某核電站核廢物廠房通風系統設計特性與模擬研究

劉 婧 胡 北 王楷喬 張艷剛

(中國核電工程有限公司,北京)

0 引言

核廢物廠房主要用于核廢物系統相關設備及管道的布置,以及公共放射性廢物貯存、處理及裝卸等,該廠房的工藝系統包括廢液處理系統(ZLT)、固體廢物處理系統(ZST)及廠房專用的通風系統和冷水系統。輻射分區涉及綠區、黃區、橙區和紅區,輻射劑量由低到高。核廢物廠房通風系統的特點在于基于不同的輻射分區,控制空氣從潛在低污染區流向潛在高污染區,凈化處理后通過煙囪高空排放。

根據不同堆型,核廢物廠房有的作為核電站外圍設施(BOP)中的重要子項[1],有的位于核島,通常為單、雙號機組共用,將核廢物廠房設置在單號機組,與安全廠房、核輔助廠房和人員通行廠房相鄰。核廢物廠房主工藝樓層布置情況如表1所示。

表1 核廢物廠房主工藝樓層布置情況

1 系統描述

核廢物廠房通風系統(VRW)為非核級、非抗震,根據其執行的非安全相關功能,設置4個子系統,分別為正常送風子系統、正常排風子系統、碘排風子系統和排煙子系統,系統原理圖見圖1。

圖1 VRW系統原理圖

1.1 正常送風子系統

該子系統包含2臺容量相同的空調機組(一用一備),每臺機組包括粗效過濾器、中效過濾器、冷卻器和送風機各1臺。由核島廢物廠房冷水系統(WWC)提供冷水,冷水流量通過電動三通調節閥進行調節。

送風量根據不同的輻射分區,依據NB/T 20185—2012《壓水堆核動力廠廠內輻射分區設計準則》[2]規定的換氣次數與房間體積的乘積及消除室內余熱余濕的計算值,取大者。對于特殊房間,送風需經單獨處理。

1.1.1含硼濃縮液間

對硼酸和氫氧化鈉溶液結晶的研究表明,溫度為30 ℃時,只要氫氧化鈉和硼酸的濃度比在0.20～0.25之間,含硼量達40 g/L的硼酸鈉溶液不會形成結晶。為了避免濃縮液結晶,可采用2種方法來使溶液溫度保持在30 ℃,一是對管道及設備加熱,二是進行室溫控制。

VRW系統在原有設計中采用管道式電加熱器,通過房間溫度連鎖控制電加熱器,當房間溫度≤30 ℃時,就地指示并在三廢處理控制系統(IAW)報警,連鎖啟動電加熱器;當房間溫度≥40 ℃時,就地指示,連鎖關閉電加熱器。經現場反饋,管道式電加熱器在房間風量較小時,會發生過熱事故,導致誤停機。因而在后續設計中,采用側墻安裝的工業型電加熱器,提升了安全性和穩定性。

在進行電加熱器設計計算時,需綜合考慮外圍護結構傳熱、鄰室傳熱、新風負荷及設備散熱量情況,滿足房間最低設計溫度要求。

1.1.2電氣設備間

電氣設備間包括Q308與Q508 2個房間,冷負荷強度高,若采用集中式空調系統,會使系統非常龐大,故采用半集中式空調設計方案。在電氣設備間設置2套空調系統:一是設1臺就地循環冷卻機組,承擔室內設備冷負荷37 kW,循環冷卻機組額定制冷量為40 kW;二是設置集中送、排風系統,用于維持室內空氣品質,承擔照明、人員、圍護結構冷負荷及新風負荷,共計13.6 kW。該方案既保證了電氣設備間的溫度和新風量要求,同時減小了空調系統的規模,系統設計的可行性通過第2章數值模擬進行驗證。

1.2 正常排風子系統

正常排風子系統包含2臺容量相同的排風機組(一用一備),每臺機組包括粗效過濾器、高效過濾器和排風機各1臺,服務于無碘污染的房間。

核廢物廠房的工藝房間均處于控制區,排風量需大于送風量,以保證房間微負壓,減少在各種運行工況下由廠房泄漏產生的放射性氣溶膠。風量可通過平衡閥進行調節,由排風管上的流量儀表監測。

1.3 碘排風子系統

該子系統服務于有潛在放射性污染的房間,設置2條相同的過濾管路(一用一備),每一條管路包括粗效過濾器、高效過濾器、電加熱器、碘吸附器和碘排風機各1臺。

正常工況下,碘排風經旁通管路排至室外。當探測到碘放射性信號高時,自動切換到碘吸附器管路運行,對排風進行凈化處理。

1.3.1碘吸附器設計細節

為保持碘吸附器入口空氣的相對濕度低于60%,在碘吸附器前設置電加熱器,并通過濕度計連鎖控制電加熱器的啟停。在碘吸附器上游設有溫感探測器,下游設煙感探測器和溫度儀表,當碘吸附器出口溫度高于80 ℃時,就地顯示并報警,運行人員根據需要啟動核島消防系統(FNP)。此外,碘吸附器前后還設有手動防火閥,以應對碘吸附器著火對其他物項造成影響。

對于碘吸附器前電加熱器的設計計算,應充分考慮空氣處理過程,避免將容量設計得過大。首先依據各碘排風房間的送風量、設備散熱量(圍護結構傳熱量占比較小可忽略不計),計算各房間排風溫度,之后利用各房間排風量、排風溫度,根據能量守恒,求出總的排風溫度,作為電加熱器進口溫度;再利用焓濕圖,在電加熱器進口狀態點做等含濕量線與電加熱器出口60%相對濕度線相交,計算電加熱器出口溫度;最后再根據基本傳熱學公式[3],得到電加熱器的功率。需分別計算冬、夏季工況,取大者作為設計值,計算流程如圖2所示。

圖2 加熱器設計計算流程

1.3.2旁通管路隔離閥

核島通風系統對于有潛在碘污染的區域排風要經過碘吸附器過濾后再排入核島通風煙囪,按碘吸附器運行維修規程,在電站正式投運前需要對碘吸附器進行現場試驗,包括泄漏率和凈化系數驗證等。據經驗反饋,若旁通管路的隔離閥密封性不滿足泄漏量要求,碘吸附器現場試驗時,會導致泄漏率超標。

現有設計方案中,旁通管路設有1臺電動隔離閥,按閥門技術規格書要求,閥門內泄漏量為10 m3/(m2·h)。此外,還設有1臺手動調節閥,共同保證碘吸附器現場試驗時泄漏率滿足不高于0.05%的驗收準則。

1.4 排煙子系統

排煙子系統服務于核廢物廠房的2個電氣設備間,主要包括1臺粗效過濾器、1臺高效過濾器和2臺容量相同的排煙風機(一用一備)。2臺排煙風機由其保護的電氣設備間之外的配電盤供電,排風量按換氣次數不低于12 h-1進行設計。

在電廠正常運行期間,排煙子系統不運行。當電氣間發生火災時,由相應的防火閥隔離送風管和排風管。火災后,在開啟排煙風管上的排煙閥后手動啟動排煙風機,為電氣設備間排除冷煙,并與正常排風、碘排風一起匯入通風煙囪高空排放。

2 數值模擬

選取典型房間,一是冷負荷強度較高的電氣設備間Q308,一是空間狹窄、層高較高、通風管路布置較困難的工藝隔間,包括粗效過濾器隔間Q625、活性炭床隔間Q626及備用隔間Q623和Q624,下面就電氣設備間Q308和4個工藝隔間分別進行模擬研究。

Q308房間是具有高發熱量的大空間,設計采用2套空調系統,包括集中送、排風機組和循環冷卻機組。為驗證通風系統能否滿足房間設計溫度要求及氣流組織的合理性,對該房間進行數值模擬。采用RNGK-ε湍流模型,開啟DO輻射模型,使用耦合算法進行求解。

對于工藝隔間,依據EUR(歐洲核電用戶要求文件)中2.8-3.9.3.2.2 B等相關條款規定,工藝隔間氣流組織需滿足從潛在低污染區流向潛在高污染區。為便于施工,送風從橙區送入,轉送至紅區,再從紅區統一排走,其通風原理圖見圖3,并通過模擬研究房間速度場。

圖3 工藝隔間通風原理圖

2.1 物理模型

根據建筑作業圖,在DesignModeler模塊中創建Q308房間和4個工藝隔間的簡化三維模型。Q308房間長10.2 m、寬6.2 m、高6.0 m,隨后將模型導入Meshing進行網格劃分,并對送、排風口和2個接觸面進行網格加密處理。每個工藝隔間長1.8 m、寬1.5 m、高9.0 m,隔間緊密相連,對送、排風口和轉送風口進行局部網格加密處理。

2.2 邊界條件

模擬計算采用的邊界條件如表2、3所示。

表2 Q308房間邊界條件

表3 工藝隔間邊界條件

2.3 模擬結果與分析

2.3.1Q308房間溫度場

采用Fluent求解器求解,得出溫度云圖,見圖4。由圖4a可以看出,房間整體溫度(除風口附近)約為30～33 ℃。由圖4b可以看出,工作區最高溫度超過33 ℃,主要原因是電氣設備周圍散熱量較大。由圖4c可以看出,送風溫度對整體房間溫度控制效果較明顯,風口一側相較于被電氣設備遮擋側約有2 ℃的溫降。由圖4d可以看出,送風溫度在電氣設備上方有上升趨勢,判斷是因為發熱體溫度較高,將送進室內的冷風加熱,在溫差作用下產生煙囪效應。由圖4e可以看出,最高溫度不超過34 ℃,滿足電氣設備間的溫度設計要求。

圖4 Q308房間溫度場

2.3.2Q308房間速度場

為驗證氣流組織的合理性,對房間速度場進行研究,結果見圖5。根據邊界條件設定,考慮0.7的風口遮擋系數,正常送風口速度為2.3 m/s,循環冷卻送風口速度為2.1 m/s。模擬計算得到循環冷卻排風口速度為2.3 m/s,正常排風口處速度為2.1 m/s。由圖5c可以看出,氣流先上升,接觸壁面后下沉。但觀察房間速度流線圖(見5d)后發現,正常低溫送風本應在房間充分換熱后通過正常排風口排出房間,但實際卻在未達到房間設計溫度時即被循環冷卻排風口大量吸入,經循環冷卻機組低效二次冷卻后由送風口再次送入房間,導致循環冷卻機組帶走房間顯熱的能力大大降低,房間溫度可能遠高于設計值。因此風口布置時需注意:循環冷卻排風口應遠離正常送風口射流區,而正常排風口應遠離循環冷卻送風口的射流區,以避免出現交叉短路現象。

圖5 Q308房間速度場

2.3.3工藝隔間速度場

為了驗證4個工藝隔間轉送風口的可靠性及整體氣流組織的合理性,對房間速度場進行研究,結果如圖6所示。根據速度云圖可知,轉送風口速度達1.3～1.5 m/s。轉送風口處風速均勻穩定,模擬證明在風管布置困難的局促空間,采用轉送風的方式具有一定的通風效果。另外,根據EUR條款2.8-3.9.3.1 F的規定,潛在低污染區與潛在高污染區之間應維持50 Pa左右的壓差,以滿足相鄰房間轉送風的需求。

圖6 工藝隔間速度場

3 設計優化

3.1 系統冗余

因核廢物廠房安全等級為非安全級,正常送風空調機組與正常排風機組分別設置2臺50%容量的設備。當1臺空氣處理機組或排風機組因維修或失效而不可用時,僅運行另1臺空氣處理機組或排風機組,管網阻抗不變的前提下可維持約70%的設計風量,所需氣流流向和廠房負壓仍能得到基本保證,若廠房溫度升高,可臨時調整廢物處理工藝流水線的運行模式以降低散熱量。總體而言,該配置方法可在基本保證系統功能的前提下有效降低通風設備的一次投資,并提高了運行經濟性。

3.2 碘排風子系統

碘吸附器屬于非能動設備,現場試驗和日常維護工作量較大。設計上可減少原備用列的1臺碘吸附器、1臺電加熱器及2臺手動防火閥,將其設計為旁通管路。同時取消運行列碘吸附器的旁通工況,適當調整兩支路風閥位置。正常工況下,運行旁通管路,即支路2;當探測到碘放射性信號高時,自動切換至碘吸附器管路運行,即支路1,空氣經凈化處理后通過煙囪高空排放。此外,在碘排風管路和旁通管路之間增加一條支路,當碘排風機故障檢修時,可通過電動隔離閥切換至旁通管路風機運行,增加了系統的可靠性。優化后的系統原理圖見圖7,圖例含義同圖1。

圖7 優化后碘排風子系統原理圖

3.3 排煙子系統

根據GB/T 22158—2021《核電廠防火設計規范》[4],對可能產生大量煙氣且不便于人員經常進出的放射性風險區域,可設置兼作排煙的固定通風系統進行排煙。

后續設計中,可取消排煙子系統,改為由正常排風子系統進行排煙。由于核廢物廠房是事故后排冷煙,因而正常排風機可兼作排煙風機,但需避免正常排風機與火災所在配電間的共模失效,即2臺正常排風機需要采用來自不同防火分區配電間的2路電源供電。此外,電氣設備間的排風防火閥需具備高溫再開啟功能,并安裝于電氣房間外,方便人員操作。該方案具備一定的工程可實施性,優化后可進一步提升核電站建造的經濟性。

4 結論

1) 對于散熱量較大的電氣設備間,采用集中送、排風系統結合循環冷卻機組,能有效減小集中式空調系統的規模。

2) 模擬結果表明,電氣設備間的溫度分布在正常設計范圍內,風口布置時需充分考慮2套通風系統之間的氣流交叉短路問題。

3) 工藝隔間的速度分布滿足氣流從潛在低污染區流向潛在高污染區,且滿足相鄰房間轉送風的設計要求。

4) 基于對系統設計的思考,給出了提高經濟性的優化建議,為后續核廢物廠房通風系統的設計提供參考。