(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(tǒng)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(lǐng)先者，為世界核安全領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展注入強勁的動力。

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

示范工程主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要功能是滿足工作人員和設(shè)備正常工作所需的環(huán)境要求，同時更是實現(xiàn)主控室可居留區(qū)可居留性要求的必要系統(tǒng)，為安全級系統(tǒng)。本文基于CFD軟件，在空調(diào)系統(tǒng)遇到事故工況下，對主控室可居留區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)室內(nèi)溫度變化曲線，分析主控室可居留區(qū)在事故工況下是否滿足可居留性要求。

1 主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)及事故工況介紹

1.1 主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

示范工程主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要由兩臺組合空調(diào)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(fēng)機(1運1備)和通風(fēng)管道及設(shè)置在管道上的隔離閥、調(diào)節(jié)閥、防火閥等閥門組成，設(shè)備均為安全級。

空調(diào)系統(tǒng)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(huán)水泵(1運1備)，設(shè)備均為抗震I類，接應(yīng)急電源。冷卻水來自廠用水系統(tǒng)，房間冷負(fù)荷通過冷卻水系統(tǒng)由空冷塔排放至大氣中。另單獨設(shè)置一臺風(fēng)冷式冷水機組作為在廠用水失去條件下的補充，為空調(diào)系統(tǒng)提供冷源，設(shè)備為抗震I類，接應(yīng)急電源。

1.2 事故工況介紹

主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)在失去廠用電事故工況下，能動設(shè)備接入應(yīng)急電源系統(tǒng)，維持系統(tǒng)繼續(xù)運行，保持可居留區(qū)可居留性要求；在失去廠用水系統(tǒng)事故工況下，開啟風(fēng)冷式冷水機組，保持對空調(diào)系統(tǒng)冷凍水的供應(yīng)，滿足可居留區(qū)可居留性要求。廠用水系統(tǒng)和風(fēng)冷式冷水機組全部失去的事故工況下，空調(diào)系統(tǒng)沒有冷凍水提供冷源，但風(fēng)機的正常運行可以保持主控室可居留區(qū)的持續(xù)通風(fēng)，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(fēng)機及冷水系統(tǒng)由于無電力供應(yīng)無法工作，主控室可居留區(qū)的散熱量只能通過向有溫差的墻體傳熱，同時利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土和室內(nèi)空氣蓄熱，從而實現(xiàn)室內(nèi)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(qū)的室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行模擬和分析。

2 計算輸入?yún)?shù)

2.1 主控室可居留區(qū)各房間散熱量

表1是主控室可居留區(qū)各房間散熱量。見表1，主要散熱房間為主控制室和控制設(shè)備間，其它房間設(shè)備散熱量均較小，對可居留區(qū)室內(nèi)環(huán)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(shè)備間在全廠電源失去的事故工況下進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境溫度分析。

按照表1數(shù)據(jù)，事故工況前2 h內(nèi)，主控制室和控制設(shè)備間的內(nèi)熱源密度分別為6.34 W/m3和35.91 W/m3；2 h后，部分控制設(shè)備執(zhí)行完安全停堆任務(wù)后關(guān)停，控制設(shè)備間的內(nèi)熱源密度減小為4.82 W/m3，主控室內(nèi)熱源保持不變。

表1 主控室可居留區(qū)各房間散熱量

2.2 物性參數(shù)

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

主控制室和控制設(shè)備間圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕大部分是鋼筋混凝土構(gòu)成，主控制室部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃窗，所占比例較小，因此可簡化均為鋼筋混凝土構(gòu)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(shù)見表2。

表2 鋼筋混凝土性能參數(shù)

2.2.2 環(huán)境參數(shù)

示范工程主控室可居留區(qū)空調(diào)系統(tǒng)為全年性空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)溫度一直保持在20～25℃。室內(nèi)環(huán)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(nèi)空氣性能參數(shù)見表3。

表3 內(nèi)空氣性能參數(shù)

3 數(shù)值模擬和分析

3.1 模型建立

3.1.1 控制方程

當(dāng)發(fā)生全廠電源失去的事故后，房間余熱得不到有效排出，室內(nèi)環(huán)境溫度會隨著時間的推移逐漸升高，因此采用瞬態(tài)傳熱方程。

發(fā)生上述事故后，主控制室和控制設(shè)備間的通風(fēng)系統(tǒng)停運，這兩個房間所在區(qū)域均無外門窗，風(fēng)壓和熱壓影響基本可以忽略，因此房間內(nèi)的氣流流動很小，可不考慮流動和傳熱的耦合計算?？刂品匠炭山坪喕癁槭?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(nèi)熱源散熱量(W)；ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)；c為介質(zhì)比熱容(J/(kg·℃))。

3.1.2 邊界條件

為保證設(shè)計余量，主控制室和控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境初始溫度設(shè)置為24℃，計算區(qū)域外圍空氣溫度采用石島灣夏季空調(diào)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(wǎng)格劃分

運用CFD軟件按照示范工程主控制室和控制設(shè)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(shè)備間空氣域，第三個模塊是鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總量約為17萬。主控室和控制設(shè)備間空氣域及外部大空間的模型和網(wǎng)格見圖2。

3.2 數(shù)值模擬和分析

運用CFD軟件對上述模型進(jìn)行數(shù)值計算，打開能量方程，考慮導(dǎo)熱和熱輻射的耦合影響，輻射模型采用Rosseland模型，時間步長設(shè)置為1 min，能量殘差設(shè)置為1×10-9?？紤]到圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)為鋼筋混凝土，反射系數(shù)取值為0.3。

3.2.1 主控制室室內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)值分析

圖3為主控制室室內(nèi)環(huán)境溫度在第1小時內(nèi)的變化圖。由圖3可知，在上述事故發(fā)生后的15 min內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升0.27℃；15 min之后室內(nèi)環(huán)境溫度隨時間上升趨勢相對變緩。導(dǎo)熱和輻射傳熱過程中，室內(nèi)空氣首先會吸收和散射一部分熱量，因此在開始階段室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升，上升速率約為0.02℃/min。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)環(huán)境溫度突然升高，會造成人體的不適感。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開始吸收熱量后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升趨勢變緩。

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

3.2.2 控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)值分析

控制設(shè)備間的室內(nèi)環(huán)境溫度變化分兩個時段。第一時段是上述事故發(fā)生到發(fā)生后兩小時，部分控制設(shè)備依靠蓄電池組提供的電源繼續(xù)執(zhí)行安全停堆任務(wù)，房間設(shè)備散熱量較大。第二時段是上述事故發(fā)生2 h后到第72 h，部分設(shè)備關(guān)停，房間設(shè)備散熱量降低。

圖5是控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境溫度第一時段變化圖。在上述事故發(fā)生后的20 min內(nèi)，室內(nèi)環(huán)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(nèi)環(huán)境溫度隨時間上升趨勢相對變緩。同上所述，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量傳遞的滯后性，若控制設(shè)備間設(shè)備散熱量較大，短時間內(nèi)上升溫度過高，溫度上升速率過快，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會對一些設(shè)備、儀表，尤其是高精度的設(shè)備儀表的正常使用造成一定的影響。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開始吸收熱量后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升趨勢變緩。第一時段結(jié)束后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升近2℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為26℃(室內(nèi)環(huán)境初始溫度為24℃)。

圖6是控制設(shè)備間室內(nèi)環(huán)境溫度72 h內(nèi)變化圖。第二時段開始后，由于設(shè)備散熱量的大幅度降低，隨著鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱，室內(nèi)環(huán)境溫度呈緩慢下降趨勢，到第12 h，溫度降低0.5℃。然后室內(nèi)環(huán)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(fā)生后72 h，室內(nèi)環(huán)境溫度上升了3.3℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為27.3℃(室內(nèi)環(huán)境初始溫度為24℃)，低于儀控設(shè)備工作溫度上限值35℃，對設(shè)備的正常工作不會造成影響。

4 優(yōu)化措施

由圖4和圖6可知，室內(nèi)環(huán)境溫度對時間的二階導(dǎo)數(shù)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(fā)生后的72 h內(nèi)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(nèi)環(huán)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(shè)備間設(shè)備散熱量會增大，可居留區(qū)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(nèi)環(huán)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(fā)生，主控室可居留區(qū)可采取以下措施維持室內(nèi)環(huán)境溫度在事故工況下的適宜性。

4.1 采用蓄熱系數(shù)大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料蓄熱系數(shù)越大，對熱量的吸收能力就越強。通過加強圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，正常工況下可以穩(wěn)定室內(nèi)環(huán)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(shù)為17W/(m2·℃)，碳鋼的蓄熱系數(shù)為126 W/(m2·℃)[2]，若鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)敷設(shè)鋼板，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力會得到較大提高。AP1000機組主控室圍護(hù)結(jié)構(gòu)上敷設(shè)鋼翅片，除了加強傳熱外，也起到提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力的作用。

4.2 相變蓄熱

相關(guān)蓄熱是一種更有效地加強圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)中，可以將熱流波動的影響削弱，把室內(nèi)環(huán)境溫度控制在適宜的范圍內(nèi)[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(zhì)均勻[4]，今后可應(yīng)用于可居留區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。

4.3 利用自然通風(fēng)

核電站主控制室一般均設(shè)計在內(nèi)區(qū)，無外門窗，當(dāng)全廠電源和冷水系統(tǒng)失去的事故工況下，無法直接利用自然通風(fēng)排出余熱。若在主控制室圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)設(shè)置空氣流通夾層，正常工況下空氣通道利用手動百葉窗關(guān)閉，上述事故發(fā)生后，可手動開啟百葉窗。排風(fēng)口設(shè)置位置須比進(jìn)風(fēng)口位置高，利用熱壓保持夾層內(nèi)的自然通風(fēng)，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量及時排出。

5 結(jié)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(shè)備間72 h溫升分別為2.8℃和3.3℃，室內(nèi)環(huán)境溫度均在27℃左右，同時局部時間室內(nèi)環(huán)境溫度快速上升的速率也不會對工作人員和設(shè)備造成影響，可見按照示范工程主控制室和控制設(shè)備間的房間散熱量計算的上述事故工況下的72 h內(nèi)室內(nèi)環(huán)境溫度均滿足可居留性要求，同時也說明依托圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力可作為一種極端事故工況下維持可居留性環(huán)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(fā)展，主控室可居留區(qū)在今后的設(shè)計中應(yīng)采取優(yōu)化措施，加強冷水系統(tǒng)或全廠電源失去這類事故工況下房間余熱的排出。