核電廠低溫災害防護設計研究

深圳中廣核工程設計有限公司 張 峰

0 引言

寒冷地區低溫造成的危害可能影響核電廠的安全和運行。核電廠低溫防護需求來自于設備和人員，有以下特點：

1) 低溫防護的范圍幾乎涉及全廠；

2) 液體工質和油品在低溫環境可能出現陡邊效應，比如凍結、結晶；

3) 低溫防護通過圍護結構和供熱措施共同實現，由于低溫危害來自外部環境，所以圍護結構的絕熱和熱慣性作用比較明顯；

4) 與高溫危害防護相反，系統和設備運行一般有利于低溫防護，待命和備用的停運設備往往是低溫防護需要特別關注的對象。

通過寒冷地區核電廠的自主設計、建造和運行，進行了大量的探索和研究，積累了一定的工程設計經驗和認識。本文通過分析、歸納和提煉，希望建立一套核電廠低溫防護設計的原則和方法。

1 低溫防護的設計目標

核電廠低溫防護的主要目標是保證核電廠設備良好運行或者設備不被損壞。根據核電廠不同工況要求和設備材料特性，可以識別和定義如下3類設備低溫防護環境溫度：

1) 長期運行的最低環境溫度ts1，即從性能、壽命等方面考慮，設備長期運行或者備用狀態的可接受最低環境溫度。該特征溫度對應核電廠的正常運行工況，從安全性、經濟性和可實現性等的平衡考慮，可以保留相對較大裕量。

2) 保證功能的最低環境溫度ts2，即設備短期運行或者備用狀態的可接受最低環境溫度。該特征溫度對應核電廠的事故工況，從安全可靠的角度考慮，一般保留合理裕量。

3) 不被損壞的最低環境溫度ts3，即不需要維修，當環境條件恢復后，設備就能夠正常運行的可接受最低環境溫度。該特征溫度指核電廠在事故工況不需要運行的設備的材料和介質不發生不可逆損壞的保證溫度，并考慮必要的裕量。

舉幾個例子說明以上低溫防護環境溫度，供設計研究參考：

1) 包含水溶液工質的流體系統。當水溫處于低于0 ℃的過冷狀態時就可能結冰，影響系統運行，甚至造成設備的損壞。由于流體系統工質的低溫源于環境，當環境溫度為0 ℃時，流體系統的水溶液溫度高于或者等于0 ℃，另外有研究表明水的流動有利于防止結冰，所以僅從水溶液工質的角度考慮，不被損壞的最低環境溫度ts3和保證功能的最低環境溫度ts2可以均取0 ℃。對于核電廠正常運行工況，長期運行的最低環境溫度ts1一般可取≥5 ℃。

2) 硼酸溶液工質的流體系統。體積分數為2 200×10-6的硼酸溶液的結晶溫度為0 ℃，考慮合理的裕量，僅從硼酸溶液工質的角度考慮，ts3和ts2可以均取4 ℃。對于核電廠正常運行工況，ts1一般取≥7 ℃。

3) 人員。國外做了大量研究和試驗，發現人對于溫度的敏感和耐受能力差異很大，特別是對于低溫。一般認為手表面溫度低于15 ℃時，人的工作效能顯著下降。對于在核電廠事故工況需要人員保持操作的區域，ts2可以取7～10 ℃；在核電廠正常運行工況需要人員長期居留工作的區域，ts1一般可取18～22 ℃；對于人員，不考慮不被損壞的最低環境溫度ts3。

核電廠低溫防護設計應該按照不同設備和工質類型，包括各類機械設備、電氣設備、電子設備、包含油和(或)水和(或)硼溶液的管道和容器等，收集相關最低環境溫度的需求值，考慮合理的安全裕量，建立低溫防護環境溫度參數。

需要注意廠房環境溫度不是低溫防護設計的直接目標，系統的運行狀態、保溫、伴熱等都可能改變設備對于廠房環境溫度的要求。比如，堆芯和乏燃料排熱相關的系統、設備冷卻水系統、伴熱設備和管道等，由于存在熱源和保溫，所以其運行狀態對于廠房環境條件幾乎沒有要求或者要求很低，這些系統運行狀態和備用停運狀態對于廠房的低溫防護環境溫度要求是不一樣的。另外，在進行動態熱平衡計算評估分析時，如果有必要，可以直接計算設備本體或者工質材料的實際溫度進行判斷，而不是間接地采用廠房環境溫度。

廠房房間的低溫防護環境設計溫度應該綜合考慮所有安裝在房間內部設備的低溫防護環境溫度參數，并結合核電廠不同工況的功能要求，進行評估確定。

對于安全分析要求的環境初始溫度，應該根據工況假設，采用長期運行的最低環境溫度(ts1)或者保證功能的最低環境溫度(ts2)。

2 低溫防護的室外計算參數

核電廠低溫防護設計室外計算參數的確定要考慮外部災害防護和重要功能相關的可靠性要求，以及低溫防護動態計算分析的參數要求。

參考《先進輕水堆用戶要求文件》(URD)、《輕水堆核電廠歐洲用戶要求文件》(EUR)和我國工業設計標準，結合工程實踐認識和經驗，可以定義3個核電廠低溫防護設計室外計算溫度：

1) 可用性低溫室外計算溫度(tw1)，該溫度用于核電廠非安全功能相關的廠房設備低溫防護和供熱容量設計計算。該參數的定義和統計計算方法可以參考通用的工業空調供熱的設計標準。

2) 安全性低溫室外計算溫度(tw2)，該溫度用于安全相關功能的廠房設備低溫防護和供熱容量設計計算中的圍護結構傳熱計算。由于圍護結構的熱惰性，使通過圍護結構傳熱形成的室內熱負荷具有時間延滯和幅度降低的特點，建議按照較tw1的不保證概率低一個數量級確定該溫度基準的定義和統計計算方法，比如，采用累年平均每年不保證6～12 h的統計計算基準。

3) 極端低溫室外計算溫度(tw3)，該溫度用于安全相關功能的廠房設備低溫防護和供熱容量設計計算中的室外新風引入的熱負荷計算，故這部分熱負荷有瞬時性的特點。該參數的定義和計算采用零超越概率的統計計算基準。

核電廠低溫防護設計室外計算參數的統計計算年限應該根據外部災害防護的總體設計要求確定，參考我國法規要求，建議不低于100 a。

室外風速會影響圍護結構的傳熱，故應該考慮與低溫室外計算溫度相關的冬季室外風速，具體的組合方法和采用基準尚無權威的資料參考，需要另外分析研究。按照我國工業設計標準，構筑物圍護結構的傳熱計算采用通用的外表面換熱系數，再根據構筑物的位置和外部環境特點，采用附加系數進行修正。

在核電廠低溫防護設計中，對于重要供熱功能和措施的可靠性評估分析，需要進行假設特定工況時間長度的動態熱平衡計算，比如低溫疊加廠外電源喪失(LOOP)，要建立該工況計算時間長度對應的室外低溫包絡計算溫度。該室外低溫包絡計算溫度是一條覆蓋計算工況時間長度的最低連續溫度線，代表在核電廠壽命期內可能出現的最低室外連續溫度。計算采用的室外最低連續溫度線應該結合計算分析方法，根據廠址氣象統計數據進行合理的假設擬合，能夠可信地包絡實際可能出現的情況。一種可行的參考做法是根據前面的tw1、tw2和tw3的統計定義，將計算工況的時間進行分段，保守地組合一條分段階梯的低溫連續溫度線。

3 低溫防護的設計原則和方法

核電廠低溫防護應使設備處于適當的狀態，保證設備在核電廠各類工況下能夠執行其需要的功能。低溫作為一種外部災害，應該與核電廠各類工況疊加，根據設備功能采用相應的外部低溫設計基準。

核電廠正常運行工況下，采用可用性低溫室外計算溫度tw1時，所有設備均應該保證良好運行。核電廠正常運行工況和事故工況(包括設計基準事故和擴展設計基準事故)下，采用tw2和tw3時，所有執行安全功能的設備均應該保證能夠可靠運行或者處于能夠可靠投運的備用狀態。

保證安全級設備運行執行安全功能的供熱功能是安全級功能，應采用與所支持的安全級設備功能一致的可靠性設計基準。

僅用于維持安全級設備備用狀態的供熱功能，如果供熱功能失效將導致安全級設備的失效，則該供熱功能雖然不屬于安全級功能，但是屬于安全相關的重要供熱功能，需要考慮特殊的設計基準，比如冗余設計、應急電源等。

保證安全分析初始溫度要求的供熱功能，如果供熱功能失效將導致不能維持安全分析的初始條件，影響安全分析的結論，則該供熱功能屬于安全相關的重要供熱功能，需要考慮特殊的設計基準，比如冗余設計、應急電源等。

保證核電廠可用性相關的重要設備和高價值設備的低溫防護的供熱功能，采用tw2和tw3時，如果供熱功能失效會導致這些設備損壞，則該供熱功能屬于非安全相關的重要供熱功能，需要考慮特殊的設計要求，比如采用柴油機電源。

對于核電廠非安全級的重要供熱功能應進行失效分析，確定其可靠性的設計基準。在供熱功能失效后，如果有必要均可以通過維修干預等措施進行恢復，所以需要確定一個合理的供熱失效故障時間長度，并保守假設發生在最不利的連續低溫時刻，比如室外最低連續溫度線起始時刻為最低溫度。低溫疊加LOOP會導致核電廠停堆、大量設備失電停運和供熱系統失效，是核電廠低溫防護的供熱功能出現共模失效的最不利事件組合，應該作為核電廠重要的非安全級供熱功能進行失效分析的包絡工況。LOOP的延續時間(tL)是一個與廠址相關的基準參數，需要根據核電廠廠址條件進行分析確定，或者根據核電廠總體設計的技術要求，采用可信的包絡延續時間。

在確定供熱需求和容量的穩態熱平衡計算，以及供熱失效分析計算的動態熱平衡計算時，應該根據設備的實際運行情況，合理分析確定可信的廠房內部得熱。房間的供熱功能的設計基準應該根據最高的設備要求確定。

核電廠低溫防護設計原則和方法歸納見圖1。

4 低溫防護的工程措施

核電廠低溫防護設計除了借鑒工業工程的供暖和防凍設計，還可以考慮以下工程措施：

1) 合理選擇設備材料和工質，提高設備的低溫耐受能力，如采用添加防凍液、選用適應低溫的油品、放空設備內部液體等。

2) 優先采用合理提高廠房和設備熱惰性的非能動措施，能夠明顯降低設備低溫防護對于能動供熱的依賴，或者明顯減小能動供熱的設備容量，有利于應對能動供熱失效，提高低溫防護的可靠性。

3) 通過采用廠房或者設備保溫、封閉廠房連通外部的貫穿口部、提高廠房的密封性等措施，提高廠房或設備的熱惰性。

4) 在上述2)、3)的情形下，如果通過合理提高廠房或者設備的初始溫度能夠達到低溫防護目的，宜優先采用。

5) 當廠房內僅少量設備有較高的低溫防護要求時，應針對這些設備采取伴熱、保溫或者其他措施，降低對于廠房低溫防護環境溫度的要求。

圖1 核電廠低溫防護設計流程圖

6) 采用備用設備切換運行，保持流體處于流動狀態。

7) 對于兼顧夏季排熱功能的通風系統，通過變頻、減少運行風機臺數、回風混合等措施合理減少廠房低溫工況的通風量。

8) 當廠房出現供熱功能失效工況(如低溫疊加LOOP工況)時，在核電廠安全可接受的前提下，停運廠房通風。

9) 必要時采用柴油機電源保證廠房供熱。

10) 對于低溫敏感設備的區域應設置低溫監測和報警。

5 結論

1) 應該識別核電廠物項的材料、介質、工質、運行和功能要求等，確定低溫防護的設計目標參數。

2) 根據外部災害防護和功能設計的總體要求，建立一套低溫防護設計的室外設計計算參數。

3) 除了遵循常規核電廠功能和容量設計基準方法，還需要特別關注核電廠備用和停運設備的低溫防護安全，特別是對于相對重要功能設備，至少不能出現造成設備不可逆損壞的陡邊效應。

4) 低溫疊加廠外電源喪失(LOOP)的組合工況可以作為低溫防護設計中供熱失效分析的包絡工況。

5) 優先采用減少圍護結構傳熱和室外新風進入的措施、利用圍護結構熱惰性、提高設備材料和工質的耐低溫性能等非能動低溫防護措施。

核電廠低溫防護設計應該充分考慮各方面因素，基于風險和工程措施的平衡，合理制定工程設計方案，保障核電廠的安全和運行。