PDMS在核電廠廠房自由容積計算中的應(yīng)用

摘 要：核電廠反應(yīng)堆廠房自由容積是安全殼熱工分析和氣載放射性濃度計算的重要輸入。文章應(yīng)用了PDMS（Plant Design Management System）軟件對臺山一期和紅沿河5號機組反應(yīng)堆廠房自由容積進(jìn)行了計算，計算結(jié)果與原始設(shè)計結(jié)果一致。同時在計算過程中，總結(jié)了開展廠房自由容積過程中對物項體積的處理方法，可為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠；反應(yīng)堆廠房；自由容積；PDMS

1 概述

反應(yīng)堆廠房自由容積是指廠房內(nèi)扣除布置物項所占體積之外的剩余空間。自由容積是安全殼熱工分析的重要輸入，反應(yīng)堆廠房自由容積為事故后廠房超溫超壓提供了緩沖空間。因此，在核電工程設(shè)計過程中，增大反應(yīng)堆廠房自由容積，是提高核電廠安全性的措施之一[1]。此外，在計算廠房氣載放射性濃度、廠房水淹滯納高度時也需要自由容積參數(shù)。

根據(jù)前述定義，自由體積計算方法如下：

Vfree=Vtotal-？撞■■Vi（1）

其中，Vfree，Vtotal，Vi分號表示自由體積、廠房總?cè)莘e和物項的體積。由于反應(yīng)堆廠房為規(guī)則幾何體，Vtotal，容易計算得到。因此，自由容積計算的主要工作在于計算廠房內(nèi)所布置物項的體積Vi。

文章利用PDMS軟件開展了臺山一期EPR堆型（TSN）和紅沿河項目5號機組M310堆型（AZ5）兩個項目的反應(yīng)堆廠房自由容積的計算工作。計算結(jié)果與兩個項目原始設(shè)計數(shù)據(jù)很接近，表明PDMS完全可以勝任相關(guān)的工作。同時，在開展計算過程中總結(jié)出了物項體積的處理方法和原則，可以相關(guān)工作提供借鑒和參考。

2 基于PDMS的自由容積計算

2.1 PDMS中獲取體積的方法

PDMS（Plant Design Management System）是由英國AVEVA公司開發(fā)，廣泛應(yīng)用于核電、火電、化工、海上工程等大型工程設(shè)計項目[2，3]。中廣核工程公司目前承擔(dān)的所有核電工程設(shè)計都采用了PDMS軟件作為主要三維設(shè)計工具。

在PDMS中表達(dá)物項體積有三種屬性：GVOL，是指物體的毛體積。NVOL，是物體扣除負(fù)挖空間（如孔洞）后的凈體積。RVOL，是一種較粗放的毛體積屬性，一般用于具有復(fù)雜表面的物體，以減少計算時間。對于線狀物體，如管道，風(fēng)管和橋架等，可以提取截面積尺寸（如公稱直徑）再乘以中心線長度計算得到物體體積。

因此，利用PDMS開展廠房自由容積計算時，常用方法就是將自由容積邊界范圍之內(nèi)的所有物項的體積和尺寸屬性提取出來，再進(jìn)行統(tǒng)計。

在PDMS 12.0及之后的版本提供了可以直接計算兩個物體相交部分體積的功能。如圖1所示，利用“NVOL（'inside'/room1）”的語句，即可計算中某個物體（如/pipes1）與/room1這個表達(dá)房間模型的物體相交部分的體積。這為自由容積的計算提供了另外一種方法：即可先建立一個參考物體，其形狀和位置與需要計算自由容積的空間的形狀一致，利用上述方法可直接得到某空間的自由容積。

2.2 核島廠房自由容積計算需要考慮的物項及體積處理方法

核電廠房反應(yīng)堆廠房內(nèi)布置了土建結(jié)構(gòu)、核島工藝系統(tǒng)及其支持和控制系統(tǒng)的各類物項。總體來說，可按以下方式分類：（1）混凝土結(jié)構(gòu)；（2）鋼結(jié)構(gòu)，包括支吊架鋼結(jié)構(gòu)；（3）門結(jié)構(gòu)；（4）各類設(shè)備；（5）工藝管道及其附件（閥門等）；（6）電纜及橋架；（7）暖通風(fēng)管及其附件（風(fēng)閥等）；（8）水池中水體積。

一般來講，以上物項都可以考慮為實體結(jié)構(gòu)物項，在自由計算時需要加以統(tǒng)計。其他的物項，如照明系統(tǒng)等，由于體積小，可以忽略。對于風(fēng)管所占體積的處理方法，在實際工作中有所爭議，具體見文章第2.4節(jié)。

對于設(shè)備、混凝土、門結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、閥門、支架這幾類物項可以提取模型的NVOL獲取物項的體積。對于風(fēng)管、管道一般可通過獲取截面積和長度參數(shù)計算體積，在12.0之后的版本，可以直接獲取NVOL屬性得到體積。對于橋架及其中所布置電纜的體積，由于模型表達(dá)的原因，一般通過獲取截面積和長度參數(shù)計算體積。水池中水的體積一般在模型不表達(dá)，需要人工計算。

2.3 應(yīng)用實例

利用對臺山一期EPR堆型（TSN）及紅沿河5號機組M310堆型（AZ5）兩個項目的反應(yīng)堆廠房自由容積進(jìn)行了重新計算。計算自由容積的邊界為由反應(yīng)堆廠房筏基上表面以及安全殼鋼襯里內(nèi)表面組成的封閉空間。通過廠房布置圖紙計算該封閉空間的總?cè)莘eVtotal。

分別采用了上述兩類方法來計算自由方法，對于AZ5項目是通過PDMS Report功能提取計算邊界內(nèi)的物體尺寸和體積參數(shù)。對于TSN項目，采用的是通過先建立與計算邊界形狀和位置一致的參考模型，再直接提取所有與參考模型相關(guān)部分的體積。

計算得到TSN和AZ5反應(yīng)堆廠房自由容積分別是78533m3和49203m3。這兩個堆型的原始設(shè)計值分別是78000m3[4]和

49400m3[5]，與計算結(jié)果很接近，這表明利用PDMS開展廠房自由容積計算是可行的，更重要的是節(jié)省工作量。

2.4 分析和討論

在實際開展自由容積計算過程，發(fā)現(xiàn)有以下幾點需要重點關(guān)注：

（1）對于風(fēng)管內(nèi)部空間所占體積，是否需要作為實際物項加以考慮，存在一定的爭論。當(dāng)反應(yīng)堆廠房自由容積用作廠房超壓分析時，由于通風(fēng)口與風(fēng)管內(nèi)部空間連通，風(fēng)管內(nèi)部體積應(yīng)當(dāng)作廠房自由容積的一部分。但是當(dāng)廠房為“送-排風(fēng)”的通風(fēng)模式，此時排風(fēng)管道部分應(yīng)當(dāng)作廠房自由容積的組成部分來計算廠房氣載放射性濃度，而送風(fēng)管道應(yīng)該當(dāng)作實體物項。另外，風(fēng)管本身結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)和保溫結(jié)構(gòu)也會占據(jù)空間。而這兩種應(yīng)用場合，自由容積參數(shù)偏小，在核安全上偏保守的。因此，文章將風(fēng)管體積作為實體物項來處理。（2）某些封閉容器在建模時采用負(fù)實體表達(dá)了空腔結(jié)構(gòu)。此時NVOL屬性僅是設(shè)備殼體的體積，與實際不符。對于此類設(shè)備，一般需要通過人工復(fù)核或改為提取GVOL屬性。（3）在提取設(shè)備、閥門的體積時，由于模型通過一般會通過建立level為8-10基本體來表達(dá)檢修和操作空間占位，提取時，需要將檢修操作空間排除。（4）模型的精確性和完整性，影響著自由容積計算結(jié)果的準(zhǔn)備性。因此，在利用PDMS開展自由容積時，首先需要對模型進(jìn)行評估，并作為后續(xù)數(shù)據(jù)圓整處理的依據(jù)。比如，若廠房中未表達(dá)門結(jié)構(gòu)，則在計算混凝土體積時可不排除門洞的負(fù)挖體積來近似得到門的體積。（5）對于反應(yīng)堆廠房的自由容積，應(yīng)用在安全殼熱工分析和氣載放射性計算時，自由容積偏小在核安全上偏保守的。因此，采用PDMS計算得到結(jié)果之后，需要進(jìn)一步向下圓整再提供給相關(guān)專業(yè)。

3 結(jié)束語

文章研究利用了PDMS開展兩個不同技術(shù)路線反應(yīng)堆廠房自由容積的計算復(fù)核，所得結(jié)果與兩項目原始設(shè)計很接近。這表明利用PDMS開展廠房自由容積計算是可行且高效的。文章也總結(jié)了利用PDMS開展計算自由的一些原則，可供相關(guān)工作使用。

參考文獻(xiàn)

[1]濮繼龍.核電廠安全殼及其功能保障問題[J].核科學(xué)與工程，1992，12（3）：253-258.

[2]姜紅靜，楊永春.PDMS在核電廠管道設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告（第一卷），2009，11：954-959.

[3]崔同凱，劉慧莉，陳淵明，等.PDMS軟件在鉆井船管道設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國造船，2012，5（53）：113-120.

[4]SCHNEIDER UWE. EPRTM TAISHAN-Input data，TS-X-NIE

P-NEPR-F-DC-20031：XVIII.4.

[5]遼寧紅沿河核電有限公司.初步安全分析報告（第12卷）[R].12.2.

1.3.1.2.

作者簡介：劉春風(fēng)（1982-），男，工程師，從事核島廠房布置設(shè)計工作。