基于相變蓄冷的核電廠主控室非能動冷卻系統

趙 丹 林宇清 呂胡人

(上海核工程研究設計院股份有限公司,上海)

0 引言

現有核電廠主控室正常運行情況下均采用能動式空調系統來提供主控室內人員及設備適宜的溫度,而在事故或全廠斷電的緊急情況下,由于能動空調系統功能喪失,房間溫度會不斷上升,溫度會迅速突破主控室內人員和設備可居留溫度極限,進而可能導致主控室人員失去干預電廠事故發展的能力。因此,事故或喪失電源情況下的主控室冷卻系統必不可少[1-3]。

非能動技術是國和一號等三代非能動壓水堆核電站的最顯著特征,可顯著提升核電站的安全性。在三代非能動壓水堆核電站主控室設計中,也利用非能動技術保證事故后無電源情況下主控室人員的可居留性。非能動應急可居留系統(VES)為控制電廠的操縱員提供一個防護的環境。該系統設計為在設計基準事故或由于喪失所有AC(交流)電源導致核島非放射性通風系統(VBS)不可用后運行。目前非能動核電廠設計基準事故工況下,主控室維持可居留環境溫度的時間按照3 d進行設計,以支持72 h內無需人員干預進行安全停堆[4]。

現有主控室非能動應急可居留系統的溫度控制主要依靠非能動熱阱進行冷卻,其主要實現方式是通過混凝土墻及混凝土天花板預埋金屬肋片等圍護結構作為蓄冷熱容載體,通過在天花板設置金屬肋片提高其蓄冷和釋冷能力。在事故工況下,積蓄在以上圍護結構的冷量就會不斷釋放出來,進而阻礙主控室溫度快速上升,實現控制室環境溫度長時間維持在可居留溫度上。

經三門、海陽非能動壓水堆核電站運行經驗反饋,現有的主控室非能動應急可居留系統的溫度控制方案還存在以下不足:1) 在事故工況下,為了控制主控室邊界內部設備散熱,需要關閉顯示屏幕,一定程度上削弱了電廠監控能力;2) 在事故工況下,維持可居留環境溫度的時間僅為3 d,時間余量偏小;3) 正常工況下主控室體感溫度偏低,操作員舒適性有待進一步提升。

提升現有主控室非能動熱阱能力或蓄冷能力最簡單直接的方法就是降低熱阱的初始設置溫度,即降低主控室正常運行工況下的房間溫度,這樣可實現主控室在事故工況下維持可居留環境溫度時間超過72 h,但由此帶來的問題是主控室正常運行時環境溫度過低,導致主控室操作員體感溫度偏低,操作員熱舒適性變差。另一種增加蓄冷能力的方法是通過增加圍護結構的質量來增加熱容,但該方法由于混凝土的導熱系數低,無法通過增加金屬肋片來提高熱阱能力,即無法實現冷量的及時釋放,進而無法實現對主控室溫度的控制,另外該方法也帶來了建筑結構強度的問題。

為了克服現有主控室非能動應急可居留系統的溫度控制方案的不足,需要提出一種新的主控室非能動冷卻方案,該方案需要滿足在提升主控室蓄冷能力的同時,保證主控室人員的舒適性要求。

1 現有非能動技術方案分析

通過對現有文獻和專利檢索,發現有2個相關專利,即一種非能動通風冷卻系統[5]和一種核電廠用末端被動式冷梁裝置[6]。

一種非能動通風冷卻系統包括管道組件、換熱組件、壓縮空氣供氣口。管道組件包括供氣管道,供氣管道用于向主控室提供壓縮氣體。換熱組件包括蓄冷箱、熱管、冷卻器。冷卻器設于供氣管道上;蓄冷箱用于提供冷源,蓄冷箱與冷卻器連接傳熱,蓄冷箱內部冷源產生的冷量通過熱管傳遞至冷卻器內,從壓縮空氣供氣口進入供氣管道的壓縮空氣在冷卻器內與熱管的蒸發段換熱,從而將降溫后的壓縮空氣輸送至主控室。該非能動通風冷卻系統無需能源供應,能自動在核污染事故下或核電廠停電狀況下維持對主控室供氣。其系統結構如圖1所示[5]。

圖1 非能動通風冷卻系統示意圖

在一種核電廠用末端被動式冷梁裝置發明專利中,包括設置在安全級重要房間頂部的箱體,箱體設有若干個非能動的冷卻器,安全級重要房間的內部空氣形成的室內回風進入箱體,被冷卻器冷卻為冷梁送風后從箱體流入安全級重要房間內,冷梁送風和室內回風能夠形成自然對流循環。該發明在全廠斷電工況下,可實現室內的非能動氣流組織功能,保證室內空氣循環,實現安全級重要房間的冷卻功能,提高系統可靠性和核電站固有安全性。其系統結構如圖2所示[6]。

圖2 核電廠用末端被動式冷梁裝置示意圖

以上專利中的非能動熱阱易受振動、腐蝕等造成損壞、泄漏,且熱管易破壞天花板強度,例如現有的非能動通風冷卻系統,在其換熱組件中,利用熱管將蓄冷箱中冷量輸入到冷卻器中,實現對主控室的非能動冷卻,但組件中采用的熱管存在振動、腐蝕等導致管壁破裂泄漏的風險,進而導致冷卻功能失效;同時,熱管貫穿混凝土天花板也會存在導致天花板強度降低的風險;又由于噴射的壓縮空氣流量受限和出風口位置受限,主控室的冷卻效果和操作人員的舒適性也很難保證。此外,核電廠用末端被動式冷梁裝置,其冷卻器和管道也存在振動、腐蝕等導致管壁破裂泄漏的風險,進而導致冷卻功能失效;同時,管道貫穿混凝土天花板也帶來了天花板強度降低的風險。

2 基于相變蓄冷的非能動冷卻系統

核電廠主控室非能動冷卻系統要求可以實現在無電源條件下主控室環境溫度可居留性(低于35 ℃)維持3 d以上,裝置啟動無需人工干預,并保證足夠可居留時間的安全余量、主控室操作人員的絕對安全,滿足防火、抗震、無泄漏安全要求。在設計壽命和可靠性上,與核電廠60年設計壽命相匹配。

本文提出的非能動冷卻系統包括抗震支架和相變蓄能模塊,相變蓄能模塊為細長板形狀;非能動冷卻裝置布置在天花板和吊頂之間、內墻面及貼敷于地板下,以及應急可居留系統回風道內壁。

在正常工作期間,VBS為主控室房間提供冷量,非能動冷卻裝置的蓄冷模塊通過自然對流換熱形式從房間空氣中吸收冷量并存儲在蓄冷模塊中,在應急失電工況下,非能動冷卻裝置的蓄冷模塊通過自然對流換熱形式向主控室房間釋放冷量,進而實現應急工況下冷卻主控室的功能。而布置于主控室應急可居留系統回風道的非能動冷卻裝置,則通過強制對流將回流空氣冷卻,進而將冷量輸送到房間內。

相變蓄能模塊內部為定形相變材料,包括利用樹脂材料將石蠟材料分散封閉形成的定形材料或利用石墨將石蠟材料分散封閉形成的定形材料,同時相變蓄能模塊外部采用鋼板等金屬材料,將定形相變材料封裝,進而保證蓄冷模塊的強度和抗震性;相變蓄能模塊尺寸和布置需要綜合考慮傳熱面積、天花板安全承重限制、經濟性、人員舒適性、溫度場均勻性,實現尺寸和布置方式的最優化。

布置于天花板和吊頂之間的非能動冷卻裝置,優選豎直布置,進而增加釋冷面積和釋冷能力,冷卻裝置間距可根據下方負荷強弱調節,在負荷較大和人員密集區密集布置冷卻裝置,進而實現人員的舒適性和溫度場的均勻性。吊頂應為鏤空設計,保證非能動冷卻裝置與房間空氣充分自然對流,使蓄冷和釋冷過程順利進行。

布置于墻面和地板的非能動冷卻裝置,可根據周圍負荷調整布置面積和相變材料厚度,綜合平衡舒適性、溫度場均勻性、經濟性等因素,達到綜合效果最優。

布置于主控室應急可居留系統回風道的非能動冷卻裝置,可分層布置,具體布置尺寸和面積可綜合考慮換熱面積、回風道結構強度、回風道阻力損失等因素,達到綜合效果最優。

所有的非能動冷卻裝置均需抗震支架支撐,同時其中的相變蓄能模塊可方便拆卸替換,因而可實現非能動冷卻裝置服務于整個核電廠設計壽命周期。詳細的設計方案結構見圖3、4。

圖3 主控室基于相變蓄冷應急非能動冷卻系統結構示意圖

圖4 基于相變蓄冷的主控室循環風道結構示意圖

3 基于相變蓄冷的非能動冷卻系統的技術要求

基于相變蓄冷的非能動熱阱技術方案中,非能動冷卻裝置由抗震支架和安裝在抗震支架上的可拆卸相變蓄能模塊組成。其中,相變蓄能模塊由外殼及設置在外殼內的定形相變材料組成。

相變蓄能模塊需采用無泄漏的定形相變材料,可切割加工、無泄漏、不變形、循環穩定性好,無過冷及析出現象、環境友好、使用壽命長、耐火不可燃,無火災風險,避免了泄漏和變形風險,使整個蓄冷和釋冷過程安全可靠。

相變材料的選取需要滿足如下要求:相變溫度與主控室溫度相匹配,相變潛熱大,化學穩定性好,耐循環,傳熱性能好,無毒、無味,無泄漏,無過冷和相分離現象,防火、抗震等。

所有的非能動冷卻裝置均需要抗震支架支撐,抗震支架可采用角鋼、槽鋼、工字鋼或方鋼組成。支架與蓄冷相變模塊的框架采用高強度螺栓連接,支架與混凝土的預埋板采用焊接或螺栓連接。其中相變蓄能模塊可方便拆卸替換,因而可實現非能動冷卻裝置服務于整個核電廠設計壽命周期。

4 基于相變蓄冷的非能動冷卻系統實施方案

在正常運行工況下,非能動冷卻裝置經歷蓄冷過程,從核島VBS輸出的冷空氣通過自然對流冷卻相變蓄能模塊,相變蓄能模塊吸收冷量,其中封裝在顆粒膠囊內的相變材料受冷變為固體。在應急失電或熱負荷突然增加時,非能動冷卻裝置經歷釋冷過程,模塊中封裝在顆粒膠囊內的相變材料受熱變為液體,過程中釋放冷量,通過自然對流和輻射換熱將模塊周圍的空氣冷卻,冷卻后的冷空氣由于重力作用下沉,將冷量傳送到操作人員和發熱電器設備,被加熱的空氣再因浮力作用上升,上升到非能動冷卻裝置周圍后再被冷卻,進而形成自然循環,實現整個房間溫度穩定,避免空氣溫度過快上升,進而可長時間維持主控室可居留的熱環境。

布置于墻面和地板的非能動冷卻裝置,在應急失電或熱負荷突然增加時,相變蓄能模塊經歷釋冷過程,模塊中封裝在顆粒膠囊內的相變材料受熱變為液體,過程中釋放冷量,通過自然對流和輻射換熱將模塊周圍空氣冷卻,冷卻后的冷空氣傳送到操作人員和發熱電器設備處,被加熱的空氣在非能動冷卻裝置周圍再被冷卻,進而形成自然循環,實現整個房間溫度穩定,并保證了正常工況下操作人員的熱舒適性。

在正常工況下,布置于主控室應急可居留系統回風道的非能動冷卻裝置通過自然對流吸收房間空氣中的冷量并將冷量存儲在相變蓄能模塊中。在應急失電工況下,應急可居留系統啟動,噴射器啟動,使回風道由于引流作用吸入主控室空氣并通過消聲器,隨后吸入空氣與噴射空氣混合一起經過消聲器和過濾器,最終通過排風道排入主控室環境中,進而形成主控室空氣循環。

5 結論

本文提出的基于相變蓄冷的核電廠主控室非能動冷卻系統存在以下優勢:

1) 蓄冷相變模塊采用的定形相變材料,可切割加工、無泄漏、不變形、循環穩定性好,無過冷及析出現象、環境友好、使用壽命長、耐火不可燃,無火災風險。避免了泄漏和變形風險,使整個蓄冷和釋冷過程安全可靠。

2) 結構簡單,占用空間小,無需引入額外冷源和管道,不依托任何系統,無振動導致功能失效的風險,每個非能動冷卻裝置相互獨立,彼此無影響,即使其中一個裝置失效,其他裝置還可以正常工作,系統可靠性高。

3) 不僅可用于新建核電廠主控室,也可用于既有核電廠主控室改造,無需對現有墻體破壞和貫穿,也不需要改變已有電路、水路、風路設計。

4) 可靈活布置,不受房間內其他設備空間和管道空間限制,同時保證操作人員的舒適性和房間內空氣溫度的均勻性,可做到按需布置,在大負荷電器周圍增加布置面積,在小負荷和無負荷區域減少和不布置冷卻模塊。同時,布置面積和蓄冷模塊厚度也可以按需設置,進而實現精確控溫。

5) 蓄冷相變模塊需要的體積小,占用空間小,蓄冷能力是同體積混凝土的9倍以上。

6) 非能動冷卻裝置可實現房間溫度波動小、受負荷變化影響小,提高房間內操作人員舒適性。非能動冷卻裝置增大了主控室圍護結構的比熱容,進而使主控室溫度抗干擾能力增強,在外界環境溫度或負荷劇烈變化時,可以保證主控室溫度波動小,同時也保證了主控室溫度均勻性,降低了豎直和水平方向的溫差,提高了操作人員的熱舒適性。

7) 非能動冷卻裝置無任何運動部件,也沒有液體流動,進而實現了整個裝置不產生任何噪聲,同時也不存在磨損和泄漏問題,保證了裝置的可靠性和壽命。

本文提出的基于相變蓄冷的核電廠主控室非能動冷卻系統還需要進一步通過實驗驗證,用于評估該方案的可靠性、安全性,以及工程可行性。