PDMS在核電廠廠房自由容積計算中的應用

摘 要：核電廠反應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。文章應用了PDMS（Plant Design Management System）軟件對臺山一期和紅沿河5號機組反應堆廠房自由容積進行了計算，計算結果與原始設計結果一致。同時在計算過程中，總結了開展廠房自由容積過程中對物項體積的處理方法，可為相關工作提供參考。

關鍵詞：核電廠；反應堆廠房；自由容積；PDMS

1 概述

反應堆廠房自由容積是指廠房內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，在核電工程設計過程中，增大反應堆廠房自由容積，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。

根據前述定義，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、廠房總容積和物項的體積。由于反應堆廠房為規則幾何體，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）兩個項目的反應堆廠房自由容積的計算工作。計算結果與兩個項目原始設計數據很接近，表明PDMS完全可以勝任相關的工作。同時，在開展計算過程中總結出了物項體積的處理方法和原則，可以相關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，廣泛應用于核電、火電、化工、海上工程等大型工程設計項目[2，3]。中廣核工程公司目前承擔的所有核電工程設計都采用了PDMS軟件作為主要三維設計工具。

在PDMS中表達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，一般用于具有復雜表面的物體，以減少計算時間。對于線狀物體，如管道，風管和橋架等，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的所有物項的體積和尺寸屬性提取出來，再進行統計。

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

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

一般來講，以上物項都可以考慮為實體結構物項，在自由計算時需要加以統計。其他的物項，如照明系統等，由于體積小，可以忽略。對于風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。

對于設備、混凝土、門結構、鋼結構、閥門、支架這幾類物項可以提取模型的NVOL獲取物項的體積。對于風管、管道一般可通過獲取截面積和長度參數計算體積，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，由于模型表達的原因，一般通過獲取截面積和長度參數計算體積。水池中水的體積一般在模型不表達，需要人工計算。

2.3 應用實例

利用對臺山一期EPR堆型（TSN）及紅沿河5號機組M310堆型（AZ5）兩個項目的反應堆廠房自由容積進行了重新計算。計算自由容積的邊界為由反應堆廠房筏基上表面以及安全殼鋼襯里內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容積Vtotal。

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的物體尺寸和體積參數。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部分的體積。

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

49400m3[5]，與計算結果很接近，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，發現有以下幾點需要重點關注：

（1）對于風管內部空間所占體積，是否需要作為實際物項加以考慮，存在一定的爭論。當反應堆廠房自由容積用作廠房超壓分析時，由于通風口與風管內部空間連通，風管內部體積應當作廠房自由容積的一部分。但是當廠房為“送-排風”的通風模式，此時排風管道部分應當作廠房自由容積的組成部分來計算廠房氣載放射性濃度，而送風管道應該當作實體物項。另外，風管本身結構、附屬結構和保溫結構也會占據空間。而這兩種應用場合，自由容積參數偏小，在核安全上偏保守的。因此，文章將風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實體表達了空腔結構。此時NVOL屬性僅是設備殼體的體積，與實際不符。對于此類設備，一般需要通過人工復核或改為提取GVOL屬性。（3）在提取設備、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果的準備性。因此，在利用PDMS開展自由容積時，首先需要對模型進行評估，并作為后續數據圓整處理的依據。比如，若廠房中未表達門結構，則在計算混凝土體積時可不排除門洞的負挖體積來近似得到門的體積。（5）對于反應堆廠房的自由容積，應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計算得到結果之后，需要進一步向下圓整再提供給相關專業。

3 結束語

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

參考文獻

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

[2]姜紅靜，楊永春.PDMS在核電廠管道設計中的應用[J].中國核科學技術進展報告（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計中的應用[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（1982-），男，工程師，從事核島廠房布置設計工作。