高温堆核电站主控室可居留区事故工况环境温度分析

(中核能源科技有限公司，北京 100193)

0 引言

华能山东石岛湾核电站高温气冷堆示范工程(以下简称“示范工程”)是世界首台具备第四代核能系统安全特性的商用核电机组，是新核能安全体系下的探路人和领先者，为世界核安全领域的建设和发展注入强劲的动力。

主控室可居留区是正常和事故工况下安置和保护核电厂运行人员以及控制与仪表设备的场所。示范工程主控室可居留区包括主控制室、控制设备间、技术支持中心、应急生活间、分布式控制系统 (distributed control system，DCS)工程师室及内走廊，见图1。

示范工程主控室可居留区空调系统主要功能是满足工作人员和设备正常工作所需的环境要求，同时更是实现主控室可居留区可居留性要求的必要系统，为安全级系统。本文基于CFD软件，在空调系统遇到事故工况下，对主控室可居留区室内环境温度进行数值模拟，根据室内温度变化曲线，分析主控室可居留区在事故工况下是否满足可居留性要求。

1 主控室可居留区空调系统及事故工况介绍

1.1 主控室可居留区空调系统

示范工程主控室可居留区空调系统主要由两台组合空调机组(1运1备)、两台空气净化机组(1运1备)、两台净化机组送风机(1运1备)和通风管道及设置在管道上的隔离阀、调节阀、防火阀等阀门组成，设备均为安全级。

空调系统的冷源来自两台水冷式螺杆冷水机组(1运1备)，两台冷冻水循环水泵(1运1备)，设备均为抗震I类，接应急电源。冷却水来自厂用水系统，房间冷负荷通过冷却水系统由空冷塔排放至大气中。另单独设置一台风冷式冷水机组作为在厂用水失去条件下的补充，为空调系统提供冷源，设备为抗震I类，接应急电源。

1.2 事故工况介绍

主控室可居留区空调系统在失去厂用电事故工况下，能动设备接入应急电源系统，维持系统继续运行，保持可居留区可居留性要求；在失去厂用水系统事故工况下，开启风冷式冷水机组，保持对空调系统冷冻水的供应，满足可居留区可居留性要求。厂用水系统和风冷式冷水机组全部失去的事故工况下，空调系统没有冷冻水提供冷源，但风机的正常运行可以保持主控室可居留区的持续通风，加强房间散热量的排出。

但在全厂电源失去的事故工况下，风机及冷水系统由于无电力供应无法工作，主控室可居留区的散热量只能通过向有温差的墙体传热，同时利用围护结构钢筋混凝土和室内空气蓄热，从而实现室内散热量的排出。因此本文主要针对该事故工况下主控室居留区的室内环境温度进行模拟和分析。

2 计算输入参数

2.1 主控室可居留区各房间散热量

表1是主控室可居留区各房间散热量。见表1，主要散热房间为主控制室和控制设备间，其它房间设备散热量均较小，对可居留区室内环境温度的影响可忽略不计。因此本文只对主控制室和控制设备间在全厂电源失去的事故工况下进行室内环境温度分析。

按照表1数据，事故工况前2 h内，主控制室和控制设备间的内热源密度分别为6.34 W/m3和35.91 W/m3；2 h后，部分控制设备执行完安全停堆任务后关停，控制设备间的内热源密度减小为4.82 W/m3，主控室内热源保持不变。

表1 主控室可居留区各房间散热量

2.2 物性参数

2.2.1 围护结构参数

主控制室和控制设备间围护结构绝大部分是钢筋混凝土构成，主控制室部分围护结构为玻璃窗，所占比例较小，因此可简化均为钢筋混凝土构成。主控制室屋顶为钢筋混凝土做成的井字梁，梁高均为1.5 m，梁宽均是0.5 m。钢筋混凝土性能参数见表2。

表2 钢筋混凝土性能参数

2.2.2 环境参数

示范工程主控室可居留区空调系统为全年性空调系统，室内温度一直保持在20～25℃。室内环境大气压采用石岛湾高温气冷堆夏季室外大气压力值1.01×105Pa。室内空气性能参数见表3。

表3 内空气性能参数

3 数值模拟和分析

3.1 模型建立

3.1.1 控制方程

当发生全厂电源失去的事故后，房间余热得不到有效排出，室内环境温度会随着时间的推移逐渐升高，因此采用瞬态传热方程。

发生上述事故后，主控制室和控制设备间的通风系统停运，这两个房间所在区域均无外门窗，风压和热压影响基本可以忽略，因此房间内的气流流动很小，可不考虑流动和传热的耦合计算。控制方程可近似简化为式(1)[1]。

式中：T为计算域的温度(℃)；t为计算时间(s)；α为热扩散率(m2/s)；Ф为内热源散热量(W)；ρ为介质密度(kg/m3)；c为介质比热容(J/(kg·℃))。

3.1.2 边界条件

为保证设计余量，主控制室和控制设备间室内环境初始温度设置为24℃，计算区域外围空气温度采用石岛湾夏季空调室外计算干球温度28.6℃(累年平均每年不保证50 h干球温度)。

3.1.3 建模和网格划分

运用CFD软件按照示范工程主控制室和控制设备间的实际尺寸建立三维模型。模型计算域分为四个模块，第一个模块是主控制室空气域，第二个模块是控制设备间空气域，第三个模块是钢筋混凝土围护结构域(400 mm厚)，第四个模块是外部大空间域(各向向外延伸3 m)。对上述四个模块进行网格划分，网格总量约为17万。主控室和控制设备间空气域及外部大空间的模型和网格见图2。

3.2 数值模拟和分析

运用CFD软件对上述模型进行数值计算，打开能量方程，考虑导热和热辐射的耦合影响，辐射模型采用Rosseland模型，时间步长设置为1 min，能量残差设置为1×10-9。考虑到围护结构材质为钢筋混凝土，反射系数取值为0.3。

3.2.1 主控制室室内环境温度数值分析

图3为主控制室室内环境温度在第1小时内的变化图。由图3可知，在上述事故发生后的15 min内，室内环境温度快速上升0.27℃；15 min之后室内环境温度随时间上升趋势相对变缓。导热和辐射传热过程中，室内空气首先会吸收和散射一部分热量，因此在开始阶段室内环境温度快速上升，上升速率约为0.02℃/min。由于围护结构的蓄热有一定的滞后性，若单位时间房间散热量较大，会造成局部时间室内环境温度突然升高，会造成人体的不适感。当围护结构开始吸收热量后，室内环境温度上升趋势变缓。

图4是主控制室室内环境温度72 h内变化图。由图4可知上述事故发生后72 h，室内环境温度上升了2.8℃，室内环境温度为26.8℃(室内环境初始温度为24℃)，低于舒适性空调设计温度上限值 28℃及仪控设备工作温度上限值35℃，对人体和设备的正常工作均不会造成影响。

3.2.2 控制设备间室内环境温度数值分析

控制设备间的室内环境温度变化分两个时段。第一时段是上述事故发生到发生后两小时，部分控制设备依靠蓄电池组提供的电源继续执行安全停堆任务，房间设备散热量较大。第二时段是上述事故发生2 h后到第72 h，部分设备关停，房间设备散热量降低。

图5是控制设备间室内环境温度第一时段变化图。在上述事故发生后的20 min内，室内环境温度快速上升1.7℃，温度上升速率为0.085℃/min；20 min之后室内环境温度随时间上升趋势相对变缓。同上所述，由于围护结构热量传递的滞后性，若控制设备间设备散热量较大，短时间内上升温度过高，温度上升速率过快，产生的热应力会对一些设备、仪表，尤其是高精度的设备仪表的正常使用造成一定的影响。当围护结构开始吸收热量后，室内环境温度上升趋势变缓。第一时段结束后，室内环境温度上升近2℃，室内环境温度为26℃(室内环境初始温度为24℃)。

图6是控制设备间室内环境温度72 h内变化图。第二时段开始后，由于设备散热量的大幅度降低，随着钢筋混凝土围护结构的蓄热，室内环境温度呈缓慢下降趋势，到第12 h，温度降低0.5℃。然后室内环境温度随时间开始呈缓慢上升趋势。由图6可知上述事故发生后72 h，室内环境温度上升了3.3℃，室内环境温度为27.3℃(室内环境初始温度为24℃)，低于仪控设备工作温度上限值35℃，对设备的正常工作不会造成影响。

4 优化措施

由图4和图6可知，室内环境温度对时间的二阶导数为正值，即温度会随着时间的推移增长趋势会逐渐增大。若事故发生后的72 h内无法及时提供电源或采取措施，随着房间散热量的逐渐积聚，室内环境温度会有超出温度限值的危险。另外今后60万kW和百万千瓦高温堆核电站主控室和控制设备间设备散热量会增大，可居留区空间有限，若事故工况仅依托钢筋混凝土的蓄热和向外传热，室内环境温度有不满足可居留性要求的危险。为避免上述情况的发生，主控室可居留区可采取以下措施维持室内环境温度在事故工况下的适宜性。

4.1 采用蓄热系数大的围护结构材料

围护结构材料蓄热系数越大，对热量的吸收能力就越强。通过加强围护结构的蓄热能力，正常工况下可以稳定室内环境温度，事故工况下可以作为余热的蓄热体。钢筋混凝土的蓄热系数为17W/(m2·℃)，碳钢的蓄热系数为126 W/(m2·℃)[2]，若钢筋混凝土围护结构内敷设钢板，围护结构蓄热能力会得到较大提高。AP1000机组主控室围护结构上敷设钢翅片，除了加强传热外，也起到提高围护结构蓄热能力的作用。

4.2 相变蓄热

相关蓄热是一种更有效地加强围护结构蓄热能力的方法。相变蓄热材料具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身的性能，通过将相变材料引入建筑围护结构中，可以将热流波动的影响削弱，把室内环境温度控制在适宜的范围内[3]，尤其是在温度短时间快速升高的情况下，通过相变吸热可以有效地控制温升速率。固－固相变材料与建筑材料基体直接混合，这种方法工艺简单，性质均匀[4]，今后可应用于可居留区围护结构中。

4.3 利用自然通风

核电站主控制室一般均设计在内区，无外门窗，当全厂电源和冷水系统失去的事故工况下，无法直接利用自然通风排出余热。若在主控制室围护结构墙体内设置空气流通夹层，正常工况下空气通道利用手动百叶窗关闭，上述事故发生后，可手动开启百叶窗。排风口设置位置须比进风口位置高，利用热压保持夹层内的自然通风，使围护结构的蓄热量及时排出。

5 结论

综上所述，在全厂电源失去的事故工况下，主控制室和控制设备间72 h温升分别为2.8℃和3.3℃，室内环境温度均在27℃左右，同时局部时间室内环境温度快速上升的速率也不会对工作人员和设备造成影响，可见按照示范工程主控制室和控制设备间的房间散热量计算的上述事故工况下的72 h内室内环境温度均满足可居留性要求，同时也说明依托围护结构蓄热能力可作为一种极端事故工况下维持可居留性环境温度要求的措施。

为了保证主控室的可居留性要求，同时考虑到今后60万kW和百万kW高温气冷核电站的发展，主控室可居留区在今后的设计中应采取优化措施，加强冷水系统或全厂电源失去这类事故工况下房间余热的排出。