某核电站电气间的通风降温数值模拟分析

陈浩南 李百利

中国核电工程有限公司

0 引言

在核电站中，有许多的特殊房间，核电站的电气间可以将电能传送到保障核电站安全的设备或系统中，但其运行往往伴随着大量的余热产生，因此保障电气间处于一个可靠的工作环境十分重要。

本文将介绍核电站电气间的设计原则，并对全新风（新风未冷却处理）、室外新风蒸发冷却、室外新风加室内风循环冷却三种方案进行数值模拟计算，预测三种方案的降温效果，为核电站电气间的通风设计提供设计依据。

1 核电站厂房电气设备间的设计原则

1.1 换气次数要求

根据房间辐射分区[1]的不同，不同的核电站厂房房间需采用不同的换气次数（表1）：

表1 不同辐射分区的基本要求

1.2 温度设置

不同的工艺房间对室内环境要求也不相同，核电站厂房一些典型工艺房间的温度要求如下[2]：核取样间22～24 ℃；实验室18～25 ℃；硼酸罐和硼酸泵间22～35 ℃；浓缩液槽间25～40 ℃；电气间5～35 ℃。

1.3 负压控制

为了减少各工况下放射性气溶胶由厂房向外泄漏的风险，需保证厂房对外界维持一定的负压。核电站厂房通风系统主要以排风量略大于送风量的方法来维持厂房负压，根据厂房内各工艺房间的潜在放射性水平，保证其排风量与送风量的比值维持在1.05～1.1 之间，且潜在放射性水平越高的房间该比例也越高。

2 建立计算模型

2.1 物理模型的建立

本文主要研究对象为某核电站的电气间，该电气间的结构为：长12 m，宽8.6 m，高4.0 m。电气间布置了两个电气设备，大小分别为7 m×0.65 m×2.2 m 和2.2 m×1.45 m×2.2 m，在房间北侧据地板H=3.2 m 处，布置了电缆托盘，电缆托盘的宽度是0.6 m。该电气间所处辐射分区为绿区。厂房物理模型如图1 所示。

图1 电气间物理模型

在不影响模拟结果的情况下，建模之前需要对电气间的物理模型进行简化处理。本研究在建模前做出以下假设[3]：

1）电气间的电气设备和电缆为主要散热设备，电气设备和电缆的散热量见表2。

表2 电气间主要散热量信息

2）电气间的电缆简化成2 个长方体，电气间的设备除地面外五个面均匀散热，电缆六个面均匀散热。

3）室内空气为低速不可压缩气体，且符合Boussinesq 假设。

4）电气间散湿量极小，可忽略。

5）忽略了能量方程中，由于黏性作用引起的能量耗散。

2.2 数学模型及边界条件设定

考虑到计算精度及使用范围，湍流模型选用标准k-ε模型。并运用有限容积法和压强速度耦合算法中SIMPLEC 算法对控制方程进行离散和求解。

各边界条件设置情况：将散热设备表面设定为热流密度边界条件，将其余的壁面及地面设定为绝热壁面。送/排风口设置为速度入口边界条件。同时为了保证风平衡，设置一小的缝隙作为自然进出口。

2.3 计算网格划分

本次模拟采用非均匀网格划分方法，计算域中有些区域物理量变化较大，如送风口、边壁等，在这些区域网格画的密一些，其他区域，节点间距大一些，采用这种非均匀网格划分方法，可以节省计算机计算时间，并集中计算能力对需着重研究的位置进行计算。

针对本模型，各方向上需要保证各边界处与网格线重合，例如设备边界、风口边界等。在靠近边壁和风口处加密，每个风口划分相同网格数。网格单元最大x，y，z 尺寸最大分别为0.1 m，0.1 m，0.1 m。

3 方案设计

3.1 全新风（新风未冷却处理）通风方式

采用机械进风机械排风的全新风（新风未冷却处理）通风方式即方案一，通风量计算公式为[4]：

式中：L为消除余热所需通风量，m3/h；Q为余热量，kW；c为空气的比热容，其值为1.01 kJ/(kg·℃)；ρ为进入的空气密度，kg/m3；Δt为送排风温差，℃，1.1 是送风取10%余量。

电气间设计温度要求不超过35 ℃，工况一送排风温差取5 ℃。工况一送风口设置于西侧内墙，共6 个，每个风口尺寸为400 mm×400 mm，风口中心距地面1.0 m，每个风口距离0.8 m，排风口设置于上部内墙，共6 个，每个风口尺寸为400 mm×400 mm，风口中心距地面4.0 m，每个风口距离1.2 m。

3.2 室外新风蒸发冷却通风方式

采用室外新风蒸发冷却的通风方式即方案二，室外新风先经过新风空调机组进行冷却降温处理，新风被处理至20 ℃，相对湿度95%时的机器露点状态，然后由风机送入电气间内。通风量按式（1）计算，送排风温差取15 ℃，送排风口大小及布置方式同方案一。

3.3 室外新风加室内风循环冷却

采用室外新风加室内风循环冷却的通风方式即方案三。室内空气进行等湿冷却处理，相对湿度降至95%后送入室内。由于辐射防护的要求，该房间必须进行新风通风换气，且换气次数不小于1 次。因此室外新风量按1 次换气次数经净化过滤后直接送入室内。由于室外新风温度较高，且风量较小，因此室内循环冷却风量仍按式（1）计算。送排风温差取10 ℃，送排风口大小及布置方式同方案一。

4 计算结果及分析

4.1 三种方案水平截面温度对比

三种方案Z=1.5 m 处的截面温度场见图2。图2（a）截面的平均温度为32.2 ℃，满足基本设计要求。但电缆与电气设备之间的区域温度超过35 ℃，所以方案一的工作区热环境不利于人员操作。图2（b）截面的最高温度为35.7 ℃，该截面的平均温度为26.6 ℃，远低于设计温度35 ℃。整个截面温度分布较均匀，在两发热体之间的区域平均温度仅有28 ℃，比起方案一截面温度下降明显，满足设计要求。图2（c）截面的最高温度为35.7 ℃。该截面的平均温度为28.3 ℃，低于设计温度35 ℃。整个截面温度分布较均匀，在两发热体之间的区域平均温度约30 ℃，比起方案一截面温度下降较多，满足设计要求。

图2 三种方案Z=1.5 截面温度场

三种方案水平截面平均温度随高度变化见图3。其中人员工作区主要位于高度2 m 以下位置，电气间内设备及电缆所在区域主要位于高度3.5 m 以下位置。如图可知，方案一高度3.5 m 以下的各水平截面的平均温度均低于33.1 ℃，满足设备运行所需环境平均温度，人员工作区各截面的平均温度在32.5 ℃以下。方案二高度3.5 m 以下各水平截面平均温度低于31.8 ℃，与方案一对应截面平均温度相比，降幅在1.3～7.4 ℃，且人员工作区各截面平均温度在29.1 ℃左右，满足人员工作区平均温度要求。方案三高度3.5 m以下各水平截面平均温度低于32.3 ℃，与方案一对应截面平均温度相比，降幅在0.8～4.2 ℃。且人员工作区各截面平均温度在29.3 ℃左右，满足人员工作区平均温度要求。由此可见，方案二降温效果更加明显，但方案一人员工作区温度分布更加均匀，方案二温度分布差异最大，方案三次之。

图3 三种方案水平截面随高度变化的平均温度

4.2 三种方案竖直截面对比

三种方案Y=6.0 m 的温度分布如图4 所示。从（a）～（c）可以看出，沿送风方向，随着距离的不断增加，送风气流边界与周边的空气不断在动量及质量上进行交换，射流流量不断增大，射流温度不断增加。同时受电气设备表面的阻挡，致使电气设备的顶部及后侧部分区域只有较少温度相对较低的气流经过，导致电气设备顶部及后侧温度较高。方案一电气设备上部及尾部区域表面温度超过35 ℃，不满足设备运行环境温度。方案二和方案三电气设备尾部区域表面温度低于35 ℃，上部存在极小部分区域超过35 ℃。

图4 三种方案Y=6.0 m 温度场

4.3 通风量、工作区平均温度与冷量对比分析

图5 为三个方案的风量、工作区平均温度、冷量情况对比。方案一的房间送风量是12000 m3/h，由于未对室外新风进行空气处理，因此机组冷负荷为0 kW，房间平均温度33.2 ℃。方案二的房间送风量是3920 m3/h，机组所需冷负荷为37.9kW，房间平均温度29.1 ℃，与方案一相比，风量减少67%，机组冷量增加37.9 kW。方案三的房间送风量是5920 m3/h，机组所需冷负荷为19.8 kW，房间平均温度30.7 ℃，与方案一相比，风量减少51%，机组冷量增加19.8 kW，与方案二相比，风量增加51%，机组冷量减少18.1 kW。

图5 三种方案送风量/机组冷量/房间平均温度对比图

采用全新风（新风未冷却处理）的通风方式通风量大，降温效果有限，夏季炎热工况时，电气设备上部及尾部温度过高，不能完全满足电气间温度要求。采用室外新风蒸发冷却通风的方式可有效降低人员工作区平均温度，能够满足房间的要求，取得良好的通风降温效果，同时可减少送排风量，但空调机组所需冷负荷较大，这主要是因为新风空调机组处理了大量的室外新风湿负荷，而电气间湿负荷极小，因此冷负荷有较大的浪费。采用室外新风加室内风循环冷却的通风方式，新风对电气间进行通风换气，满足辐射防护要求，循环冷却机组对室内风进行循环冷却，带走室内余热。由于使用等湿冷却，只处理了电气间的显热，因此循环冷却机组冷量需求小，虽然风量较方案二有增加，但对比方案一，房间送风量减少51%，相比方案二，冷量需求减少了37.7%。

5 结论

本文以核电站的电气间通风设计为例，介绍了核电站电气间的设计原则，并结合了项目地点的气象参数条件，设计了全新风（新风未冷却处理）、室外新风冷却、室外新风加室内风循环冷却三种技术方案，并用CFD 模拟研究了三种通风方式对电气间温度的影响，结果表明：

1）采用全新风（新风未冷却处理）方案，新风需求量巨大，造成送风机的能耗增大，且降温效果有限。虽然房间平均温度为33.2 ℃，但在电气设备和电缆之间的工作区域，电气设备上部和尾部温度超过35 ℃，不满足人员和设备需求。从Z=0.5 m 至Z=4.0 m，截面平均温度仅增加1.6 ℃，房间整体温度分布均匀。

2）与全新风（新风未冷却处理）方案相比，采用室外新风冷却的方案，空调冷负荷增加37.9 kW，风量减少67%，房间平均温度减小4.1 ℃。与方案一相比，方案二降温效果显著。但由于新风空调机组处理了大量的室外新风湿负荷，而电气间湿负荷极小，因此冷负荷有较大的浪费。从Z=0.5 m 至Z=4.0 m，截面平均温度仅增加7.8 ℃，房间温度分层现象较为严重。

3）与全新风（新风未冷却处理）方案相比，采用室外新风加室内风循环冷却的通风方式，空调冷负荷增加19.8 kW，风量减少51%，房间平均温度减小3.5 ℃。而且由于循环冷却机组只处理了电气间的显热，因此循环冷却机组冷量需求较方案二减少37.7%。从Z=0.5 m 至Z=4.0 m，截面平均温度仅增加5.3 ℃，房间温度分布较均匀。因此在进行核电站的电气间通风设计时，应在满足辐射防护的要求下，尽量直接对电气间进行循环冷却降温，这样不仅可以减少送风量，也可减小机组冷负荷。