魏 剛, 王 璐

(中國(guó)核電工程有限公司建筑所，北京100840)

乏燃料后處理玻璃固化產(chǎn)品干法貯存通風(fēng)方式優(yōu)化研究及仿真模擬分析

魏 剛, 王 璐

(中國(guó)核電工程有限公司建筑所，北京100840)

本文介紹了高放發(fā)熱體干法貯存的一般通風(fēng)形式,采用隔熱材料優(yōu)化自然通風(fēng)方式，并運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算分析。研究發(fā)現(xiàn)采用隔熱措施能有效降低發(fā)熱體對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的熱影響，強(qiáng)化自然通風(fēng)，達(dá)到節(jié)能和降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的效果。

發(fā)熱體；干法貯存；自然通風(fēng)；CFD；節(jié)能

乏燃料后處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高放廢液，將其固化制成玻璃產(chǎn)品以便貯存是目前可行的方法。貯存這些產(chǎn)品的就是高放廢液玻璃固化產(chǎn)品容器暫存庫(kù)，其貯存產(chǎn)品有發(fā)熱量高、輻射性強(qiáng)和毒性大的特點(diǎn)。這類發(fā)熱體貯存庫(kù)如果采用干法貯存的方式，就需要采用通風(fēng)將發(fā)熱體持續(xù)釋放的衰變熱導(dǎo)出。

目前國(guó)際上采用干法貯存所采用的通風(fēng)形式各國(guó)情況不盡相同，具體見(jiàn)表1[1]所示。

表1 各國(guó)玻璃固化暫存庫(kù)通風(fēng)形式一覽表Table 1 Ventilation system in dry Interim Storage Building of Vitrification Plant in different countries

本文介紹和優(yōu)化研究的對(duì)象是國(guó)內(nèi)第一個(gè)高放廢液玻璃固化體暫存庫(kù)的通風(fēng)系統(tǒng)。

1 工程基本情況介紹：

1.1 建筑形式

貯存區(qū)共4個(gè)位于地下的貯存室存放發(fā)熱體，各室有5×11個(gè)貯存井，貯存井內(nèi)部空間與各井之間的貯存區(qū)空間是物理隔離的。平面圖如圖1，剖面圖如圖2所示。

圖1 高放廢液玻璃固化體貯存區(qū)平面圖Fig.1 ISB Top view of the storage chambers

圖2 高放廢液玻璃固化體貯存區(qū)剖面圖Fig.2 ISB Transverse section of a storage chamber

1.2 發(fā)熱體概況

單個(gè)貯存室有5×11個(gè)貯存井，每個(gè)井垂直疊放7個(gè)產(chǎn)品容器。發(fā)熱體在貯存初期衰變熱為90W/產(chǎn)品容器，20年后衰變熱降為45W/產(chǎn)品容器。

1.3 貯存區(qū)通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)的限值

(1) 混凝土在正常運(yùn)行工況或其他任何長(zhǎng)期作用下的溫度為65℃，但局部范圍，如高能管道穿管區(qū)域，其允許溫度可適當(dāng)提高，但不宜大于95℃。[2]；

(2) 貯存井的溫度限值為400℃。

2 原設(shè)計(jì)貯存區(qū)的熱工模擬結(jié)果

各工況模擬的結(jié)果如表2所示。

表2 模擬結(jié)果匯總表Table 2 Summary of the simulation result

3 原設(shè)計(jì)貯存區(qū)通風(fēng)方案

根據(jù)以上模擬計(jì)算結(jié)果，原通風(fēng)方案為:運(yùn)行前20年,在衰變熱大于45W/產(chǎn)品容器的情況下，通風(fēng)以機(jī)械通風(fēng)為主，在斷電或設(shè)備故障的情況下才采用自然通風(fēng)，經(jīng)三天內(nèi)搶修后恢復(fù)機(jī)械通風(fēng)；期間，當(dāng)室外溫度低于18.8℃時(shí)也采用自然通風(fēng)降溫。20年以后，在衰變熱小于45W/產(chǎn)品容器的情況下，如果通風(fēng)氣流經(jīng)檢測(cè)符合劑量排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，則長(zhǎng)期采用自然通風(fēng)降溫。

貯存區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 貯存區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of the storage chambers

(1) 設(shè)S-2送風(fēng)系統(tǒng)：配1臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組，機(jī)組風(fēng)機(jī)帶變頻器，根據(jù)送風(fēng)總管的壓力調(diào)節(jié)電機(jī)頻率。當(dāng)送風(fēng)機(jī)故障，排風(fēng)機(jī)正常時(shí)，進(jìn)風(fēng)經(jīng)閥門切換改走機(jī)械旁通管道；當(dāng)送、排風(fēng)機(jī)同時(shí)故障時(shí)，采用自然通風(fēng)，送風(fēng)走自然通風(fēng)旁通管道。自然通風(fēng)管路為抗震I類，如“貯存區(qū)通風(fēng)流程圖”中粗線所示。

(2) 設(shè)AP-1排風(fēng)系統(tǒng)：配2臺(tái)風(fēng)機(jī)，1用1備；排風(fēng)總管設(shè)流量控制器，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)頻率維持排風(fēng)風(fēng)量，風(fēng)量控制值可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況予以設(shè)定。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)及其模擬計(jì)算

4.1 優(yōu)化措施

(1) 局部保溫優(yōu)化：在溫度較高的頂板混凝土和貯存室之間的側(cè)壁混凝土墻的內(nèi)壁上敷設(shè)保溫隔熱材料，其余墻體不敷設(shè)保溫隔熱材料。研究中經(jīng)過(guò)反復(fù)試算，確定保證側(cè)壁混凝土墻的溫度不超過(guò)65℃的保溫材料參數(shù)為：厚度500mm，傳熱系數(shù)為0.02W/m2·K。

(2) 全保溫優(yōu)化：在所有混凝土墻內(nèi)壁全部敷設(shè)保溫隔熱材料。材料同前。

4.2 模型建立

(1) 貯存區(qū)模型建立

以一個(gè)貯存室為研究對(duì)象，其模型如圖4所示。

圖4 單個(gè)貯存室的模型圖Fig.4 ISB CFD geometry model

(2) 主要邊界條件的設(shè)定

a.進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)為32℃；

b.混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)為2W/(m·K)，比熱容為880J/(kg·K)，表面的散射系數(shù)ε=0.93；

c.對(duì)于自然通風(fēng)的情形，在出風(fēng)口設(shè)定-45Pa 的負(fù)壓，該負(fù)壓是不低于60m高煙囪產(chǎn)生的抽力；

d.管道壓力損失系數(shù)為δ=2；

e.不銹鋼的物理性質(zhì)如表3所示;

表3 不銹鋼物理性質(zhì)表Table 3 Physical properties stainless steel

f.貯存室的頂板和各貯存室之間的隔墻設(shè)定為絕熱，統(tǒng)稱為絕熱混凝土墻；其他墻體統(tǒng)稱為非絕熱墻體，這些非絕熱墻體與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)為5W/(m2·K)；

g.在貯存室內(nèi)壁敷設(shè)的保溫絕熱材料：厚度500mm，傳熱系數(shù)為0.02W/M.K。在CFD軟件的墻體屬性中直接設(shè)定。

4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(1) 貯存庫(kù)運(yùn)行初期原設(shè)計(jì)自然通風(fēng)和采取優(yōu)化措施后自然通風(fēng)CFD模擬結(jié)果對(duì)比圖如圖5～圖8所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(2) 模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 優(yōu)化模擬結(jié)果匯總表Table 4 Summary of the optimized simulation result

5 結(jié)論

(1) 局部保溫優(yōu)化后能明顯降低混凝土墻的溫度，阻斷發(fā)熱體對(duì)混凝土墻體的直接輻射傳熱，有效降低混凝土結(jié)構(gòu)受溫度的影響。

(2) 局部保溫優(yōu)化措施是在絕熱墻體上敷設(shè)隔熱防護(hù)材料，因墻體本身向外界散熱少，所以局部保溫不會(huì)有效阻隔通過(guò)墻體向外界的散熱，從而不會(huì)有效提高貯存區(qū)空間空氣的溫度。

(3) 貯存區(qū)非絕熱墻體的散熱是不能忽視的排熱途徑。在全部保溫措施情況下，這些墻體不能有效散失熱量，將使排風(fēng)溫度和貯存井的溫度升高，尤其是貯存井的溫升導(dǎo)致頂部墻體溫度較局部保溫優(yōu)化的情況高。因此，具體的保溫面積和對(duì)哪些墻面采取保溫措施要根據(jù)具體工程的實(shí)際情況確定，不能盲目的采取全保溫的措施。

(4) 按照模擬計(jì)算結(jié)果分析，局部保溫優(yōu)化后該工程在貯存庫(kù)初期，只要室外進(jìn)風(fēng)溫度不超過(guò)32℃便可以使用自然通風(fēng)為貯存區(qū)降溫通風(fēng)。原設(shè)計(jì)是室外取風(fēng)溫度為18.8℃時(shí)，才可采用自然通風(fēng)降溫。因此局部保溫優(yōu)化拓寬了自然通風(fēng)使用條件，延長(zhǎng)了自然通風(fēng)工況時(shí)間，減少了機(jī)械通風(fēng)使用頻率，延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備使用壽命，從而能達(dá)到節(jié)能和節(jié)省日常維護(hù)費(fèi)用的效果。

[1] 孫東輝,浦永寧,于喜來(lái)，等. 高放廢液玻璃固化電熔爐技術(shù)[M]. 北京： 原子能出版社,1995(3)：305-397.

[2] 中國(guó)核電工程有限公司. B/T 20012—2010壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 2010.

Research and CFD Analysis of the Ventilation System in Dry Interim Storage Building of Vitrification Plant for Dealing with Spent Fuel

WEI Gang, WANG Lu

(Architecture station of CNPE，Beijing 100840, China)

This paper introduces the general ventilation system in dry Interim Storage Building(ISB) of the Vitrification Plant China for dealing with spent fuel. On this basis, using adiabatic material optimizes the natural convection and using CFD analyses the case. The research gets the result that using adiabatic material can reduce the temperature of concrete, enhance the effect of the natural convection, reduce energy consumption and maintenance expense.

Heating unit; Dry storage; Natural convection; CFD; Energy conservation

2016-07-28

魏 剛(1980—)，男，湖北，高級(jí)工程師，碩士研究生，現(xiàn)從事乏燃料后處理廠通風(fēng)設(shè)計(jì)研究

TL93+3

A

0258-0918(2017)01-0145-09