核电厂低温灾害防护设计研究

深圳中广核工程设计有限公司 张 峰

0 引言

寒冷地区低温造成的危害可能影响核电厂的安全和运行。核电厂低温防护需求来自于设备和人员，有以下特点：

1) 低温防护的范围几乎涉及全厂；

2) 液体工质和油品在低温环境可能出现陡边效应，比如冻结、结晶；

3) 低温防护通过围护结构和供热措施共同实现，由于低温危害来自外部环境，所以围护结构的绝热和热惯性作用比较明显；

4) 与高温危害防护相反，系统和设备运行一般有利于低温防护，待命和备用的停运设备往往是低温防护需要特别关注的对象。

通过寒冷地区核电厂的自主设计、建造和运行，进行了大量的探索和研究，积累了一定的工程设计经验和认识。本文通过分析、归纳和提炼，希望建立一套核电厂低温防护设计的原则和方法。

1 低温防护的设计目标

核电厂低温防护的主要目标是保证核电厂设备良好运行或者设备不被损坏。根据核电厂不同工况要求和设备材料特性，可以识别和定义如下3类设备低温防护环境温度：

1) 长期运行的最低环境温度ts1，即从性能、寿命等方面考虑，设备长期运行或者备用状态的可接受最低环境温度。该特征温度对应核电厂的正常运行工况，从安全性、经济性和可实现性等的平衡考虑，可以保留相对较大裕量。

2) 保证功能的最低环境温度ts2，即设备短期运行或者备用状态的可接受最低环境温度。该特征温度对应核电厂的事故工况，从安全可靠的角度考虑，一般保留合理裕量。

3) 不被损坏的最低环境温度ts3，即不需要维修，当环境条件恢复后，设备就能够正常运行的可接受最低环境温度。该特征温度指核电厂在事故工况不需要运行的设备的材料和介质不发生不可逆损坏的保证温度，并考虑必要的裕量。

举几个例子说明以上低温防护环境温度，供设计研究参考：

1) 包含水溶液工质的流体系统。当水温处于低于0 ℃的过冷状态时就可能结冰，影响系统运行，甚至造成设备的损坏。由于流体系统工质的低温源于环境，当环境温度为0 ℃时，流体系统的水溶液温度高于或者等于0 ℃，另外有研究表明水的流动有利于防止结冰，所以仅从水溶液工质的角度考虑，不被损坏的最低环境温度ts3和保证功能的最低环境温度ts2可以均取0 ℃。对于核电厂正常运行工况，长期运行的最低环境温度ts1一般可取≥5 ℃。

2) 硼酸溶液工质的流体系统。体积分数为2 200×10-6的硼酸溶液的结晶温度为0 ℃，考虑合理的裕量，仅从硼酸溶液工质的角度考虑，ts3和ts2可以均取4 ℃。对于核电厂正常运行工况，ts1一般取≥7 ℃。

3) 人员。国外做了大量研究和试验，发现人对于温度的敏感和耐受能力差异很大，特别是对于低温。一般认为手表面温度低于15 ℃时，人的工作效能显著下降。对于在核电厂事故工况需要人员保持操作的区域，ts2可以取7～10 ℃；在核电厂正常运行工况需要人员长期居留工作的区域，ts1一般可取18～22 ℃；对于人员，不考虑不被损坏的最低环境温度ts3。

核电厂低温防护设计应该按照不同设备和工质类型，包括各类机械设备、电气设备、电子设备、包含油和(或)水和(或)硼溶液的管道和容器等，收集相关最低环境温度的需求值，考虑合理的安全裕量，建立低温防护环境温度参数。

需要注意厂房环境温度不是低温防护设计的直接目标，系统的运行状态、保温、伴热等都可能改变设备对于厂房环境温度的要求。比如，堆芯和乏燃料排热相关的系统、设备冷却水系统、伴热设备和管道等，由于存在热源和保温，所以其运行状态对于厂房环境条件几乎没有要求或者要求很低，这些系统运行状态和备用停运状态对于厂房的低温防护环境温度要求是不一样的。另外，在进行动态热平衡计算评估分析时，如果有必要，可以直接计算设备本体或者工质材料的实际温度进行判断，而不是间接地采用厂房环境温度。

厂房房间的低温防护环境设计温度应该综合考虑所有安装在房间内部设备的低温防护环境温度参数，并结合核电厂不同工况的功能要求，进行评估确定。

对于安全分析要求的环境初始温度，应该根据工况假设，采用长期运行的最低环境温度(ts1)或者保证功能的最低环境温度(ts2)。

2 低温防护的室外计算参数

核电厂低温防护设计室外计算参数的确定要考虑外部灾害防护和重要功能相关的可靠性要求，以及低温防护动态计算分析的参数要求。

参考《先进轻水堆用户要求文件》(URD)、《轻水堆核电厂欧洲用户要求文件》(EUR)和我国工业设计标准，结合工程实践认识和经验，可以定义3个核电厂低温防护设计室外计算温度：

1) 可用性低温室外计算温度(tw1)，该温度用于核电厂非安全功能相关的厂房设备低温防护和供热容量设计计算。该参数的定义和统计计算方法可以参考通用的工业空调供热的设计标准。

2) 安全性低温室外计算温度(tw2)，该温度用于安全相关功能的厂房设备低温防护和供热容量设计计算中的围护结构传热计算。由于围护结构的热惰性，使通过围护结构传热形成的室内热负荷具有时间延滞和幅度降低的特点，建议按照较tw1的不保证概率低一个数量级确定该温度基准的定义和统计计算方法，比如，采用累年平均每年不保证6～12 h的统计计算基准。

3) 极端低温室外计算温度(tw3)，该温度用于安全相关功能的厂房设备低温防护和供热容量设计计算中的室外新风引入的热负荷计算，故这部分热负荷有瞬时性的特点。该参数的定义和计算采用零超越概率的统计计算基准。

核电厂低温防护设计室外计算参数的统计计算年限应该根据外部灾害防护的总体设计要求确定，参考我国法规要求，建议不低于100 a。

室外风速会影响围护结构的传热，故应该考虑与低温室外计算温度相关的冬季室外风速，具体的组合方法和采用基准尚无权威的资料参考，需要另外分析研究。按照我国工业设计标准，构筑物围护结构的传热计算采用通用的外表面换热系数，再根据构筑物的位置和外部环境特点，采用附加系数进行修正。

在核电厂低温防护设计中，对于重要供热功能和措施的可靠性评估分析，需要进行假设特定工况时间长度的动态热平衡计算，比如低温叠加厂外电源丧失(LOOP)，要建立该工况计算时间长度对应的室外低温包络计算温度。该室外低温包络计算温度是一条覆盖计算工况时间长度的最低连续温度线，代表在核电厂寿命期内可能出现的最低室外连续温度。计算采用的室外最低连续温度线应该结合计算分析方法，根据厂址气象统计数据进行合理的假设拟合，能够可信地包络实际可能出现的情况。一种可行的参考做法是根据前面的tw1、tw2和tw3的统计定义，将计算工况的时间进行分段，保守地组合一条分段阶梯的低温连续温度线。

3 低温防护的设计原则和方法

核电厂低温防护应使设备处于适当的状态，保证设备在核电厂各类工况下能够执行其需要的功能。低温作为一种外部灾害，应该与核电厂各类工况叠加，根据设备功能采用相应的外部低温设计基准。

核电厂正常运行工况下，采用可用性低温室外计算温度tw1时，所有设备均应该保证良好运行。核电厂正常运行工况和事故工况(包括设计基准事故和扩展设计基准事故)下，采用tw2和tw3时，所有执行安全功能的设备均应该保证能够可靠运行或者处于能够可靠投运的备用状态。

保证安全级设备运行执行安全功能的供热功能是安全级功能，应采用与所支持的安全级设备功能一致的可靠性设计基准。

仅用于维持安全级设备备用状态的供热功能，如果供热功能失效将导致安全级设备的失效，则该供热功能虽然不属于安全级功能，但是属于安全相关的重要供热功能，需要考虑特殊的设计基准，比如冗余设计、应急电源等。

保证安全分析初始温度要求的供热功能，如果供热功能失效将导致不能维持安全分析的初始条件，影响安全分析的结论，则该供热功能属于安全相关的重要供热功能，需要考虑特殊的设计基准，比如冗余设计、应急电源等。

保证核电厂可用性相关的重要设备和高价值设备的低温防护的供热功能，采用tw2和tw3时，如果供热功能失效会导致这些设备损坏，则该供热功能属于非安全相关的重要供热功能，需要考虑特殊的设计要求，比如采用柴油机电源。

对于核电厂非安全级的重要供热功能应进行失效分析，确定其可靠性的设计基准。在供热功能失效后，如果有必要均可以通过维修干预等措施进行恢复，所以需要确定一个合理的供热失效故障时间长度，并保守假设发生在最不利的连续低温时刻，比如室外最低连续温度线起始时刻为最低温度。低温叠加LOOP会导致核电厂停堆、大量设备失电停运和供热系统失效，是核电厂低温防护的供热功能出现共模失效的最不利事件组合，应该作为核电厂重要的非安全级供热功能进行失效分析的包络工况。LOOP的延续时间(tL)是一个与厂址相关的基准参数，需要根据核电厂厂址条件进行分析确定，或者根据核电厂总体设计的技术要求，采用可信的包络延续时间。

在确定供热需求和容量的稳态热平衡计算，以及供热失效分析计算的动态热平衡计算时，应该根据设备的实际运行情况，合理分析确定可信的厂房内部得热。房间的供热功能的设计基准应该根据最高的设备要求确定。

核电厂低温防护设计原则和方法归纳见图1。

4 低温防护的工程措施

核电厂低温防护设计除了借鉴工业工程的供暖和防冻设计，还可以考虑以下工程措施：

1) 合理选择设备材料和工质，提高设备的低温耐受能力，如采用添加防冻液、选用适应低温的油品、放空设备内部液体等。

2) 优先采用合理提高厂房和设备热惰性的非能动措施，能够明显降低设备低温防护对于能动供热的依赖，或者明显减小能动供热的设备容量，有利于应对能动供热失效，提高低温防护的可靠性。

3) 通过采用厂房或者设备保温、封闭厂房连通外部的贯穿口部、提高厂房的密封性等措施，提高厂房或设备的热惰性。

4) 在上述2)、3)的情形下，如果通过合理提高厂房或者设备的初始温度能够达到低温防护目的，宜优先采用。

5) 当厂房内仅少量设备有较高的低温防护要求时，应针对这些设备采取伴热、保温或者其他措施，降低对于厂房低温防护环境温度的要求。

图1 核电厂低温防护设计流程图

6) 采用备用设备切换运行，保持流体处于流动状态。

7) 对于兼顾夏季排热功能的通风系统，通过变频、减少运行风机台数、回风混合等措施合理减少厂房低温工况的通风量。

8) 当厂房出现供热功能失效工况(如低温叠加LOOP工况)时，在核电厂安全可接受的前提下，停运厂房通风。

9) 必要时采用柴油机电源保证厂房供热。

10) 对于低温敏感设备的区域应设置低温监测和报警。

5 结论

1) 应该识别核电厂物项的材料、介质、工质、运行和功能要求等，确定低温防护的设计目标参数。

2) 根据外部灾害防护和功能设计的总体要求，建立一套低温防护设计的室外设计计算参数。

3) 除了遵循常规核电厂功能和容量设计基准方法，还需要特别关注核电厂备用和停运设备的低温防护安全，特别是对于相对重要功能设备，至少不能出现造成设备不可逆损坏的陡边效应。

4) 低温叠加厂外电源丧失(LOOP)的组合工况可以作为低温防护设计中供热失效分析的包络工况。

5) 优先采用减少围护结构传热和室外新风进入的措施、利用围护结构热惰性、提高设备材料和工质的耐低温性能等非能动低温防护措施。

核电厂低温防护设计应该充分考虑各方面因素，基于风险和工程措施的平衡，合理制定工程设计方案，保障核电厂的安全和运行。