核電廠主控制室熱擾強度限值研究

上海核工程研究設計院有限公司 林宇清

0 引言

主控制室作為核電廠的控制中心，承擔著保證核電廠正常運行和事故發生后安全停運的重要使命。在三代非能動壓水堆核電廠通風系統中，正常運行時，主控制室采用地板送風方式，以滿足室內工作人員的熱舒適和機組設備環境溫度要求；發生設計基準事故后，主控制室依靠主控制室應急可居留系統來保證事故發生后72 h內主控制室壓力邊界內的人員可居留性[1]。包括維持主控制室正壓，防止氣載污染物侵入；為主控制室內人員提供呼吸用氣[2]；為主控制室壓力邊界內的空氣提供安全有關的非能動過濾功能，移除所有滲透進入主控制室壓力邊界的潛在污染物[3]；利用圍護結構的熱容提供非能動冷卻。

事故發生后，主控制室依靠超厚重混凝土墻體吸收室內散熱量，維持室內空氣在72 h內溫升不超過8.3 ℃，從而保證工作人員的可居留和設備的正常運行。主控制室內擾散熱是影響正常運行時熱舒適和事故運行72 h內室內空氣溫升的重要因素，研究其散熱特性對進一步提出主控制室熱控制措施十分必要。

主控室內擾的散熱量大、持續時間長，同時隨時間呈階段性變化，是影響主控制室室內空氣狀態的重要因素。主控制室室內的熱源種類繁多、形狀各異。嚴格地描述內擾散熱特性時還需要考慮輻射、對流和熱源的耦合關系。而目前對于內擾特性的研究主要集中在對流和輻射的熱量比例，但研究仍不完善。因此進行內擾特性及內擾對于主控制室室內狀態影響的研究，進而對主控制室室內環境進行熱控制是十分必要的。

1 主控制室幾何模型

利用ANSYS進行三維建模，建立的主控室模型如圖1所示。簡化后主控制室尺寸為長23.12 m、寬22.35 m、高5.40 m，常開門的高度為2.00 m。墻、頂板混凝土厚600 mm，頂板裝有垂直肋片，室內初始空氣溫度為22 ℃，外墻保溫層厚度為133 mm，室外溫度為30 ℃。頂部有3個送風口，1個回風口，當主控制室相對周邊的壓差超過30 Pa時，泄壓閥門開啟，進行排風。送風口及回風口的參數如表1所示。

圖1 主控制室幾何模型

2 室內熱擾理論模型

對室內熱擾，τ時刻的總散熱量qin是時間τ的函數：

qin=qin(τ)

(1)

在0～τ的時間段內，內熱源釋放的總散熱量Qin(τ)為

(2)

主控制室發生事故時，工作人員會繼續停留，以控制設備儀表等在一段時間內持續運行，以及核電站安全停堆。主控制室內照明、顯示儀器、辦公設備等為保證室內人員正常工作，也在一定時間內運行。即不同類型室內熱擾在72 h內不同階段持續散熱，控制設備儀表、應急照明、辦公設備等根據應用需要在不同時間段開啟或關閉，操作人員則在72 h內在室內工作和停留。主控制室熱擾在0～72 h總散熱強度均呈階梯變化，分為3個階段，如表2所示。

主控制室發生事故后0～2 h內，要保持所有設備運行，所以熱擾總散熱強度較大，此階段熱擾強度為18 497 W；2 h后，主控制室內設備如大屏幕信息系統、辦公設備等設備停止運行，熱擾總散熱強度立刻降低；24 h后一些次重要的設備停止運行，主控制室內熱擾只有停留人員和安全照明等，熱擾強度降低，并持續到72 h。

主控制室混凝土熱阱在主動冷源正常運行時，儲存冷量，經過足夠長的時間混凝土熱阱溫度與室內溫度保持一致為t(0)，當事故發生時熱阱吸收室內外熱擾散熱量，溫度開始上升?；炷翢嶷鍌鳠釣槠叫杏诨炷梁穸确较蛏系囊痪S導熱，則0～τ時間內，熱阱吸熱總量Qr為

(3)

式中i為熱阱數量(比如有4面墻和1面頂板為熱阱，則i為5)；λr為混凝土的導熱系數，W/(m·℃)；Ari為各熱阱的傳熱面積，包括4面外墻及天花板，m2；tri(x,τ)為τ時刻位于xr處混凝土熱阱溫度，℃；xr為混凝土熱阱距離傳熱面距離，m。

定義熱阱混凝土第三類邊界條件如下：

(4)

式(4)、(5)中hin為熱阱內表面對流換熱系數，W/(m2·℃)；hex為熱阱外表面綜合換熱系數，W/(m2·℃)；δr為混凝土熱阱厚度，取0.6 m；tr(τ)為τ時刻混凝土熱阱溫度，℃；tex(τ)為τ時刻混凝土熱阱外表面溫度，℃。

3 模型工況參數設置

基于以上描述的物理模型，采用RNGK-ε湍流模型，近壁處采用標準壁面函數法處理。室內空氣流動為湍流、自然對流、強迫對流都存在的混合對流；考慮溫差引起的浮升力的影響，采用Boussinesq假設。室內空氣和圍護結構構成的整個空氣流動區域網格數為216 515個。在壓力-流動方程的耦合求解中采用標準的SIMPLE算法，每個時間步長內采用殘差判定收斂，其中流動量收斂判據為10-3，能量收斂判據為10-6?？諝馕锢韰狄姳?。模擬工況初始溫度22 ℃，墻體面積689.44 m2，頂板面積414.84 m2，外墻保溫層厚度133 mm，室外溫度30 ℃。

表3 空氣物理參數

4 熱擾強度影響分析

對工況1～5進行模擬，結果如圖2所示。分析各工況最高溫度，結果見表4?？梢园l現，第2 h時增加發熱量100%使得室內空氣最大溫升為7.85 ℃，對比工況1增幅14.19%；隨后由于室內發熱量的降低，溫度上升趨緩，兩工況室內空氣溫差逐漸減小。0～72 h工況5最大溫升7.85 ℃，沒有超過溫升限值，比安全界限8.3 ℃低0.45 ℃。

圖2 室內熱擾強度改變室內溫升對比

表4 各工況室內溫度

主控制室室內熱擾散熱強度是主控制室室內空氣溫度響應的重要因素。因為主控制室內熱擾散熱首先進入室內空氣，室內空氣再與熱阱壁面進行換熱。主控制室室內空氣最大溫升隨室內熱擾強度倍數增大逐漸上升，趨勢如圖3所示。

圖3 熱擾強度倍數與最大溫升擬合曲線

利用5種工況得出的最大溫升值，線性擬合處最大溫升與熱擾強度的關系見下式：

y=3.732x+0.406

(6)

式中y為主控制室在72 h內的最大溫升，℃；x為熱擾強度倍數。

當室內熱擾強度增大到2倍時，室內最大溫升為7.85 ℃，未超過室內溫升安全限值8.3 ℃，由式(6)可知，原熱擾強度的2.12倍，對應溫升安全限值8.3 ℃，所以熱擾強度不應該超過現有強度的2.10倍。

根據以上數據，擬合出主控制室72 h內最大溫升隨室內熱擾強度和熱阱體量同時變化的二元函數，擬合式如下：

y=5.261 43-4.591 35x1+3.581 1x2

(7)

式中x1為實際熱阱體量與模型熱阱體量的比值；x2為實際熱擾與模型室內熱擾強度的比值。

5 結論

主控制室室內熱擾散熱強度是主控制室室內空氣溫度響應的重要因素。主控制室室內空氣最大溫升隨室內熱擾強度增大逐漸上升。當室內熱擾強度增大到2倍時，室內最大溫升為7.85 ℃，未超過室內溫升安全限值8.3 ℃，由擬合公式可知，熱擾強度不應該超過模型熱擾強度的2.10倍。