以非能动冷却通道为热阱的主控室可居留性系统研究*

何 磊 张艳芝 李 林 李爱娟

(中核能源科技有限公司,北京)

0 引言

核电站主控室可居留性是指在正常和事故工况下均能为主控室应急区域工作人员配备或提供可居留的生活及工作环境,保持核电站正常运行的受控、异常情况的安全停堆,以避免或减缓各类事故造成的影响。主控室可居留性系统包括通风、空调、过滤、隔离和监测系统及生活物资、卫生设施和药品配备系统[1]。之前的主控室可居留性系统设计,通过冗余设计和实体或功能隔离确保空调通风系统在事故后运行的可靠性,但日本福岛核电站事故(极端灾害天气造成的全厂断电和最终热阱丧失)使全球的核电设计者认识到只靠能动设备的冗余设计无法保证核电站的安全。而采用非能动的冷却方式则可以提高主控室最终热阱的可靠性和稳定性,以保证主控室的可居留性。

1 主控室非能动冷却方式研究现状

主控室非能动冷却方式已经在一些核电站应用,例如AP1000核电技术,其主控制室应急可居留系统(VES)采用混凝土墙体和带金属肋片的混凝土天花板作为非能动热阱,同时利用气体膨胀吸热和密度差等实现非能动冷却功能[2]。

研究人员对以钢筋混凝土墙体为非能动热阱吸收全厂断电事故后设备散热量的可行性进行了分析和研究,证明了混凝土围护结构墙体依托其自身蓄热能力,可满足主控室可居留性要求[3-4]。

非能动冰蓄冷技术在主控室可居留性应用方面也得到了一些研究和论证[5]。该技术依托蓄冰池为非能动热阱,全厂断电事故发生后,由冷却水依靠重力作用流至蓄冰池,然后流向主控室换热器进行换热降温。

另外,有技术人员对节流制冷和膨胀制冷进行了分析,即利用高压空气作为冷却剂经节流或膨胀产生冷效应,从而起到制冷效果,对主控室进行非能动冷却[6]。

上述非能动冷却方式在功能上均能实现全厂断电事故后的主控室的可居留性,但同时也均存在一些不足。上述各非能动冷却方式采用的高压空气储存系统、制冰蓄冰系统及节流或膨胀设备均应为安全级设备,增加了工程成本,也对日后运行和维护带来一定的压力。而对于以围护结构为非能动热阱的方式,对主控室钢筋混凝土容量有一定的要求,同时也不能作为长期热阱,若设备散热量较大,可能会出现室内环境温度超出标准要求的情况。

研发一种更加安全、可靠、经济成本尽量低的主控室非能动冷却系统是目前核电技术发展的目标之一。本文阐述的以非能动冷却通道为热阱的方式,依托自然通风原理,可安全、可靠地将主控室余热排出,能以较小的工程成本实现主控室全厂断电后的可居留性。

2 非能动冷却通道作用机理

核电站发生全厂断电事故后,主控室通风空调系统无法运行。为了保证安全停堆,部分电气、仪控及照明设备需要依托UPS(不间断电源)继续运行。随着设备散热量的累积,室内环境温度不断上升。当室内环境温度超出限值时,主控室可居留性就会被破坏。

本文以某核电站主控室为研究对象。该主控室长18.10 m、宽9.35 m、高4.90 m,散热量主要包括设备散热量15.0 kW、人体散热量1.5 kW、照明散热量2.0 kW。忽略围护结构热延迟性、其他冷负荷及非能动冷却量的影响,计算核电站发生全厂断电事故后主控室内环境温度变化趋势,结果如图1所示。由图1可知,初始温度24 ℃,经过48 h后,室内环境温度达到31 ℃,经过72 h后,室内环境温度已超过35 ℃,影响了工作人员和一些安全级电气设备的工作和运行。若电力或冷源未能在72 h内恢复,120 h后,温度将升至近42 ℃,人员和设备均无法正常工作和运行。

图1 主控室失电失冷事故工况下室内环境温度变化

非能动冷却通道的作用机理是基于“烟囱效应”,依靠主控室室内外空气密度差形成的热压作用进行自然通风,使主控室内设备的散热量排至室外。为了防止外界存在放射性物质或危害性气体的空气对主控室的环境造成影响,非能动冷却通道采用主控室所在的厂房(白区)所构成的空气域为热阱。

核电站发生全厂断电事故后,主控室设备散热量会逐步加热内部环境空气。当内部环境温度高于主控室外环境温度时,就会形成空气密度差。当进、排风口有高度差时,就会形成热压压头,成为自然通风的驱动力。

3 非能动冷却通道设计方案

图2为非能动冷却通道设计方案示意图。非能动冷却通道系统包括主控室、排风竖井、水平连通空间、竖直连通空间(高大空间)、各风口及风口处的防火挡板。水平和竖直连通空间可以采用专设通道,也可采用能够保证密封性的风井等,与其他房间和区域隔离,确保非能动冷却通道与外部区域隔离,防止放射性物质渗入主控室可居留区域。图3为非能动冷却通道布置示意图,非能动冷却通道系统的风口包括上、下进风口及上、下排风口。上进/排风口根据建筑布局在厂房内设置1个或若干个,与厂房内区的水平空间连通。竖直连通空间和排风竖井的最上部均设置1个进/排风口与室外连通。进/排风口处均设置常闭的防火挡板,非能动冷却通道启用时,防火挡板失电开启或手动开启。当外部空气环境存在放射性污染时,非能动冷却通道为闭口运行;当外部空气环境无放射性污染时,非能动冷却通道为开口运行。

图2 非能动冷却通道设计方案示意图

图3 非能动冷却通道布置示意图

采用这种设计方案是为了防止全厂断电事故时存在放射性物质或其他危险性气体的室外大气污染厂房内部空间。另外,按照NB/T 20395—2017的规定,异常或事故工况下,室内设计温度应不高于35 ℃,因此在全厂断电事故时,若室外计算温度高于35 ℃,则也不能直接与室外大气连通。

当全厂断电事故发生后,手动开启或失电开启通向内区的上进/排风口,利用厂房内区水平和竖直连通空间较低的温度与主控室不断升高的温度产生的热压即可形成自然通风冷却条件。专设的水平和竖直连通空间由于内部无负荷,并且处于内区,环境温度与厂房设计环境温度基本一致,夏季设计温度一般控制在25～30 ℃,冬季设计温度一般控制在5～15 ℃,同时由于混凝土围护结构的热延迟性和蓄热性,这些房间的空气和围护结构可作为热容体,吸收主控室可居留区的设备散热量。

在室外大气无污染且温度适宜的情况下,可开启最上部进/排风口,利用大气与室内环境温度差,实现自然通风冷却。

4 以非能动冷却通道为热阱的主控室可居留性环境温度分析

温度是实现主控室可居留性的至关重要的因素。本文旨在通过建立数学模型确定实现其可行性的系统设计参数,同时对以非能动冷却通道为热阱的主控室在全厂断电事故后的环境温度进行分析,验证其可居留性。

根据式(1)～(5)得出数学模型(见式(6))。由式(6)可知,自然通风的散热能力主要取决于进/排风口的面积F、进/排风口高度差h、进/排风口空气温差Δt、主控室室内外空气密度差Δρ,以及非能动冷却通道的阻力Δpz。

(1)

(2)

Δpj=-h1(ρw-ρp)g

(3)

Δpp=h2(ρw-ρp)g

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中G为排出室内余热所需的空气质量流量,kg/s;Q为主控室的总余热量,kW;c为空气比热容,kJ/(kg·℃),取1.01 kJ/(kg·℃);tp、tj分别为冷却通道的排风温度、进风温度,℃;μ为风口流量系数,取0.7[7];Fj(p)为进(排)风口面积,m2;Δpj、Δpp分别为进、排风口余压,Pa;ρj(p)为进(排)风密度,kg/m3;h1、h2分别为进、排风口中心距中和界高度差,m;ρw为主控室室外空气密度,kg/m3;g为自由落体加速度,m/s2;S为非能动冷却通道阻抗,Pa/(m3/s)2;Δpr为热压,Pa。

在Q为定值的情况下,F、h、Δt、Δρ互为反比关系。其中,Δt的数值范围直接决定了主控室的室内环境温度范围,而F、h的取值范围受建筑条件的制约。由式(6)可知,相对于h、Δρ,F、Δt的取值对于自然通风冷却能力的影响更大。因此如何确定合理可行的F、Δt,以保证在各种不利工况下保持主控室室内环境温度在一个理想的范围内,是实现非能动冷却的关键。

宽度一定时,进、排风口面积越小,截面高度越小,要满足余热排出所需的温差就越大,但较大的温差可能导致主控室内环境温度超出限值。因此根据数学模型(见式(6))进行数据筛选,选择1个较小的温差,在满足余热排出要求的同时,得到1个合理可行的风口截面高度。

假定送风口距离中和界的高度差为10.00 m,风口宽度为9.35 m(主控室净宽),根据式(2)计算进风口高度100～1 000 mm范围内、温差1～10 ℃范围内的自然通风量,与根据式(1)计算所得的通风量相比较,结果如图4所示。

图4 不同温差和不同风口截面高度下的空气流量

当风口截面高度等于600 mm时,温差Δt=3 ℃已满足按负荷计算所要求的通风量,但风口截面高度继续增大对温差的影响不大,在风口截面高度为700～1 000 mm时,仍需温差Δt>2 ℃才能满足按负荷计算所要求的通风量,况且风口截面高度越大,对于结构和密封防火要求带来的挑战越大,因此选取风口截面高度600 mm为理想高度,温差Δt控制在3 ℃。该分析结果同样适用于排风口高度的选取,因此本设计方案进、排风口截面高度均设定为600 mm,即F=5.61 m2。

在Δt=3 ℃、F=5.61 m2情况下,根据式(2)、(3)计算得出进风口中心距中和界高度差所对应的风量,如图5所示。

图5 不同进风口中心与中和界高度差所对应的风量

在进风口中心距中和界高度差为8.8 m时,通风量为5.15 m3/s,与通过负荷计算所得风量相对应。设定进、排风口总面积相同,则进、排风口中心距可取为17.6 m,主控室所在厂房建筑可实现该排风竖井高度,此时Δpr=2.1 Pa。根据阻力公式计算Δpz=1.5 Pa,满足Δpr≥Δpz的要求。

主控室初始环境温度为24 ℃,非能动冷却通道进风温度按照厂房夏季设计温度25 ℃考虑,在上述系统设计参数下建立非能动冷却通道计算模型,同时考虑围护结构的蓄热性和向外传热情况,计算核电站发生全厂断电事故后主控室内环境温度变化,结果如图6所示。在前24 h,室内环境温度快速上升,24 h时温度达到近27 ℃。在24～48 h之间,室内环境温度上升速率开始减慢。48 h后室内环境温度逐步趋近于28 ℃。到72 h后,室内环境温度基本维持在28 ℃,满足主控室可居留性的要求。可见,在进风温度保持在25 ℃时,通过非能动冷却通道可以实现主控室在全厂断电及最终热阱丧失事故工况下,依托非能动冷却通道形成的热阱满足主控室可居留性的温度要求。

图6 全厂断电工况下以非能动冷却通道为热阱的主控室内环境温度变化(进风温度25 ℃工况)

非能动冷却通道开口或闭口运行时,鉴于室外环境温度较高及非能动冷却通道冷却能力有限等因素,当进风温度高于某个阈值后,非能动冷却通道功能将丧失。进风温度为32 ℃时核电站发生全厂断电事故后主控室内环境温度的变化如图7所示。在前70 h,室内环境温度快速上升,之后上升速率开始减慢,72 h时室内环境温度为34 ℃,到90 h后,室内环境温度基本维持在35 ℃,基本满足主控室可居留性的温度要求。

图7 全厂断电工况下以非能动冷却通道为热阱的主控室内环境温度变化(进风温度32 ℃工况)

当进风温度高于32 ℃时,主控室内环境温度将超出标准要求。因此,以非能动冷却通道为热阱的设计方案需结合建筑布置,使非能动冷却通道的空气在通道内流动过程中逐步降温,使进口温度保持在不高于32 ℃的范围,以满足全厂断电及最终热阱丧失工况下的主控室可居留性温度要求。

5 结论

本文研究的非能动冷却通道系统作为一种全新的主控室非能动冷却方式,在满足全厂断电及最终热阱丧失工况下的主控室可居留性温度要求的同时,相对于其他非能动冷却方式,还具有以下优势:

1) 不用另外增设安全级设备,节省了设备费用和设备用房面积,减轻了运维的负担。

2) 可建立专设的非能动冷却空间,也可在保证与外界环境隔离的前提下利用现有建筑空间构建非能动冷却通道,水平连通空间可采用处于内区的通风夹层、电缆夹层等,竖直连通空间可采用处于内区的风井、电缆竖井等。

3) 采用热压作为驱动力,提高了冷却能力的可靠性;采用排风竖井提高了热压值,有效保障了冷却通道内部空气的流动。

4) 非能动冷却通道加大了空气量,可以使主控室内空气中的二氧化碳浓度得到有效控制。

当然,该设计方案还存在一些不足之处:

1) 为防止放射性物质或其他有害气体进入主控室,非能动冷却通道所连通的空间区域必须避免上述气体的渗入,对密封和辐射监测提出了新的要求。

2) 进口空气温度有限值,当高于32 ℃时,需关闭该系统。但考虑到主控室所在厂房夏季设计温度为25～30 ℃,可通过加大非能动冷却通道热阱的容量,增强非能动冷却通道作为热阱的可靠性。