核电厂SBO工况对DCS机柜散热量的影响分析

付文韬，崔明路，徐思敏，廖圣勇

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

根据对现有核电厂项目DCS机柜研究发现，机柜散热量作为机柜房间内通风系统设计的关键要素，不仅关系到通风系统风机风量大小及风管直径的选择，也会严重影响机柜正常的运行状态。经过调研与分析，发现现阶段各核电厂存在DCS机柜散热量设计需求数据较大，裕量较高，设计偏保守的情况[1]，不仅提高了各专业系统设计的复杂度与难度，也在一定程度上提高了设备制造以及电厂的经济性。因此，为保证核电厂DCS系统的正常运转以及电厂的稳定运行，机柜散热量的研究至关重要。

SBO工况是在核电厂各类运行工况条件下，最直接影响DCS系统运行状态的一种典型工况条件[2]。本文的主要目的是通过研究核电厂SBO工况与DCS机柜运行状态的关系，来判断影响机柜散热量的关键因素。首先，对测试方法进行介绍，通过采用模拟机仿真技术，模拟核电站工况环境；同时，观测该工况环境下各类执行机构的动作状态，判断需要在工况下运行的设备种类、数量及其所在房间与机柜；最后，通过仿真结果分析说明工况环境对于机柜散热量影响的因素与来源。

1 测试流程

1）测试目的

以模拟机平台模拟核电厂工况环境为基础，通过观测该工况条件下设备的动作，从而判断工况研究的可行性及优化方向。

2）测试范围

在实际项目中，散热量的需求计算主要以房间为单位。因此，为了更好判断工况对于DCS机柜用电量和散热量的影响，选取部分房间内机柜进行观测。本次测试，主要以某参考电站为样本，选取房间1，2，3，4，5内的所有机柜设备为观测对象。此外，根据DCS设计特点，分别筛选出如下类别的设备，主要包括：①电磁阀；②泵；③风机。

通过模拟机监测这3类设备的动作状态，从而判断其所在机柜是否需要某一工况下带电。

3）测试工具：模拟机。

4）测试工况：SBO工况。

5）测试方法

主要的测试流程是：先将模拟机按照核电厂满功率时的状态进行仿真；其次，存储提前选取的设备，并记录满功率时设备的状态；接着通过插入失电故障，模拟SBO工况环境；此时，存储选取设备当前时刻的状态；最后，再将初始状态和失电后设备状态的数据通过验证平台导出，得到相关数据结果。

2 测试结果

此次，模拟仿真的工况环境是以SBO工况条件为基础，进行全范围模拟事故环境。在整个事故工况环境下，观测相关设备的动作及状态。在整个观测的过程中，主要将设备分成4种状态：满功率开状态、满功率关状态、SBO后开状态、SBO后关状态。

根据表1所示的观测结果，按房间分类，可以得到：

表1 SBO工况环境下模拟仿真结果统计表Table 1 Statistical table of simulation results under SBO operating conditions

1）房间1

根据表1-房间1结果所示，在功率运行过程中，房间1机柜涉及共有156个设备，其中排除27个无法验证的设备之外，共有30个设备处在开状态，92个设备处在关状态。当发生SBO工况后，共有7个设备触发关动作，3个设备触发开动作，还有20个设备需要保持在开状态。根据这一变化，可以初步判断：在SBO工况条件下，有30个设备需要动作或保持状态，也意味着相关的机柜需要处于带电状态，方能保证设备的需要。

2）房间2

根据表1-房间2结果所示，在功率运行过程中，房间2机柜涉及共有151个设备，其中排除27个无法验证的设备之外，共有52个设备处在开状态，70个设备处在关状态。当发生SBO工况后，共有9个设备触发关动作，4个设备触发开动作，还有43个设备需要保持在开状态。根据这一变化，可以初步判断：在SBO工况条件下，有56个设备需要动作或保持状态，也意味着相关的机柜需要处于带电状态，方能保证设备的需要。

3）房间3

根据表1-房间3结果所示，在功率运行过程中，房间3机柜涉及共有229个设备，其中排除7个无法验证的设备之外，共有97个设备处在开状态，110个设备处在关状态。当发生SBO工况后，共有21个设备触发关动作，40个设备触发开动作，还有76个设备需要保持在开状态。根据这一变化，可以初步判断：在SBO工况条件下，有137个设备需要动作或保持状态，也意味着相关的机柜需要处于带电状态，方能保证设备的需要。

4）房间4

根据表1-房间4结果所示，在功率运行过程中，房间4机柜涉及共有232个设备，其中排除7个无法验证的设备之外，共有47个设备处在开状态，173个设备处在关状态。当发生SBO工况后，共有6个设备触发关动作，16个设备触发开动作，还有38个设备需要保持在开状态。根据这一变化，可以初步判断：在SBO工况条件下，有60个设备需要动作或保持状态，也意味着相关的机柜需要处于带电状态，方能保证设备的需要。

5）房间5

根据表1-房间5结果所示，在功率运行过程中，房间5机柜涉及共有107个设备，其中排除5个无法验证的设备之外，共有27个设备处在开状态，75个设备处在关状态。当发生SBO工况后，共有1个设备触发关动作，0个设备触发开动作，还有26个设备需要保持在开状态。根据这一变化，可以初步判断：在SBO工况条件下，有27个设备需要动作或保持状态，也意味着相关的机柜需要处于带电状态，方能保证设备的需要。

3 影响分析

根据上述内容，归纳总结后，可以得到如下观测结果：

房间1：机柜涉及共有156个设备，在SBO工况条件，30个设备用电。

房间2：机柜涉及共有151个设备，在SBO工况条件，56个设备用电。

房间3：机柜涉及共有229个设备，在SBO工况条件，137个设备用电。

房间4：机柜涉及共有231个设备，在SBO工况条件，60个设备用电。

房间5：机柜涉及共有106个设备，在SBO工况条件，27个设备用电。

由于涉及到的房间、机柜、设备众多，因而以房间1和房间4为例，分别进行举例分析说明。

在房间1中，共有15台控制柜。当发生SBO工况条件后，其中30个需要运行的设备分布于8台控制柜中。其中，503号机柜中6个设备，505号机柜中3个设备，507号机柜中1个设备，509号机柜中6个设备，513号机柜中1个设备，517号机柜中2个设备，519号机柜中6个设备，521号机柜中5个设备。

在房间4中，共有12台控制柜。当发生SBO工况条件后，其中需要运行的60个设备分布于10台控制柜中。其中，523号机柜中3个设备，525号机柜中2个设备，527号机柜中5个设备，529机柜中12个设备，533号机柜中8个设备，535号机柜中1个设备，537号机柜中1个设备，539号机柜中3个设备，541号机柜中5个设备，543号机柜中20个设备。

从数据中可以发现，在SBO工况条件下，房间1中有7台机柜、房间4中有2台机柜不参与电厂的运行过程。房间1中，需要运行最多设备的机柜为503号机柜、509号机柜、519号机柜，均有6个设备，而只需要1个设备的机柜为507号机柜、513号机柜；房间4中，需要运行最多设备的机柜为543号机柜，有20个设备，而只需要1个设备的机柜为535号机柜、537号机柜。可以发现虽然不同机柜所带设备的数量不同，但对于机柜来说，只要供电就会产生散热量。因此，在SBO工况下带电机柜数量越多，产生的散热量则越大，对前期系统设计的要求也就越高。基于此，在满足设计要求及可行性的基础上，通过对工况设备的研究来进行机柜的设计及优化改造，尽可能减少特殊工况条件下运行机柜的数量。

4 结论

综合来说，通过对SBO工况的模拟，可以确认的是：当SBO工况发生后，仅存在部分设备需要动作。因此，对于DCS机柜来说，仅需要保证这些动作设备所涉及的机柜处于带电状态，即可满足电厂的运行要求。通过梳理这些机柜，一方面能够极大地优化并降低其房间的散热量，另一方面也能够科学地开展对散热量数据的研究。

然而，由于核电厂工况环境复杂，种类众多，不同种类的堆型发生的工况环境也不尽相同。如果对所有工况条件都进行研究，工作量不仅相当大，而且对于机柜设计也无法达到最优的设计状态。因此，基于这一问题，需要结合上下游专业的分析及其侧重点，具有针对性地进行工况分析，从而进行科学合理的机柜功能分配，来保证在异常工况下，上下游专业的相关设备都能正常可靠地运行。

虽然现阶段仅仅研究了SBO工况条件下机柜、设备的运行情况，但凭借本文分析可以发现，工况的研究对未来DCS机柜的设计与优化是具有较强的指导作用。一方面，可以合理优化机柜的资源配置；另一方面，可以在一定程度上减少散热量的产生。因此，在后续的各项目设计工作中，尽可能多地从工况环境的角度考虑问题，不仅有利于设计工作的全面性，也可以提升整个系统，甚至是整个电厂的科学性及合理性。