一种核电厂重要厂用水泵房环境温湿度高处理方法

陈松平 ，张彩良，徐志军

(1.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心，江苏 苏州 215004；3.福建宁德核电有限公司，福建 宁德 355200)

0 引言

核电厂重要厂用水系统无论在正常运行工况或事故工况下，都将设备冷却水系统所传输的热量导出传到海水中，该系统被称为核岛的最终热阱。重要厂用水泵(SEC 泵)安装在联合泵站的地下泵房内部，泵房内部深度在20 m 左右。泵房通风采用送风机机械送风，在吸收房间热量后，依靠热压自然排风方式，用于保证设备运行和维修所需的适宜条件。泵房通风系统是一个与核安全密切相关的系统。由于部分核电厂位于我国东南沿海地带，夏季炎热，春季潮湿，而泵房内设备电机发热量大，高温天气下，依靠自然风难以控制泵房内部环境温度，导致泵房温度超标，超过运行限值。而潮湿季节，大量湿空气进入泵房，导致地下泵房内部墙壁及设备表面出现大量凝露现象，威胁设备运行安全。2019 年某核电厂发生了1 号机组B 列6.6 kV 应急母线失电，机组进入状态导向事故规程的事件。经调查，环境湿度高是SEC 泵电机绝缘子爬电的诱因之一。

下面在研究泵房通风系统的基础上，在不改变核安全相关系统基本功能的前提下，提出在进风风室增加一种有两路新风的新型制冷机组，一路经冷却器降温除湿，出来的低温近饱和湿度的湿冷空气与另一路高温空气混合，达到理想的温度、湿度参数状态下后送入泵房内部，以解决泵房内部环境温湿度超标问题。

1 事件及原因分析

1.1 泵房环境温度超标

一列重要厂用水系统有两台SEC 泵，分别安装在相邻的两个泵房。SEC 泵房内部除安装有SEC 泵外，还安装有海水过滤系统水冲洗泵(CFI泵)、消防水生产系统消防水泵(JPP 泵)等设备，为泵房内部的主要热源。

表1 为某电厂SEC 泵房内部主要设备的布置和发热量情况。

表1 SEC 泵房设备布置及发热量数据

某核电厂1995—2021 年气温极值统计见图1。历史极端最高气温40.3 ℃。该核电厂夏季室外设计干球温度35.3 ℃，泵房内部温度超过40 ℃时触发温度高报警，根据运行规程，认为相应的SEC泵不可用。根据热力学第一定律，理想状态下，气体换热效果如下：

图1 某核电厂气温极值统计数据

式(1)中：QV为泵的最大发热量；CV为空气体积比热容；V为空气流量；Δt为空气温升。

以DWS001ZV 风机所在泵房为例，计算可得，当环境气温超36.4 ℃时，泵房内部温度将超过40 ℃。由于实际换热效果与理想状态存在一定差距，且泵房内电灯、电缆等设备发热，巡检人员带入热量等，当实际环境温度达到35 ℃时，容易出现高温报警。根据运行技术规范，当泵房温度超过40℃时，则认为相应的SEC 泵不可用，需要切换到备用泵运行，这大大降低了核电厂冷源运行的安全性和可靠性。据统计，目前群厂已经发生了近10 次高温报警的案例。

1.2 泵房凝露及危害

2019 年某核电厂发生了1 号机组B 列6.6 kV应急母线失电，机组进入状态导向事故规程的事件。现场检查发现母线侧触头处有放电痕迹，根本原因为绝缘子本身故障导致放电击穿。绝缘子凝露导致绝缘性能下降是事件发生的诱因之一。

事件发生后，对绝缘子进行凝露试验。试验结果表明，在环境湿度过高时，在运行和停运状态绝缘子表面均会出现凝露(见表2，3)。

表2 绝缘子运行状态模拟试验

表3 绝缘子停运状态模拟试验

2 新风混风制冷机组方案

2.1 制冷机组方案

为解决SEC 泵房内部环境温湿度高的问题，针对现场通风系统的特点，设计一种新风混风式的制冷机组，如图2 所示，现场布置情况如图3 所示。该机组作为原通风系统的辅助装置，安装在泵房通风系统的进风小室旁，通过风管接入到进风风道。由图2 可知，新风分为两路，一路经过表冷器冷却除湿，出风温度达到18 ℃，空气湿度接近饱和湿度。之后与另一路未经降温除湿处理的新风混合，提高最终送入泵房内部的风温，同时温度升高，相对湿度下降。

图2 新风混风制冷机组

图3 机组现场布置示意

采用该方法可以在没有空气后处理的再热段情况下，有效降低泵房环境温度及湿度，大大节省能耗和投资。

风机出口设置手动隔离阀、止回阀及电动隔离阀，电动隔离阀与DCS 信号联动。手动隔离阀保持常开，在空调故障时关闭，以避免对原DWS 系统功能产生影响。

在各泵房内增加一套温湿度传感器，作为空调机组启/停/调节的依据。以泵房的温湿度作为设定值，来控制空调送风参数，自动调节。保留原DWS 通风方式，新增新型混风制冷机组装置作为原DWS 系统辅助装置，不影响原系统功能及安全。两个装置可以并行，当DWS 风机启动时作为补充送入部分冷风。

通过自动控制设置，每年4 月中旬至10 月底，当任一泵房温度超过30 ℃或湿度大于70 %时，空调启动制冷模式；泵房温度均低于25 ℃或湿度低于40 %，空调处于待机模式。每年11 月至次年4月上旬，当任一泵房湿度超过70 %时，空调启动制热模式；当泵房湿度均低于40 %，空调处于待机模式。

2.2 主要参数确定

改造的环境温湿度目标根据DWS 风机的启动逻辑(高于35 ℃风机自动启动，低于30 ℃风机自动停运)和绝缘子凝露试验确定，温度控制在30 ℃，湿度控制在80 %相对湿度以内。假设理想情况下，经过新型混风制冷机组处理后的坑内空气同时达到这个温湿度状态，此时空气露点温度为23.9 ℃，因此设计出风温度为24 ℃。从保守角度考虑，设计进风状态参数选取近年来气象数据中焓值最大的点。此时空气处理流程主要状态点如图4所示。

图4 空气处理流程

根据泵房内部的设备发热量，原通风系统参数以及设计的进风、出风状态点，确定制冷机组的主要参数，如表4 所示。

表4 新风混风制冷机组主要参数(冷暖型)

3 温度处理效果仿真计算

利用计算流体力学(computation fluid dynamics， CFD)软件，对泵房通风环境下的室内气流组织进行模拟分析。风口设置：每个泵房共2个送风口，1 个排风口，总送风风量20 000 m3/h（小坑8 400 m3/h，大坑11 600 m3/h），送风温度24 ℃。负荷设置：设计夏季室内总散热量93.1 kW (小坑39.1 kW，大坑54 kW)。泵房待机时总散热量3 kW。

一列SEC 系统由两台SEC 泵组成，分别布置在相邻两个泵房。模拟分析并计算，数值结果如下。

在模拟情况下，两个泵房同时工作时，散热量大，坑内稳态温度为：整体平均值30.6 ℃，顶部约32.4 ℃，中部约29.2 ～31.3 ℃，底部约25.0 ～28.2 ℃。泵房待机时，散热量小，坑内稳态温度约24.6 ℃。

4 结论

针对我国东南沿海地区核电厂重要厂用水泵房频发的温度高报警及湿度超标问题，提出了在泵房通风系统上增加一套新风混风制冷机组的方案。该方案可以有效保证泵房内环境的温湿度，且无需再热段，具有降低能耗、节省投资等优点。