AP1000核電站安全殼廠房水噴霧滅火系統的設計分析

周忠秋

摘 ? 要：AP1000核電站安全殼廠房內的消防系統在正常運行期間為干管運行，當消防系統需要動作時再進行充水，這與常規的消防系統的運行方式不同。市場上的雨淋閥組均是用于閥組前的管道始終是充水情況下的，本文針對市場上常見雨淋閥組是否適用于AP1000核電站安全殼廠房這一問題展開討論和分析，采用流體力學軟件Fluent模擬的方式得出安全殼消防母管充水過程中，會導致系統誤動的結論。并針對這一情況，給出了使用電動雨淋閥組替代的解決方案，為后續工程的設計提供參考。

關鍵詞：安全殼 ?AP1000核電廠 ?雨淋閥組 ?干式管道 ?Fluent

中圖分類號：TU892 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0116-02

1 ?引言

AP1000核電站安全殼廠房布置大量的電纜，設計了5組水噴霧滅火系統對這些電纜橋架進行火災防護[1]。為保證核電廠正常運行期間，消防水誤動或管道破裂導致的消防水大量進入安全殼，威脅安全相關系統的正常工作，布置于安全殼廠房內的消防管道在電站正常運行期間為干管。當電流橋架水噴霧滅火系統需要動作時，再人為打開安全殼外的隔離閥給安全殼內的消防管道進行充壓。通過分析，得出市場常見雨淋閥不適用于安全殼廠房消防系統的結論，并給出了解決方案。

2 ?AP1000安全殼內消防系統

安全殼內的消防系統由位于安全殼貫穿件外側的常關閥門V003與供水管道進行隔離，在電廠處于正常運行模式下，消防系統都不將水送至安全殼內，即安全殼內的消防系統在準運行工況下處于干管狀態，圖1為AP1000安全殼內消防系統簡圖。

市場上現有的雨淋閥組均是為濕式系統設計的，即在水噴霧系統處于準運行狀態時，雨淋閥組的供水側是充滿壓力水的，以圖2泰科公司DV-5型雨淋閥組為例，隔膜腔中的壓力與供水腔的壓力相等，但供水腔中的水作用在膜片上的面積僅為膜片腔中的水作用在膜片上面積的一半，所以閥組可以維持在關閉的狀態，需要動作時通過自動（火警聯動電磁閥打開）或者就地打開啟動閥，使膜片中的壓力降低，最終導致雨淋閥組動作。

安全殼內消防母管下游有消防立管、安全殼噴淋和電纜橋架水噴霧滅火三個子系統，任何一個子系統需要工作時，均需將V003開啟，對安全殼消防母管進行充水[2]。此時雨淋閥組會經歷未人為的投用操作即開始充水，有系統全部誤動的風險。當安全殼內消防母管由干式轉換為濕式時，采用Fluent流體力學軟件模擬此時DV-5型雨淋閥組的運行工況。

2.1 模擬控制方程

雨淋閥組充水的過程屬于兩相流問題，該問題中可按水氣相流的控制方程進行數值求解[3]。VOF方法的控制方程為不可壓縮流體的N-S方程和連續性方程：

式中：t為時間;μ、v分別為x、y方向上的流體速度分量;p為流體壓強;ρ為流體密度;V為流體運動粘度分量;gx、gy為體積加速度分量;θ為部分單元體參數，其值在0～1之間。

為了表示自由面，VOF方法引入函數F（x，y，t）。如果F=1，則這個網格單元充滿流體;如果F=0，則該網格單元不含流體;如果0

2.2 建立模擬模型

采用Gambit軟件建立DN200 DV-5雨淋閥組的全尺寸模型，并采用TGrid類型對模型進行劃分網格，網格劃分結果如圖3所示。

2.3 邊界條件的設定

如果在安全殼內電纜橋架水噴霧自動滅火系統中采用上面的雨淋閥組。當需要將非安全相關的安全殼噴淋子系統投入運行時，利用消防泵為安全殼內消防管道充水，這時，水流也會進入電纜橋架水噴霧滅火系統的雨淋閥中，取水流進雨淋閥組供水管道的速度為1m/s，即將入口界面的邊界設置為速度入口邊界條件。

2.4 計算結果及分析

圖4中給出了雨淋閥組自然充水的過程模擬結果，當t=0.28s時，水流通過隔膜腔供水管路開始進入隔膜腔，當t=0.95s時系統腔中已充滿了水，隔膜腔中僅有少量的水，隔膜腔的充水速度遠小于系統腔的充水速度。因此在雨淋閥組自然充水過程中，隔膜腔內的壓力不足以維持雨淋閥組為關閉的狀態，可致使雨淋閥組誤開啟。

因此，當安全殼噴淋環管需要動作時，安全殼此時已存在放射性物質，人員進入是不可接受的。在執行噴淋的過程中，若采用的市場上現有的DV-5型雨淋閥組，設置的三列水噴霧系統也會誤打開，造成系統的不可控，同時也會因系統流量的增加而影響安全殼噴淋環管的水源的壓頭，影響噴淋效果。因此，在AP1000安全殼電纜橋架水噴霧自動滅火系統中，市場上沒有可以應用的雨淋閥組。

2.5 解決方案

針對市場上通用的DV-5型雨淋閥組會在安全殼的充水過程中誤開啟，給出了圖5所示結構的閥門，該閥門由一個電動蝶閥來控制系統的動作，還添加了主排水閥、壓力表、壓力開關、報警試驗閥和系統排水閥。壓力開關在系統動作后給火災報警主機提供反饋信號，告訴外部人員該閥門已正常開啟，水流已進入閥門下游。

圖中所示的電動閥組不會在干式管道充水過程中誤開啟，電動閥動作的電源為來自火災報警控制盤的24V直流電源，火災報警控制盤除了用雙電源供電之外，還配備蓄電池，可以保證在事故情況下動作的可靠性。

3 ?結語

根據安全殼內的消防系統在正常運行時未干管的特點，采用Fluent軟件對市場上常見的DV-5型雨淋閥組進行了分析，得出了雨淋閥組在充水過程中會誤動，不適用于安全殼干式消防系統的結論，并給出了如圖5所示的電動閥組進行代替的解決方案。

需要提出的是，與雨淋閥組相比，電動閥組還有以下幾個方面的不足：一是電動閥組的動作速度較慢，完全開啟需要一個過程;二是電動閥組的開啟需要消耗火災報警控制盤上更多的電能;三是與《水噴霧滅火系統設計規范》GB50219-95中第2.1.1條不符：“水噴霧滅火系統，是由水源、供水設備、管道、雨淋閥組、過濾器、水霧噴頭等組成的對保護對象噴射水霧滅火或防火冷卻的滅火系統”[4]。條文規定的是雨淋閥組，而不是電動蝶閥。因此，在準運行工作條件下不是干管的消防系統，不允許用電動閥組替代雨淋閥組。

參考文獻

[1] NRC Regulatory Guide RG 1.189 [S].“Fire Protection for Nuclear Power Plants”

[2] 顧軍，繆亞民.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010.

[3] HIRTCW， NICHOLSBD. Volume of Fluid Method for the Dynamics of Free Boundary [J].Journal of Computational Physics，1981（93）：201-225.

[4] GB 50219-1995，水噴霧滅火系統設計規范[S].