷卻通道所連通的空間區(qū)域必須避免上述氣體的滲入,對密封和輻射監(jiān)測提出了新的要求。

2) 進(jìn)口空氣溫度有限值,當(dāng)高于32 ℃時(shí),需關(guān)閉該系統(tǒng)。但考慮到主控室所在廠房夏季設(shè)計(jì)溫度為25～30 ℃,可通過加大非能動(dòng)冷卻通道熱阱的容量,增強(qiáng)非能動(dòng)冷卻通道作為熱阱的可靠性。