某核電站安全殼內臨時通風數值模擬研究

杜南麟，王平春，梁漢天

（1.國家電力投資集團有限公司，北京 100029；2.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200030；3.中國人民財產保險股份有限公司深圳市分公司，深圳 518000）

大型先進壓水堆核電廠的核島安全殼在頂封頭吊裝后將形成一個相對封閉的空間，其內部焊接、打磨作業等在此空間內持續開展。焊接過程中會產生大量的顆粒污染物和氣體污染物［1］，其中顆粒的粒徑主要為0.01～1μm。顆粒懸浮于空氣中，為可吸入粒子，這對工人的健康和生產效率帶來極大的影響，人體短期吸入高濃度粉塵或長期吸入一般質量濃度（10 mg·m-3以上）的焊接粉塵，可能導致焊接塵肺。吸入可溶性化合物可能引起肺炎和血液系統疾病，對于這些疾病國內目前尚無特效治療方法［2］。因此，我們必須設置合理的通風系統以改善核島安全殼內的空氣環境。臨時通風布置是解決這一問題的有效方法。

在核電廠的臨時通風布置方面，李金海［3］等研究了AP1000核電廠的核島臨時通風風量計算及通風布置，劉源［4］研究了ACPR1000反應堆廠房臨時通風布置，但目前尚未有人進行有關核島安全殼內大密閉空間臨時通風方面的數值模擬研究。臨時通風系統布置涉及風量計算、風機選型、路徑規劃、施工邏輯等諸多因素，而數值模擬能夠在無需實際布置的情況下超工期進行預研，其結果可提高施工方案的針對性和可操作性，有效避免后續頻繁盲目調整，為安全殼內臨時通風布置設計優化提供參考。

1 通風風量及通風布置

基于核島空間布置，本文選取核島臨時通風空間最大和通風難度最大的12.65 m平臺以上空間進行研究。12.65 m平臺以上區域臨時通風系統可根據空間位置分為12.65 m平臺以上空間通風系統以及安全殼頂封頭（Containment Vessel Top Head，簡稱CVTH）以上局部抽出式通風系統兩部分。其中，CVTH以上局部抽出式通風系統主要通過設置在該標高層上的軸流風機將作業的煙氣送至12.65 m平臺。12.65 m平臺上排煙有兩種方式，一是利用12.65 m平臺處吊裝孔排風，二是利用安裝在12.65 m平臺上的軸流風機將安全殼內作業空間產生的污濁空氣，如焊接煙塵等，通過風管穿過設備閘門，直接排出到外部空間。為減小風管阻力和方便現場施工，根據安全殼現場情況，12.65 m平臺以上空間的系統通風管路沿筒體內壁鋪設在12.65 m平臺，CVTH以上局部抽出式通風系統的管路沿腳手架垂直布置；CVTH環縫處主要進行環縫焊接作業，利用安全殼循環冷卻系統（簡稱VCS）環形風管進行通風，將CVTH頂封頭位置煙塵抽至安全殼外。

整個廠房內的通風系統如圖1所示。

圖1 12.65 m標高以上臨時通風布置圖Fig.1 Layout of temporary ventilation above 12.65 m

系統風機風管沿筒體內壁至設備閘門布置，在11廠房布置排風機1臺，11廠房內采用矩形鍍鋅風管，同時為便于設備閘門大宗材料運輸需要和風管經常性移動，且考慮到風機性能、風管風速承受能力、設備閘門通行及排煙通路限制，此處風管采用直徑1200 mmPVC材質。

經計算，12.65 m以上CV圓柱筒體體積為50 231 m3，頂封頭（球缺）體積為11 095 m3，若按照每小時換氣3次計算［5］，則每小時通風量為183 978.3 m3。

2 臨時通風數值模擬

根據安全殼廠房及主要模塊尺寸，筆者利用AutoCAD對12.65 m以上空間進行建模。為簡化模型，降低網格劃分難度及運算強度，本文忽略各貫穿孔、CA01模塊空腔等，建模結果如圖2所示。

圖2 12.65 m以上安全殼內通風布置圖Fig.2 Ventilation layout in containment above 12.65 m

參照相關焊接文獻研究［6］，筆者設定單個焊接作業點粉塵發生速度為0.006 g·s-1，同時類比AP1000核電項目焊工人數，假設高峰期共80人在計算模型空間內連續進行焊接等作業，連續性系數取0.5，且粉塵在CA01模塊上部平臺21.3 m處均勻產生，則單位時間內粉塵質量流為4.8×10-4kg·s-1。筆者按上述要求設置邊界條件，利用ANSYS-FLUENT14.0軟件進行數值模擬，使用離散型模型和κ-ε雙方程湍流模型，具體見表1。

表1 邊界條件設置Table 1 Boundary condition setting

筆者利用FLUENT進行數值模擬并選取12.65 m、21.3 m、42 m三個典型標高進行分析。

根據數值模擬結果，我們可以發現：

（1）圖3顯示：在12.65 m標高平面上，CH01設備閘門處產生的風流能夠順利地貫穿右側區域，并最終與CH01處的排風管的進風匯合，風速在3 m·s-1以下，屬于輕風等級；吊裝孔處進風流速也較大，在2 m·s-1左右；由于CA01模塊阻擋，中間風速較小，多在0.5 m·s-1以下，屬于軟風等級或無風等級［7］。此外，在吊裝孔與CH01設備閘門之間粉塵濃度較大，原因是結構形成的漩渦，不利于粉塵的排放，導致粉塵輕微聚集。

圖3 12.65 m標高Fig.3 12.65 m elevation

（2）圖4顯示：在21.3 m標高平面上，因CA01頂部鋼平臺處為本模擬粉塵產生的設定區域，所以粉塵濃度最大，但總體上粉塵濃度在4 mg·m-3以下，滿足國家標準［8］要求；粉塵自CA01開始擴散，由于VCS風口通風作用，左右兩側濃度明顯減小。因此對于粉塵集中產生區域，必須設置過濾煙塵凈化器等降塵措施以確保粉塵濃度滿足國家標準要求。

圖4 21.3 m標高Fig.4 21.3 m elevation

（3）圖5顯示：在42 m標高（環吊梁標高）平面上，在渦流區域有較為明顯的粉塵聚集，相對位置在吊裝孔上面的粉塵濃度較大，但其他區域粉塵濃度較小，排塵效果顯著。

圖5 42 m標高Fig.5 42 m elevation

3 粉塵控制措施建議

根據安全殼廠房臨時通風布置及數值模擬結果，我們可采取以下措施提高粉塵控制效果：

（1）設置局部通風機。在局部粉塵濃度較大或聚集的區域設置局部通風機，引導風流將粉塵及時排至風管處并最終排至室外，從而降低粉塵濃度。

（2）設置降塵措施。根據模擬結果，在粉塵產生量較大的區域設置焊接煙塵過濾器等降塵措施，從源頭減少粉塵產生，防止其從焊接點向四周擴散；對于逸散粉塵的生產過程，應對產塵設備采取密閉措施；作業前應對生產工藝以及粉塵性質進行分析，如果可以采取濕式作業，應盡量采用濕式作業方法；在濕式作業仍不符合衛生要求的情況下，應采用其他通風方式和除塵方法。

（3）優化施工邏輯。盡量在CVTH頂封頭吊裝之前將VCS安全殼循環冷卻系統環形風管安裝在安全殼上，提前投用。

（4）提高模塊化水平。盡可能將焊接、切割打磨等易產生粉塵的作業提前在核島外完成，減少核島內作業的頻次。

（5）個人防護。對于采取了多種措施仍然無法確保接觸濃度符合要求的，作業人員應佩戴防塵口罩或面具。

4 總結

本文基于國內某核電廠安全殼廠房結構研究了臨時通風所需風量，構建了數值模擬模型，模擬了計算空間風流矢量、粉塵濃度在空間不同標高下的分布特征，模擬結果顯示計算風量總體上達到了全面通風降低粉塵濃度的目的；根據模擬結果，探討了降低安全殼廠房內部粉塵濃度的方法，提出了局部通風、設置降塵措施、優化施工邏輯、提高模塊化水平及個體防護的綜合治理措施，有利于改善通風環境和加強安全殼內的粉塵控制，為電廠建設創造良好的作業環境。