高溫堆核電站主控室可居留區事故工況環境溫度分析

(中核能源科技有限公司，北京 100193)

0 引言

華能山東石島灣核電站高溫氣冷堆示范工程(以下簡稱“示范工程”)是世界首臺具備第四代核能系統安全特性的商用核電機組，是新核能安全體系下的探路人和領先者，為世界核安全領域的建設和發展注入強勁的動力。

主控室可居留區是正常和事故工況下安置和保護核電廠運行人員以及控制與儀表設備的場所。示范工程主控室可居留區包括主控制室、控制設備間、技術支持中心、應急生活間、分布式控制系統 (distributed control system，DCS)工程師室及內走廊，見圖1。

示范工程主控室可居留區空調系統主要功能是滿足工作人員和設備正常工作所需的環境要求，同時更是實現主控室可居留區可居留性要求的必要系統，為安全級系統。本文基于CFD軟件，在空調系統遇到事故工況下，對主控室可居留區室內環境溫度進行數值模擬，根據室內溫度變化曲線，分析主控室可居留區在事故工況下是否滿足可居留性要求。

1 主控室可居留區空調系統及事故工況介紹

1.1 主控室可居留區空調系統

示范工程主控室可居留區空調系統主要由兩臺組合空調機組(1運1備)、兩臺空氣凈化機組(1運1備)、兩臺凈化機組送風機(1運1備)和通風管道及設置在管道上的隔離閥、調節閥、防火閥等閥門組成，設備均為安全級。

空調系統的冷源來自兩臺水冷式螺桿冷水機組(1運1備)，兩臺冷凍水循環水泵(1運1備)，設備均為抗震I類，接應急電源。冷卻水來自廠用水系統，房間冷負荷通過冷卻水系統由空冷塔排放至大氣中。另單獨設置一臺風冷式冷水機組作為在廠用水失去條件下的補充，為空調系統提供冷源，設備為抗震I類，接應急電源。

1.2 事故工況介紹

主控室可居留區空調系統在失去廠用電事故工況下，能動設備接入應急電源系統，維持系統繼續運行，保持可居留區可居留性要求；在失去廠用水系統事故工況下，開啟風冷式冷水機組，保持對空調系統冷凍水的供應，滿足可居留區可居留性要求。廠用水系統和風冷式冷水機組全部失去的事故工況下，空調系統沒有冷凍水提供冷源，但風機的正常運行可以保持主控室可居留區的持續通風，加強房間散熱量的排出。

但在全廠電源失去的事故工況下，風機及冷水系統由于無電力供應無法工作，主控室可居留區的散熱量只能通過向有溫差的墻體傳熱，同時利用圍護結構鋼筋混凝土和室內空氣蓄熱，從而實現室內散熱量的排出。因此本文主要針對該事故工況下主控室居留區的室內環境溫度進行模擬和分析。

2 計算輸入參數

2.1 主控室可居留區各房間散熱量

表1是主控室可居留區各房間散熱量。見表1，主要散熱房間為主控制室和控制設備間，其它房間設備散熱量均較小，對可居留區室內環境溫度的影響可忽略不計。因此本文只對主控制室和控制設備間在全廠電源失去的事故工況下進行室內環境溫度分析。

按照表1數據，事故工況前2 h內，主控制室和控制設備間的內熱源密度分別為6.34 W/m3和35.91 W/m3；2 h后，部分控制設備執行完安全停堆任務后關停，控制設備間的內熱源密度減小為4.82 W/m3，主控室內熱源保持不變。

表1 主控室可居留區各房間散熱量

2.2 物性參數

2.2.1 圍護結構參數

主控制室和控制設備間圍護結構絕大部分是鋼筋混凝土構成，主控制室部分圍護結構為玻璃窗，所占比例較小，因此可簡化均為鋼筋混凝土構成。主控制室屋頂為鋼筋混凝土做成的井字梁，梁高均為1.5 m，梁寬均是0.5 m。鋼筋混凝土性能參數見表2。

表2 鋼筋混凝土性能參數

2.2.2 環境參數

示范工程主控室可居留區空調系統為全年性空調系統，室內溫度一直保持在20～25℃。室內環境大氣壓采用石島灣高溫氣冷堆夏季室外大氣壓力值1.01×105Pa。室內空氣性能參數見表3。

表3 內空氣性能參數

3 數值模擬和分析

3.1 模型建立

3.1.1 控制方程

當發生全廠電源失去的事故后，房間余熱得不到有效排出，室內環境溫度會隨著時間的推移逐漸升高，因此采用瞬態傳熱方程。

發生上述事故后，主控制室和控制設備間的通風系統停運，這兩個房間所在區域均無外門窗，風壓和熱壓影響基本可以忽略，因此房間內的氣流流動很小，可不考慮流動和傳熱的耦合計算。控制方程可近似簡化為式(1)[1]。

式中：T為計算域的溫度(℃)；t為計算時間(s)；α為熱擴散率(m2/s)；Ф為內熱源散熱量(W)；ρ為介質密度(kg/m3)；c為介質比熱容(J/(kg·℃))。

3.1.2 邊界條件

為保證設計余量，主控制室和控制設備間室內環境初始溫度設置為24℃，計算區域外圍空氣溫度采用石島灣夏季空調室外計算干球溫度28.6℃(累年平均每年不保證50 h干球溫度)。

3.1.3 建模和網格劃分

運用CFD軟件按照示范工程主控制室和控制設備間的實際尺寸建立三維模型。模型計算域分為四個模塊，第一個模塊是主控制室空氣域，第二個模塊是控制設備間空氣域，第三個模塊是鋼筋混凝土圍護結構域(400 mm厚)，第四個模塊是外部大空間域(各向向外延伸3 m)。對上述四個模塊進行網格劃分，網格總量約為17萬。主控室和控制設備間空氣域及外部大空間的模型和網格見圖2。

3.2 數值模擬和分析

運用CFD軟件對上述模型進行數值計算，打開能量方程，考慮導熱和熱輻射的耦合影響，輻射模型采用Rosseland模型，時間步長設置為1 min，能量殘差設置為1×10-9。考慮到圍護結構材質為鋼筋混凝土，反射系數取值為0.3。

3.2.1 主控制室室內環境溫度數值分析

圖3為主控制室室內環境溫度在第1小時內的變化圖。由圖3可知，在上述事故發生后的15 min內，室內環境溫度快速上升0.27℃；15 min之后室內環境溫度隨時間上升趨勢相對變緩。導熱和輻射傳熱過程中，室內空氣首先會吸收和散射一部分熱量，因此在開始階段室內環境溫度快速上升，上升速率約為0.02℃/min。由于圍護結構的蓄熱有一定的滯后性，若單位時間房間散熱量較大，會造成局部時間室內環境溫度突然升高，會造成人體的不適感。當圍護結構開始吸收熱量后，室內環境溫度上升趨勢變緩。

圖4是主控制室室內環境溫度72 h內變化圖。由圖4可知上述事故發生后72 h，室內環境溫度上升了2.8℃，室內環境溫度為26.8℃(室內環境初始溫度為24℃)，低于舒適性空調設計溫度上限值 28℃及儀控設備工作溫度上限值35℃，對人體和設備的正常工作均不會造成影響。

3.2.2 控制設備間室內環境溫度數值分析

控制設備間的室內環境溫度變化分兩個時段。第一時段是上述事故發生到發生后兩小時，部分控制設備依靠蓄電池組提供的電源繼續執行安全停堆任務，房間設備散熱量較大。第二時段是上述事故發生2 h后到第72 h，部分設備關停，房間設備散熱量降低。

圖5是控制設備間室內環境溫度第一時段變化圖。在上述事故發生后的20 min內，室內環境溫度快速上升1.7℃，溫度上升速率為0.085℃/min；20 min之后室內環境溫度隨時間上升趨勢相對變緩。同上所述，由于圍護結構熱量傳遞的滯后性，若控制設備間設備散熱量較大，短時間內上升溫度過高，溫度上升速率過快，產生的熱應力會對一些設備、儀表，尤其是高精度的設備儀表的正常使用造成一定的影響。當圍護結構開始吸收熱量后，室內環境溫度上升趨勢變緩。第一時段結束后，室內環境溫度上升近2℃，室內環境溫度為26℃(室內環境初始溫度為24℃)。

圖6是控制設備間室內環境溫度72 h內變化圖。第二時段開始后，由于設備散熱量的大幅度降低，隨著鋼筋混凝土圍護結構的蓄熱，室內環境溫度呈緩慢下降趨勢，到第12 h，溫度降低0.5℃。然后室內環境溫度隨時間開始呈緩慢上升趨勢。由圖6可知上述事故發生后72 h，室內環境溫度上升了3.3℃，室內環境溫度為27.3℃(室內環境初始溫度為24℃)，低于儀控設備工作溫度上限值35℃，對設備的正常工作不會造成影響。

4 優化措施

由圖4和圖6可知，室內環境溫度對時間的二階導數為正值，即溫度會隨著時間的推移增長趨勢會逐漸增大。若事故發生后的72 h內無法及時提供電源或采取措施，隨著房間散熱量的逐漸積聚，室內環境溫度會有超出溫度限值的危險。另外今后60萬kW和百萬千瓦高溫堆核電站主控室和控制設備間設備散熱量會增大，可居留區空間有限，若事故工況僅依托鋼筋混凝土的蓄熱和向外傳熱，室內環境溫度有不滿足可居留性要求的危險。為避免上述情況的發生，主控室可居留區可采取以下措施維持室內環境溫度在事故工況下的適宜性。

4.1 采用蓄熱系數大的圍護結構材料

圍護結構材料蓄熱系數越大，對熱量的吸收能力就越強。通過加強圍護結構的蓄熱能力，正常工況下可以穩定室內環境溫度，事故工況下可以作為余熱的蓄熱體。鋼筋混凝土的蓄熱系數為17W/(m2·℃)，碳鋼的蓄熱系數為126 W/(m2·℃)[2]，若鋼筋混凝土圍護結構內敷設鋼板，圍護結構蓄熱能力會得到較大提高。AP1000機組主控室圍護結構上敷設鋼翅片，除了加強傳熱外，也起到提高圍護結構蓄熱能力的作用。

4.2 相變蓄熱

相關蓄熱是一種更有效地加強圍護結構蓄熱能力的方法。相變蓄熱材料具有在相變過程中將熱量以潛熱的形式儲存于自身的性能，通過將相變材料引入建筑圍護結構中，可以將熱流波動的影響削弱，把室內環境溫度控制在適宜的范圍內[3]，尤其是在溫度短時間快速升高的情況下，通過相變吸熱可以有效地控制溫升速率。固－固相變材料與建筑材料基體直接混合，這種方法工藝簡單，性質均勻[4]，今后可應用于可居留區圍護結構中。

4.3 利用自然通風

核電站主控制室一般均設計在內區，無外門窗，當全廠電源和冷水系統失去的事故工況下，無法直接利用自然通風排出余熱。若在主控制室圍護結構墻體內設置空氣流通夾層，正常工況下空氣通道利用手動百葉窗關閉，上述事故發生后，可手動開啟百葉窗。排風口設置位置須比進風口位置高，利用熱壓保持夾層內的自然通風，使圍護結構的蓄熱量及時排出。

5 結論

綜上所述，在全廠電源失去的事故工況下，主控制室和控制設備間72 h溫升分別為2.8℃和3.3℃，室內環境溫度均在27℃左右，同時局部時間室內環境溫度快速上升的速率也不會對工作人員和設備造成影響，可見按照示范工程主控制室和控制設備間的房間散熱量計算的上述事故工況下的72 h內室內環境溫度均滿足可居留性要求，同時也說明依托圍護結構蓄熱能力可作為一種極端事故工況下維持可居留性環境溫度要求的措施。

為了保證主控室的可居留性要求，同時考慮到今后60萬kW和百萬kW高溫氣冷核電站的發展，主控室可居留區在今后的設計中應采取優化措施，加強冷水系統或全廠電源失去這類事故工況下房間余熱的排出。