核電廠SBO工況對DCS機柜散熱量的影響分析

付文韜，崔明路，徐思敏，廖圣勇

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

根據對現有核電廠項目DCS機柜研究發現，機柜散熱量作為機柜房間內通風系統設計的關鍵要素，不僅關系到通風系統風機風量大小及風管直徑的選擇，也會嚴重影響機柜正常的運行狀態。經過調研與分析，發現現階段各核電廠存在DCS機柜散熱量設計需求數據較大，裕量較高，設計偏保守的情況[1]，不僅提高了各專業系統設計的復雜度與難度，也在一定程度上提高了設備制造以及電廠的經濟性。因此，為保證核電廠DCS系統的正常運轉以及電廠的穩定運行，機柜散熱量的研究至關重要。

SBO工況是在核電廠各類運行工況條件下，最直接影響DCS系統運行狀態的一種典型工況條件[2]。本文的主要目的是通過研究核電廠SBO工況與DCS機柜運行狀態的關系，來判斷影響機柜散熱量的關鍵因素。首先，對測試方法進行介紹，通過采用模擬機仿真技術，模擬核電站工況環境；同時，觀測該工況環境下各類執行機構的動作狀態，判斷需要在工況下運行的設備種類、數量及其所在房間與機柜；最后，通過仿真結果分析說明工況環境對于機柜散熱量影響的因素與來源。

1 測試流程

1）測試目的

以模擬機平臺模擬核電廠工況環境為基礎，通過觀測該工況條件下設備的動作，從而判斷工況研究的可行性及優化方向。

2）測試范圍

在實際項目中，散熱量的需求計算主要以房間為單位。因此，為了更好判斷工況對于DCS機柜用電量和散熱量的影響，選取部分房間內機柜進行觀測。本次測試，主要以某參考電站為樣本，選取房間1，2，3，4，5內的所有機柜設備為觀測對象。此外，根據DCS設計特點，分別篩選出如下類別的設備，主要包括：①電磁閥；②泵；③風機。

通過模擬機監測這3類設備的動作狀態，從而判斷其所在機柜是否需要某一工況下帶電。

3）測試工具：模擬機。

4）測試工況：SBO工況。

5）測試方法

主要的測試流程是：先將模擬機按照核電廠滿功率時的狀態進行仿真；其次，存儲提前選取的設備，并記錄滿功率時設備的狀態；接著通過插入失電故障，模擬SBO工況環境；此時，存儲選取設備當前時刻的狀態；最后，再將初始狀態和失電后設備狀態的數據通過驗證平臺導出，得到相關數據結果。

2 測試結果

此次，模擬仿真的工況環境是以SBO工況條件為基礎，進行全范圍模擬事故環境。在整個事故工況環境下，觀測相關設備的動作及狀態。在整個觀測的過程中，主要將設備分成4種狀態：滿功率開狀態、滿功率關狀態、SBO后開狀態、SBO后關狀態。

根據表1所示的觀測結果，按房間分類，可以得到：

表1 SBO工況環境下模擬仿真結果統計表Table 1 Statistical table of simulation results under SBO operating conditions

1）房間1

根據表1-房間1結果所示，在功率運行過程中，房間1機柜涉及共有156個設備，其中排除27個無法驗證的設備之外，共有30個設備處在開狀態，92個設備處在關狀態。當發生SBO工況后，共有7個設備觸發關動作，3個設備觸發開動作，還有20個設備需要保持在開狀態。根據這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有30個設備需要動作或保持狀態，也意味著相關的機柜需要處于帶電狀態，方能保證設備的需要。

2）房間2

根據表1-房間2結果所示，在功率運行過程中，房間2機柜涉及共有151個設備，其中排除27個無法驗證的設備之外，共有52個設備處在開狀態，70個設備處在關狀態。當發生SBO工況后，共有9個設備觸發關動作，4個設備觸發開動作，還有43個設備需要保持在開狀態。根據這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有56個設備需要動作或保持狀態，也意味著相關的機柜需要處于帶電狀態，方能保證設備的需要。

3）房間3

根據表1-房間3結果所示，在功率運行過程中，房間3機柜涉及共有229個設備，其中排除7個無法驗證的設備之外，共有97個設備處在開狀態，110個設備處在關狀態。當發生SBO工況后，共有21個設備觸發關動作，40個設備觸發開動作，還有76個設備需要保持在開狀態。根據這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有137個設備需要動作或保持狀態，也意味著相關的機柜需要處于帶電狀態，方能保證設備的需要。

4）房間4

根據表1-房間4結果所示，在功率運行過程中，房間4機柜涉及共有232個設備，其中排除7個無法驗證的設備之外，共有47個設備處在開狀態，173個設備處在關狀態。當發生SBO工況后，共有6個設備觸發關動作，16個設備觸發開動作，還有38個設備需要保持在開狀態。根據這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有60個設備需要動作或保持狀態，也意味著相關的機柜需要處于帶電狀態，方能保證設備的需要。

5）房間5

根據表1-房間5結果所示，在功率運行過程中，房間5機柜涉及共有107個設備，其中排除5個無法驗證的設備之外，共有27個設備處在開狀態，75個設備處在關狀態。當發生SBO工況后，共有1個設備觸發關動作，0個設備觸發開動作，還有26個設備需要保持在開狀態。根據這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有27個設備需要動作或保持狀態，也意味著相關的機柜需要處于帶電狀態，方能保證設備的需要。

3 影響分析

根據上述內容，歸納總結后，可以得到如下觀測結果：

房間1：機柜涉及共有156個設備，在SBO工況條件，30個設備用電。

房間2：機柜涉及共有151個設備，在SBO工況條件，56個設備用電。

房間3：機柜涉及共有229個設備，在SBO工況條件，137個設備用電。

房間4：機柜涉及共有231個設備，在SBO工況條件，60個設備用電。

房間5：機柜涉及共有106個設備，在SBO工況條件，27個設備用電。

由于涉及到的房間、機柜、設備眾多，因而以房間1和房間4為例，分別進行舉例分析說明。

在房間1中，共有15臺控制柜。當發生SBO工況條件后，其中30個需要運行的設備分布于8臺控制柜中。其中，503號機柜中6個設備，505號機柜中3個設備，507號機柜中1個設備，509號機柜中6個設備，513號機柜中1個設備，517號機柜中2個設備，519號機柜中6個設備，521號機柜中5個設備。

在房間4中，共有12臺控制柜。當發生SBO工況條件后，其中需要運行的60個設備分布于10臺控制柜中。其中，523號機柜中3個設備，525號機柜中2個設備，527號機柜中5個設備，529機柜中12個設備，533號機柜中8個設備，535號機柜中1個設備，537號機柜中1個設備，539號機柜中3個設備，541號機柜中5個設備，543號機柜中20個設備。

從數據中可以發現，在SBO工況條件下，房間1中有7臺機柜、房間4中有2臺機柜不參與電廠的運行過程。房間1中，需要運行最多設備的機柜為503號機柜、509號機柜、519號機柜，均有6個設備，而只需要1個設備的機柜為507號機柜、513號機柜；房間4中，需要運行最多設備的機柜為543號機柜，有20個設備，而只需要1個設備的機柜為535號機柜、537號機柜。可以發現雖然不同機柜所帶設備的數量不同，但對于機柜來說，只要供電就會產生散熱量。因此，在SBO工況下帶電機柜數量越多，產生的散熱量則越大，對前期系統設計的要求也就越高。基于此，在滿足設計要求及可行性的基礎上，通過對工況設備的研究來進行機柜的設計及優化改造，盡可能減少特殊工況條件下運行機柜的數量。

4 結論

綜合來說，通過對SBO工況的模擬，可以確認的是：當SBO工況發生后，僅存在部分設備需要動作。因此，對于DCS機柜來說，僅需要保證這些動作設備所涉及的機柜處于帶電狀態，即可滿足電廠的運行要求。通過梳理這些機柜，一方面能夠極大地優化并降低其房間的散熱量，另一方面也能夠科學地開展對散熱量數據的研究。

然而，由于核電廠工況環境復雜，種類眾多，不同種類的堆型發生的工況環境也不盡相同。如果對所有工況條件都進行研究，工作量不僅相當大，而且對于機柜設計也無法達到最優的設計狀態。因此，基于這一問題，需要結合上下游專業的分析及其側重點，具有針對性地進行工況分析，從而進行科學合理的機柜功能分配，來保證在異常工況下，上下游專業的相關設備都能正常可靠地運行。

雖然現階段僅僅研究了SBO工況條件下機柜、設備的運行情況，但憑借本文分析可以發現，工況的研究對未來DCS機柜的設計與優化是具有較強的指導作用。一方面，可以合理優化機柜的資源配置；另一方面，可以在一定程度上減少散熱量的產生。因此，在后續的各項目設計工作中，盡可能多地從工況環境的角度考慮問題，不僅有利于設計工作的全面性，也可以提升整個系統，甚至是整個電廠的科學性及合理性。