基于相变蓄冷的核电厂主控室非能动冷却系统

赵 丹 林宇清 吕胡人

(上海核工程研究设计院股份有限公司,上海)

0 引言

现有核电厂主控室正常运行情况下均采用能动式空调系统来提供主控室内人员及设备适宜的温度,而在事故或全厂断电的紧急情况下,由于能动空调系统功能丧失,房间温度会不断上升,温度会迅速突破主控室内人员和设备可居留温度极限,进而可能导致主控室人员失去干预电厂事故发展的能力。因此,事故或丧失电源情况下的主控室冷却系统必不可少[1-3]。

非能动技术是国和一号等三代非能动压水堆核电站的最显著特征,可显著提升核电站的安全性。在三代非能动压水堆核电站主控室设计中,也利用非能动技术保证事故后无电源情况下主控室人员的可居留性。非能动应急可居留系统(VES)为控制电厂的操纵员提供一个防护的环境。该系统设计为在设计基准事故或由于丧失所有AC(交流)电源导致核岛非放射性通风系统(VBS)不可用后运行。目前非能动核电厂设计基准事故工况下,主控室维持可居留环境温度的时间按照3 d进行设计,以支持72 h内无需人员干预进行安全停堆[4]。

现有主控室非能动应急可居留系统的温度控制主要依靠非能动热阱进行冷却,其主要实现方式是通过混凝土墙及混凝土天花板预埋金属肋片等围护结构作为蓄冷热容载体,通过在天花板设置金属肋片提高其蓄冷和释冷能力。在事故工况下,积蓄在以上围护结构的冷量就会不断释放出来,进而阻碍主控室温度快速上升,实现控制室环境温度长时间维持在可居留温度上。

经三门、海阳非能动压水堆核电站运行经验反馈,现有的主控室非能动应急可居留系统的温度控制方案还存在以下不足:1) 在事故工况下,为了控制主控室边界内部设备散热,需要关闭显示屏幕,一定程度上削弱了电厂监控能力;2) 在事故工况下,维持可居留环境温度的时间仅为3 d,时间余量偏小;3) 正常工况下主控室体感温度偏低,操作员舒适性有待进一步提升。

提升现有主控室非能动热阱能力或蓄冷能力最简单直接的方法就是降低热阱的初始设置温度,即降低主控室正常运行工况下的房间温度,这样可实现主控室在事故工况下维持可居留环境温度时间超过72 h,但由此带来的问题是主控室正常运行时环境温度过低,导致主控室操作员体感温度偏低,操作员热舒适性变差。另一种增加蓄冷能力的方法是通过增加围护结构的质量来增加热容,但该方法由于混凝土的导热系数低,无法通过增加金属肋片来提高热阱能力,即无法实现冷量的及时释放,进而无法实现对主控室温度的控制,另外该方法也带来了建筑结构强度的问题。

为了克服现有主控室非能动应急可居留系统的温度控制方案的不足,需要提出一种新的主控室非能动冷却方案,该方案需要满足在提升主控室蓄冷能力的同时,保证主控室人员的舒适性要求。

1 现有非能动技术方案分析

通过对现有文献和专利检索,发现有2个相关专利,即一种非能动通风冷却系统[5]和一种核电厂用末端被动式冷梁装置[6]。

一种非能动通风冷却系统包括管道组件、换热组件、压缩空气供气口。管道组件包括供气管道,供气管道用于向主控室提供压缩气体。换热组件包括蓄冷箱、热管、冷却器。冷却器设于供气管道上;蓄冷箱用于提供冷源,蓄冷箱与冷却器连接传热,蓄冷箱内部冷源产生的冷量通过热管传递至冷却器内,从压缩空气供气口进入供气管道的压缩空气在冷却器内与热管的蒸发段换热,从而将降温后的压缩空气输送至主控室。该非能动通风冷却系统无需能源供应,能自动在核污染事故下或核电厂停电状况下维持对主控室供气。其系统结构如图1所示[5]。

图1 非能动通风冷却系统示意图

在一种核电厂用末端被动式冷梁装置发明专利中,包括设置在安全级重要房间顶部的箱体,箱体设有若干个非能动的冷却器,安全级重要房间的内部空气形成的室内回风进入箱体,被冷却器冷却为冷梁送风后从箱体流入安全级重要房间内,冷梁送风和室内回风能够形成自然对流循环。该发明在全厂断电工况下,可实现室内的非能动气流组织功能,保证室内空气循环,实现安全级重要房间的冷却功能,提高系统可靠性和核电站固有安全性。其系统结构如图2所示[6]。

图2 核电厂用末端被动式冷梁装置示意图

以上专利中的非能动热阱易受振动、腐蚀等造成损坏、泄漏,且热管易破坏天花板强度,例如现有的非能动通风冷却系统,在其换热组件中,利用热管将蓄冷箱中冷量输入到冷却器中,实现对主控室的非能动冷却,但组件中采用的热管存在振动、腐蚀等导致管壁破裂泄漏的风险,进而导致冷却功能失效;同时,热管贯穿混凝土天花板也会存在导致天花板强度降低的风险;又由于喷射的压缩空气流量受限和出风口位置受限,主控室的冷却效果和操作人员的舒适性也很难保证。此外,核电厂用末端被动式冷梁装置,其冷却器和管道也存在振动、腐蚀等导致管壁破裂泄漏的风险,进而导致冷却功能失效;同时,管道贯穿混凝土天花板也带来了天花板强度降低的风险。

2 基于相变蓄冷的非能动冷却系统

核电厂主控室非能动冷却系统要求可以实现在无电源条件下主控室环境温度可居留性(低于35 ℃)维持3 d以上,装置启动无需人工干预,并保证足够可居留时间的安全余量、主控室操作人员的绝对安全,满足防火、抗震、无泄漏安全要求。在设计寿命和可靠性上,与核电厂60年设计寿命相匹配。

本文提出的非能动冷却系统包括抗震支架和相变蓄能模块,相变蓄能模块为细长板形状;非能动冷却装置布置在天花板和吊顶之间、内墙面及贴敷于地板下,以及应急可居留系统回风道内壁。

在正常工作期间,VBS为主控室房间提供冷量,非能动冷却装置的蓄冷模块通过自然对流换热形式从房间空气中吸收冷量并存储在蓄冷模块中,在应急失电工况下,非能动冷却装置的蓄冷模块通过自然对流换热形式向主控室房间释放冷量,进而实现应急工况下冷却主控室的功能。而布置于主控室应急可居留系统回风道的非能动冷却装置,则通过强制对流将回流空气冷却,进而将冷量输送到房间内。

相变蓄能模块内部为定形相变材料,包括利用树脂材料将石蜡材料分散封闭形成的定形材料或利用石墨将石蜡材料分散封闭形成的定形材料,同时相变蓄能模块外部采用钢板等金属材料,将定形相变材料封装,进而保证蓄冷模块的强度和抗震性;相变蓄能模块尺寸和布置需要综合考虑传热面积、天花板安全承重限制、经济性、人员舒适性、温度场均匀性,实现尺寸和布置方式的最优化。

布置于天花板和吊顶之间的非能动冷却装置,优选竖直布置,进而增加释冷面积和释冷能力,冷却装置间距可根据下方负荷强弱调节,在负荷较大和人员密集区密集布置冷却装置,进而实现人员的舒适性和温度场的均匀性。吊顶应为镂空设计,保证非能动冷却装置与房间空气充分自然对流,使蓄冷和释冷过程顺利进行。

布置于墙面和地板的非能动冷却装置,可根据周围负荷调整布置面积和相变材料厚度,综合平衡舒适性、温度场均匀性、经济性等因素,达到综合效果最优。

布置于主控室应急可居留系统回风道的非能动冷却装置,可分层布置,具体布置尺寸和面积可综合考虑换热面积、回风道结构强度、回风道阻力损失等因素,达到综合效果最优。

所有的非能动冷却装置均需抗震支架支撑,同时其中的相变蓄能模块可方便拆卸替换,因而可实现非能动冷却装置服务于整个核电厂设计寿命周期。详细的设计方案结构见图3、4。

图3 主控室基于相变蓄冷应急非能动冷却系统结构示意图

图4 基于相变蓄冷的主控室循环风道结构示意图

3 基于相变蓄冷的非能动冷却系统的技术要求

基于相变蓄冷的非能动热阱技术方案中,非能动冷却装置由抗震支架和安装在抗震支架上的可拆卸相变蓄能模块组成。其中,相变蓄能模块由外壳及设置在外壳内的定形相变材料组成。

相变蓄能模块需采用无泄漏的定形相变材料,可切割加工、无泄漏、不变形、循环稳定性好,无过冷及析出现象、环境友好、使用寿命长、耐火不可燃,无火灾风险,避免了泄漏和变形风险,使整个蓄冷和释冷过程安全可靠。

相变材料的选取需要满足如下要求:相变温度与主控室温度相匹配,相变潜热大,化学稳定性好,耐循环,传热性能好,无毒、无味,无泄漏,无过冷和相分离现象,防火、抗震等。

所有的非能动冷却装置均需要抗震支架支撑,抗震支架可采用角钢、槽钢、工字钢或方钢组成。支架与蓄冷相变模块的框架采用高强度螺栓连接,支架与混凝土的预埋板采用焊接或螺栓连接。其中相变蓄能模块可方便拆卸替换,因而可实现非能动冷却装置服务于整个核电厂设计寿命周期。

4 基于相变蓄冷的非能动冷却系统实施方案

在正常运行工况下,非能动冷却装置经历蓄冷过程,从核岛VBS输出的冷空气通过自然对流冷却相变蓄能模块,相变蓄能模块吸收冷量,其中封装在颗粒胶囊内的相变材料受冷变为固体。在应急失电或热负荷突然增加时,非能动冷却装置经历释冷过程,模块中封装在颗粒胶囊内的相变材料受热变为液体,过程中释放冷量,通过自然对流和辐射换热将模块周围的空气冷却,冷却后的冷空气由于重力作用下沉,将冷量传送到操作人员和发热电器设备,被加热的空气再因浮力作用上升,上升到非能动冷却装置周围后再被冷却,进而形成自然循环,实现整个房间温度稳定,避免空气温度过快上升,进而可长时间维持主控室可居留的热环境。

布置于墙面和地板的非能动冷却装置,在应急失电或热负荷突然增加时,相变蓄能模块经历释冷过程,模块中封装在颗粒胶囊内的相变材料受热变为液体,过程中释放冷量,通过自然对流和辐射换热将模块周围空气冷却,冷却后的冷空气传送到操作人员和发热电器设备处,被加热的空气在非能动冷却装置周围再被冷却,进而形成自然循环,实现整个房间温度稳定,并保证了正常工况下操作人员的热舒适性。

在正常工况下,布置于主控室应急可居留系统回风道的非能动冷却装置通过自然对流吸收房间空气中的冷量并将冷量存储在相变蓄能模块中。在应急失电工况下,应急可居留系统启动,喷射器启动,使回风道由于引流作用吸入主控室空气并通过消声器,随后吸入空气与喷射空气混合一起经过消声器和过滤器,最终通过排风道排入主控室环境中,进而形成主控室空气循环。

5 结论

本文提出的基于相变蓄冷的核电厂主控室非能动冷却系统存在以下优势:

1) 蓄冷相变模块采用的定形相变材料,可切割加工、无泄漏、不变形、循环稳定性好,无过冷及析出现象、环境友好、使用寿命长、耐火不可燃,无火灾风险。避免了泄漏和变形风险,使整个蓄冷和释冷过程安全可靠。

2) 结构简单,占用空间小,无需引入额外冷源和管道,不依托任何系统,无振动导致功能失效的风险,每个非能动冷却装置相互独立,彼此无影响,即使其中一个装置失效,其他装置还可以正常工作,系统可靠性高。

3) 不仅可用于新建核电厂主控室,也可用于既有核电厂主控室改造,无需对现有墙体破坏和贯穿,也不需要改变已有电路、水路、风路设计。

4) 可灵活布置,不受房间内其他设备空间和管道空间限制,同时保证操作人员的舒适性和房间内空气温度的均匀性,可做到按需布置,在大负荷电器周围增加布置面积,在小负荷和无负荷区域减少和不布置冷却模块。同时,布置面积和蓄冷模块厚度也可以按需设置,进而实现精确控温。

5) 蓄冷相变模块需要的体积小,占用空间小,蓄冷能力是同体积混凝土的9倍以上。

6) 非能动冷却装置可实现房间温度波动小、受负荷变化影响小,提高房间内操作人员舒适性。非能动冷却装置增大了主控室围护结构的比热容,进而使主控室温度抗干扰能力增强,在外界环境温度或负荷剧烈变化时,可以保证主控室温度波动小,同时也保证了主控室温度均匀性,降低了竖直和水平方向的温差,提高了操作人员的热舒适性。

7) 非能动冷却装置无任何运动部件,也没有液体流动,进而实现了整个装置不产生任何噪声,同时也不存在磨损和泄漏问题,保证了装置的可靠性和寿命。

本文提出的基于相变蓄冷的核电厂主控室非能动冷却系统还需要进一步通过实验验证,用于评估该方案的可靠性、安全性,以及工程可行性。