某核电站核废物厂房通风系统设计特性与模拟研究

刘 婧 胡 北 王楷乔 张艳刚

(中国核电工程有限公司,北京)

0 引言

核废物厂房主要用于核废物系统相关设备及管道的布置,以及公共放射性废物贮存、处理及装卸等,该厂房的工艺系统包括废液处理系统(ZLT)、固体废物处理系统(ZST)及厂房专用的通风系统和冷水系统。辐射分区涉及绿区、黄区、橙区和红区,辐射剂量由低到高。核废物厂房通风系统的特点在于基于不同的辐射分区,控制空气从潜在低污染区流向潜在高污染区,净化处理后通过烟囱高空排放。

根据不同堆型,核废物厂房有的作为核电站外围设施(BOP)中的重要子项[1],有的位于核岛,通常为单、双号机组共用,将核废物厂房设置在单号机组,与安全厂房、核辅助厂房和人员通行厂房相邻。核废物厂房主工艺楼层布置情况如表1所示。

表1 核废物厂房主工艺楼层布置情况

1 系统描述

核废物厂房通风系统(VRW)为非核级、非抗震,根据其执行的非安全相关功能,设置4个子系统,分别为正常送风子系统、正常排风子系统、碘排风子系统和排烟子系统,系统原理图见图1。

图1 VRW系统原理图

1.1 正常送风子系统

该子系统包含2台容量相同的空调机组(一用一备),每台机组包括粗效过滤器、中效过滤器、冷却器和送风机各1台。由核岛废物厂房冷水系统(WWC)提供冷水,冷水流量通过电动三通调节阀进行调节。

送风量根据不同的辐射分区,依据NB/T 20185—2012《压水堆核动力厂厂内辐射分区设计准则》[2]规定的换气次数与房间体积的乘积及消除室内余热余湿的计算值,取大者。对于特殊房间,送风需经单独处理。

1.1.1含硼浓缩液间

对硼酸和氢氧化钠溶液结晶的研究表明,温度为30 ℃时,只要氢氧化钠和硼酸的浓度比在0.20～0.25之间,含硼量达40 g/L的硼酸钠溶液不会形成结晶。为了避免浓缩液结晶,可采用2种方法来使溶液温度保持在30 ℃,一是对管道及设备加热,二是进行室温控制。

VRW系统在原有设计中采用管道式电加热器,通过房间温度连锁控制电加热器,当房间温度≤30 ℃时,就地指示并在三废处理控制系统(IAW)报警,连锁启动电加热器;当房间温度≥40 ℃时,就地指示,连锁关闭电加热器。经现场反馈,管道式电加热器在房间风量较小时,会发生过热事故,导致误停机。因而在后续设计中,采用侧墙安装的工业型电加热器,提升了安全性和稳定性。

在进行电加热器设计计算时,需综合考虑外围护结构传热、邻室传热、新风负荷及设备散热量情况,满足房间最低设计温度要求。

1.1.2电气设备间

电气设备间包括Q308与Q508 2个房间,冷负荷强度高,若采用集中式空调系统,会使系统非常庞大,故采用半集中式空调设计方案。在电气设备间设置2套空调系统:一是设1台就地循环冷却机组,承担室内设备冷负荷37 kW,循环冷却机组额定制冷量为40 kW;二是设置集中送、排风系统,用于维持室内空气品质,承担照明、人员、围护结构冷负荷及新风负荷,共计13.6 kW。该方案既保证了电气设备间的温度和新风量要求,同时减小了空调系统的规模,系统设计的可行性通过第2章数值模拟进行验证。

1.2 正常排风子系统

正常排风子系统包含2台容量相同的排风机组(一用一备),每台机组包括粗效过滤器、高效过滤器和排风机各1台,服务于无碘污染的房间。

核废物厂房的工艺房间均处于控制区,排风量需大于送风量,以保证房间微负压,减少在各种运行工况下由厂房泄漏产生的放射性气溶胶。风量可通过平衡阀进行调节,由排风管上的流量仪表监测。

1.3 碘排风子系统

该子系统服务于有潜在放射性污染的房间,设置2条相同的过滤管路(一用一备),每一条管路包括粗效过滤器、高效过滤器、电加热器、碘吸附器和碘排风机各1台。

正常工况下,碘排风经旁通管路排至室外。当探测到碘放射性信号高时,自动切换到碘吸附器管路运行,对排风进行净化处理。

1.3.1碘吸附器设计细节

为保持碘吸附器入口空气的相对湿度低于60%,在碘吸附器前设置电加热器,并通过湿度计连锁控制电加热器的启停。在碘吸附器上游设有温感探测器,下游设烟感探测器和温度仪表,当碘吸附器出口温度高于80 ℃时,就地显示并报警,运行人员根据需要启动核岛消防系统(FNP)。此外,碘吸附器前后还设有手动防火阀,以应对碘吸附器着火对其他物项造成影响。

对于碘吸附器前电加热器的设计计算,应充分考虑空气处理过程,避免将容量设计得过大。首先依据各碘排风房间的送风量、设备散热量(围护结构传热量占比较小可忽略不计),计算各房间排风温度,之后利用各房间排风量、排风温度,根据能量守恒,求出总的排风温度,作为电加热器进口温度;再利用焓湿图,在电加热器进口状态点做等含湿量线与电加热器出口60%相对湿度线相交,计算电加热器出口温度;最后再根据基本传热学公式[3],得到电加热器的功率。需分别计算冬、夏季工况,取大者作为设计值,计算流程如图2所示。

图2 加热器设计计算流程

1.3.2旁通管路隔离阀

核岛通风系统对于有潜在碘污染的区域排风要经过碘吸附器过滤后再排入核岛通风烟囱,按碘吸附器运行维修规程,在电站正式投运前需要对碘吸附器进行现场试验,包括泄漏率和净化系数验证等。据经验反馈,若旁通管路的隔离阀密封性不满足泄漏量要求,碘吸附器现场试验时,会导致泄漏率超标。

现有设计方案中,旁通管路设有1台电动隔离阀,按阀门技术规格书要求,阀门内泄漏量为10 m3/(m2·h)。此外,还设有1台手动调节阀,共同保证碘吸附器现场试验时泄漏率满足不高于0.05%的验收准则。

1.4 排烟子系统

排烟子系统服务于核废物厂房的2个电气设备间,主要包括1台粗效过滤器、1台高效过滤器和2台容量相同的排烟风机(一用一备)。2台排烟风机由其保护的电气设备间之外的配电盘供电,排风量按换气次数不低于12 h-1进行设计。

在电厂正常运行期间,排烟子系统不运行。当电气间发生火灾时,由相应的防火阀隔离送风管和排风管。火灾后,在开启排烟风管上的排烟阀后手动启动排烟风机,为电气设备间排除冷烟,并与正常排风、碘排风一起汇入通风烟囱高空排放。

2 数值模拟

选取典型房间,一是冷负荷强度较高的电气设备间Q308,一是空间狭窄、层高较高、通风管路布置较困难的工艺隔间,包括粗效过滤器隔间Q625、活性炭床隔间Q626及备用隔间Q623和Q624,下面就电气设备间Q308和4个工艺隔间分别进行模拟研究。

Q308房间是具有高发热量的大空间,设计采用2套空调系统,包括集中送、排风机组和循环冷却机组。为验证通风系统能否满足房间设计温度要求及气流组织的合理性,对该房间进行数值模拟。采用RNGK-ε湍流模型,开启DO辐射模型,使用耦合算法进行求解。

对于工艺隔间,依据EUR(欧洲核电用户要求文件)中2.8-3.9.3.2.2 B等相关条款规定,工艺隔间气流组织需满足从潜在低污染区流向潜在高污染区。为便于施工,送风从橙区送入,转送至红区,再从红区统一排走,其通风原理图见图3,并通过模拟研究房间速度场。

图3 工艺隔间通风原理图

2.1 物理模型

根据建筑作业图,在DesignModeler模块中创建Q308房间和4个工艺隔间的简化三维模型。Q308房间长10.2 m、宽6.2 m、高6.0 m,随后将模型导入Meshing进行网格划分,并对送、排风口和2个接触面进行网格加密处理。每个工艺隔间长1.8 m、宽1.5 m、高9.0 m,隔间紧密相连,对送、排风口和转送风口进行局部网格加密处理。

2.2 边界条件

模拟计算采用的边界条件如表2、3所示。

表2 Q308房间边界条件

表3 工艺隔间边界条件

2.3 模拟结果与分析

2.3.1Q308房间温度场

采用Fluent求解器求解,得出温度云图,见图4。由图4a可以看出,房间整体温度(除风口附近)约为30～33 ℃。由图4b可以看出,工作区最高温度超过33 ℃,主要原因是电气设备周围散热量较大。由图4c可以看出,送风温度对整体房间温度控制效果较明显,风口一侧相较于被电气设备遮挡侧约有2 ℃的温降。由图4d可以看出,送风温度在电气设备上方有上升趋势,判断是因为发热体温度较高,将送进室内的冷风加热,在温差作用下产生烟囱效应。由图4e可以看出,最高温度不超过34 ℃,满足电气设备间的温度设计要求。

图4 Q308房间温度场

2.3.2Q308房间速度场

为验证气流组织的合理性,对房间速度场进行研究,结果见图5。根据边界条件设定,考虑0.7的风口遮挡系数,正常送风口速度为2.3 m/s,循环冷却送风口速度为2.1 m/s。模拟计算得到循环冷却排风口速度为2.3 m/s,正常排风口处速度为2.1 m/s。由图5c可以看出,气流先上升,接触壁面后下沉。但观察房间速度流线图(见5d)后发现,正常低温送风本应在房间充分换热后通过正常排风口排出房间,但实际却在未达到房间设计温度时即被循环冷却排风口大量吸入,经循环冷却机组低效二次冷却后由送风口再次送入房间,导致循环冷却机组带走房间显热的能力大大降低,房间温度可能远高于设计值。因此风口布置时需注意:循环冷却排风口应远离正常送风口射流区,而正常排风口应远离循环冷却送风口的射流区,以避免出现交叉短路现象。

图5 Q308房间速度场

2.3.3工艺隔间速度场

为了验证4个工艺隔间转送风口的可靠性及整体气流组织的合理性,对房间速度场进行研究,结果如图6所示。根据速度云图可知,转送风口速度达1.3～1.5 m/s。转送风口处风速均匀稳定,模拟证明在风管布置困难的局促空间,采用转送风的方式具有一定的通风效果。另外,根据EUR条款2.8-3.9.3.1 F的规定,潜在低污染区与潜在高污染区之间应维持50 Pa左右的压差,以满足相邻房间转送风的需求。

图6 工艺隔间速度场

3 设计优化

3.1 系统冗余

因核废物厂房安全等级为非安全级,正常送风空调机组与正常排风机组分别设置2台50%容量的设备。当1台空气处理机组或排风机组因维修或失效而不可用时,仅运行另1台空气处理机组或排风机组,管网阻抗不变的前提下可维持约70%的设计风量,所需气流流向和厂房负压仍能得到基本保证,若厂房温度升高,可临时调整废物处理工艺流水线的运行模式以降低散热量。总体而言,该配置方法可在基本保证系统功能的前提下有效降低通风设备的一次投资,并提高了运行经济性。

3.2 碘排风子系统

碘吸附器属于非能动设备,现场试验和日常维护工作量较大。设计上可减少原备用列的1台碘吸附器、1台电加热器及2台手动防火阀,将其设计为旁通管路。同时取消运行列碘吸附器的旁通工况,适当调整两支路风阀位置。正常工况下,运行旁通管路,即支路2;当探测到碘放射性信号高时,自动切换至碘吸附器管路运行,即支路1,空气经净化处理后通过烟囱高空排放。此外,在碘排风管路和旁通管路之间增加一条支路,当碘排风机故障检修时,可通过电动隔离阀切换至旁通管路风机运行,增加了系统的可靠性。优化后的系统原理图见图7,图例含义同图1。

图7 优化后碘排风子系统原理图

3.3 排烟子系统

根据GB/T 22158—2021《核电厂防火设计规范》[4],对可能产生大量烟气且不便于人员经常进出的放射性风险区域,可设置兼作排烟的固定通风系统进行排烟。

后续设计中,可取消排烟子系统,改为由正常排风子系统进行排烟。由于核废物厂房是事故后排冷烟,因而正常排风机可兼作排烟风机,但需避免正常排风机与火灾所在配电间的共模失效,即2台正常排风机需要采用来自不同防火分区配电间的2路电源供电。此外,电气设备间的排风防火阀需具备高温再开启功能,并安装于电气房间外,方便人员操作。该方案具备一定的工程可实施性,优化后可进一步提升核电站建造的经济性。

4 结论

1) 对于散热量较大的电气设备间,采用集中送、排风系统结合循环冷却机组,能有效减小集中式空调系统的规模。

2) 模拟结果表明,电气设备间的温度分布在正常设计范围内,风口布置时需充分考虑2套通风系统之间的气流交叉短路问题。

3) 工艺隔间的速度分布满足气流从潜在低污染区流向潜在高污染区,且满足相邻房间转送风的设计要求。

4) 基于对系统设计的思考,给出了提高经济性的优化建议,为后续核废物厂房通风系统的设计提供参考。