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核電廠低溫災(zāi)害防護(hù)設(shè)計(jì)研究

2021-04-07 03:42深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司
暖通空調(diào) 2021年3期
關(guān)鍵詞:環(huán)境溫度核電廠供熱

深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司 張 峰

0 引言

寒冷地區(qū)低溫造成的危害可能影響核電廠的安全和運(yùn)行。核電廠低溫防護(hù)需求來自于設(shè)備和人員,有以下特點(diǎn):

1) 低溫防護(hù)的范圍幾乎涉及全廠;

2) 液體工質(zhì)和油品在低溫環(huán)境可能出現(xiàn)陡邊效應(yīng),比如凍結(jié)、結(jié)晶;

3) 低溫防護(hù)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)和供熱措施共同實(shí)現(xiàn),由于低溫危害來自外部環(huán)境,所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱和熱慣性作用比較明顯;

4) 與高溫危害防護(hù)相反,系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行一般有利于低溫防護(hù),待命和備用的停運(yùn)設(shè)備往往是低溫防護(hù)需要特別關(guān)注的對(duì)象。

通過寒冷地區(qū)核電廠的自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行,進(jìn)行了大量的探索和研究,積累了一定的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。本文通過分析、歸納和提煉,希望建立一套核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)的原則和方法。

1 低溫防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

核電廠低溫防護(hù)的主要目標(biāo)是保證核電廠設(shè)備良好運(yùn)行或者設(shè)備不被損壞。根據(jù)核電廠不同工況要求和設(shè)備材料特性,可以識(shí)別和定義如下3類設(shè)備低溫防護(hù)環(huán)境溫度:

1) 長期運(yùn)行的最低環(huán)境溫度ts1,即從性能、壽命等方面考慮,設(shè)備長期運(yùn)行或者備用狀態(tài)的可接受最低環(huán)境溫度。該特征溫度對(duì)應(yīng)核電廠的正常運(yùn)行工況,從安全性、經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)現(xiàn)性等的平衡考慮,可以保留相對(duì)較大裕量。

2) 保證功能的最低環(huán)境溫度ts2,即設(shè)備短期運(yùn)行或者備用狀態(tài)的可接受最低環(huán)境溫度。該特征溫度對(duì)應(yīng)核電廠的事故工況,從安全可靠的角度考慮,一般保留合理裕量。

3) 不被損壞的最低環(huán)境溫度ts3,即不需要維修,當(dāng)環(huán)境條件恢復(fù)后,設(shè)備就能夠正常運(yùn)行的可接受最低環(huán)境溫度。該特征溫度指核電廠在事故工況不需要運(yùn)行的設(shè)備的材料和介質(zhì)不發(fā)生不可逆損壞的保證溫度,并考慮必要的裕量。

舉幾個(gè)例子說明以上低溫防護(hù)環(huán)境溫度,供設(shè)計(jì)研究參考:

1) 包含水溶液工質(zhì)的流體系統(tǒng)。當(dāng)水溫處于低于0 ℃的過冷狀態(tài)時(shí)就可能結(jié)冰,影響系統(tǒng)運(yùn)行,甚至造成設(shè)備的損壞。由于流體系統(tǒng)工質(zhì)的低溫源于環(huán)境,當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí),流體系統(tǒng)的水溶液溫度高于或者等于0 ℃,另外有研究表明水的流動(dòng)有利于防止結(jié)冰,所以僅從水溶液工質(zhì)的角度考慮,不被損壞的最低環(huán)境溫度ts3和保證功能的最低環(huán)境溫度ts2可以均取0 ℃。對(duì)于核電廠正常運(yùn)行工況,長期運(yùn)行的最低環(huán)境溫度ts1一般可取≥5 ℃。

2) 硼酸溶液工質(zhì)的流體系統(tǒng)。體積分?jǐn)?shù)為2 200×10-6的硼酸溶液的結(jié)晶溫度為0 ℃,考慮合理的裕量,僅從硼酸溶液工質(zhì)的角度考慮,ts3和ts2可以均取4 ℃。對(duì)于核電廠正常運(yùn)行工況,ts1一般取≥7 ℃。

3) 人員。國外做了大量研究和試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)人對(duì)于溫度的敏感和耐受能力差異很大,特別是對(duì)于低溫。一般認(rèn)為手表面溫度低于15 ℃時(shí),人的工作效能顯著下降。對(duì)于在核電廠事故工況需要人員保持操作的區(qū)域,ts2可以取7~10 ℃;在核電廠正常運(yùn)行工況需要人員長期居留工作的區(qū)域,ts1一般可取18~22 ℃;對(duì)于人員,不考慮不被損壞的最低環(huán)境溫度ts3。

核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該按照不同設(shè)備和工質(zhì)類型,包括各類機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、電子設(shè)備、包含油和(或)水和(或)硼溶液的管道和容器等,收集相關(guān)最低環(huán)境溫度的需求值,考慮合理的安全裕量,建立低溫防護(hù)環(huán)境溫度參數(shù)。

需要注意廠房環(huán)境溫度不是低溫防護(hù)設(shè)計(jì)的直接目標(biāo),系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、保溫、伴熱等都可能改變設(shè)備對(duì)于廠房環(huán)境溫度的要求。比如,堆芯和乏燃料排熱相關(guān)的系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、伴熱設(shè)備和管道等,由于存在熱源和保溫,所以其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于廠房環(huán)境條件幾乎沒有要求或者要求很低,這些系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和備用停運(yùn)狀態(tài)對(duì)于廠房的低溫防護(hù)環(huán)境溫度要求是不一樣的。另外,在進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱平衡計(jì)算評(píng)估分析時(shí),如果有必要,可以直接計(jì)算設(shè)備本體或者工質(zhì)材料的實(shí)際溫度進(jìn)行判斷,而不是間接地采用廠房環(huán)境溫度。

廠房房間的低溫防護(hù)環(huán)境設(shè)計(jì)溫度應(yīng)該綜合考慮所有安裝在房間內(nèi)部設(shè)備的低溫防護(hù)環(huán)境溫度參數(shù),并結(jié)合核電廠不同工況的功能要求,進(jìn)行評(píng)估確定。

對(duì)于安全分析要求的環(huán)境初始溫度,應(yīng)該根據(jù)工況假設(shè),采用長期運(yùn)行的最低環(huán)境溫度(ts1)或者保證功能的最低環(huán)境溫度(ts2)。

2 低溫防護(hù)的室外計(jì)算參數(shù)

核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)室外計(jì)算參數(shù)的確定要考慮外部災(zāi)害防護(hù)和重要功能相關(guān)的可靠性要求,以及低溫防護(hù)動(dòng)態(tài)計(jì)算分析的參數(shù)要求。

參考《先進(jìn)輕水堆用戶要求文件》(URD)、《輕水堆核電廠歐洲用戶要求文件》(EUR)和我國工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn),可以定義3個(gè)核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度:

1) 可用性低溫室外計(jì)算溫度(tw1),該溫度用于核電廠非安全功能相關(guān)的廠房設(shè)備低溫防護(hù)和供熱容量設(shè)計(jì)計(jì)算。該參數(shù)的定義和統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法可以參考通用的工業(yè)空調(diào)供熱的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 安全性低溫室外計(jì)算溫度(tw2),該溫度用于安全相關(guān)功能的廠房設(shè)備低溫防護(hù)和供熱容量設(shè)計(jì)計(jì)算中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性,使通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的室內(nèi)熱負(fù)荷具有時(shí)間延滯和幅度降低的特點(diǎn),建議按照較tw1的不保證概率低一個(gè)數(shù)量級(jí)確定該溫度基準(zhǔn)的定義和統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法,比如,采用累年平均每年不保證6~12 h的統(tǒng)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)。

3) 極端低溫室外計(jì)算溫度(tw3),該溫度用于安全相關(guān)功能的廠房設(shè)備低溫防護(hù)和供熱容量設(shè)計(jì)計(jì)算中的室外新風(fēng)引入的熱負(fù)荷計(jì)算,故這部分熱負(fù)荷有瞬時(shí)性的特點(diǎn)。該參數(shù)的定義和計(jì)算采用零超越概率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)。

核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)室外計(jì)算參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算年限應(yīng)該根據(jù)外部災(zāi)害防護(hù)的總體設(shè)計(jì)要求確定,參考我國法規(guī)要求,建議不低于100 a。

室外風(fēng)速會(huì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱,故應(yīng)該考慮與低溫室外計(jì)算溫度相關(guān)的冬季室外風(fēng)速,具體的組合方法和采用基準(zhǔn)尚無權(quán)威的資料參考,需要另外分析研究。按照我國工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱計(jì)算采用通用的外表面換熱系數(shù),再根據(jù)構(gòu)筑物的位置和外部環(huán)境特點(diǎn),采用附加系數(shù)進(jìn)行修正。

在核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)中,對(duì)于重要供熱功能和措施的可靠性評(píng)估分析,需要進(jìn)行假設(shè)特定工況時(shí)間長度的動(dòng)態(tài)熱平衡計(jì)算,比如低溫疊加廠外電源喪失(LOOP),要建立該工況計(jì)算時(shí)間長度對(duì)應(yīng)的室外低溫包絡(luò)計(jì)算溫度。該室外低溫包絡(luò)計(jì)算溫度是一條覆蓋計(jì)算工況時(shí)間長度的最低連續(xù)溫度線,代表在核電廠壽命期內(nèi)可能出現(xiàn)的最低室外連續(xù)溫度。計(jì)算采用的室外最低連續(xù)溫度線應(yīng)該結(jié)合計(jì)算分析方法,根據(jù)廠址氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的假設(shè)擬合,能夠可信地包絡(luò)實(shí)際可能出現(xiàn)的情況。一種可行的參考做法是根據(jù)前面的tw1、tw2和tw3的統(tǒng)計(jì)定義,將計(jì)算工況的時(shí)間進(jìn)行分段,保守地組合一條分段階梯的低溫連續(xù)溫度線。

3 低溫防護(hù)的設(shè)計(jì)原則和方法

核電廠低溫防護(hù)應(yīng)使設(shè)備處于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài),保證設(shè)備在核電廠各類工況下能夠執(zhí)行其需要的功能。低溫作為一種外部災(zāi)害,應(yīng)該與核電廠各類工況疊加,根據(jù)設(shè)備功能采用相應(yīng)的外部低溫設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

核電廠正常運(yùn)行工況下,采用可用性低溫室外計(jì)算溫度tw1時(shí),所有設(shè)備均應(yīng)該保證良好運(yùn)行。核電廠正常運(yùn)行工況和事故工況(包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和擴(kuò)展設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故)下,采用tw2和tw3時(shí),所有執(zhí)行安全功能的設(shè)備均應(yīng)該保證能夠可靠運(yùn)行或者處于能夠可靠投運(yùn)的備用狀態(tài)。

保證安全級(jí)設(shè)備運(yùn)行執(zhí)行安全功能的供熱功能是安全級(jí)功能,應(yīng)采用與所支持的安全級(jí)設(shè)備功能一致的可靠性設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

僅用于維持安全級(jí)設(shè)備備用狀態(tài)的供熱功能,如果供熱功能失效將導(dǎo)致安全級(jí)設(shè)備的失效,則該供熱功能雖然不屬于安全級(jí)功能,但是屬于安全相關(guān)的重要供熱功能,需要考慮特殊的設(shè)計(jì)基準(zhǔn),比如冗余設(shè)計(jì)、應(yīng)急電源等。

保證安全分析初始溫度要求的供熱功能,如果供熱功能失效將導(dǎo)致不能維持安全分析的初始條件,影響安全分析的結(jié)論,則該供熱功能屬于安全相關(guān)的重要供熱功能,需要考慮特殊的設(shè)計(jì)基準(zhǔn),比如冗余設(shè)計(jì)、應(yīng)急電源等。

保證核電廠可用性相關(guān)的重要設(shè)備和高價(jià)值設(shè)備的低溫防護(hù)的供熱功能,采用tw2和tw3時(shí),如果供熱功能失效會(huì)導(dǎo)致這些設(shè)備損壞,則該供熱功能屬于非安全相關(guān)的重要供熱功能,需要考慮特殊的設(shè)計(jì)要求,比如采用柴油機(jī)電源。

對(duì)于核電廠非安全級(jí)的重要供熱功能應(yīng)進(jìn)行失效分析,確定其可靠性的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。在供熱功能失效后,如果有必要均可以通過維修干預(yù)等措施進(jìn)行恢復(fù),所以需要確定一個(gè)合理的供熱失效故障時(shí)間長度,并保守假設(shè)發(fā)生在最不利的連續(xù)低溫時(shí)刻,比如室外最低連續(xù)溫度線起始時(shí)刻為最低溫度。低溫疊加LOOP會(huì)導(dǎo)致核電廠停堆、大量設(shè)備失電停運(yùn)和供熱系統(tǒng)失效,是核電廠低溫防護(hù)的供熱功能出現(xiàn)共模失效的最不利事件組合,應(yīng)該作為核電廠重要的非安全級(jí)供熱功能進(jìn)行失效分析的包絡(luò)工況。LOOP的延續(xù)時(shí)間(tL)是一個(gè)與廠址相關(guān)的基準(zhǔn)參數(shù),需要根據(jù)核電廠廠址條件進(jìn)行分析確定,或者根據(jù)核電廠總體設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,采用可信的包絡(luò)延續(xù)時(shí)間。

在確定供熱需求和容量的穩(wěn)態(tài)熱平衡計(jì)算,以及供熱失效分析計(jì)算的動(dòng)態(tài)熱平衡計(jì)算時(shí),應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況,合理分析確定可信的廠房內(nèi)部得熱。房間的供熱功能的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)最高的設(shè)備要求確定。

核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)原則和方法歸納見圖1。

4 低溫防護(hù)的工程措施

核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)除了借鑒工業(yè)工程的供暖和防凍設(shè)計(jì),還可以考慮以下工程措施:

1) 合理選擇設(shè)備材料和工質(zhì),提高設(shè)備的低溫耐受能力,如采用添加防凍液、選用適應(yīng)低溫的油品、放空設(shè)備內(nèi)部液體等。

2) 優(yōu)先采用合理提高廠房和設(shè)備熱惰性的非能動(dòng)措施,能夠明顯降低設(shè)備低溫防護(hù)對(duì)于能動(dòng)供熱的依賴,或者明顯減小能動(dòng)供熱的設(shè)備容量,有利于應(yīng)對(duì)能動(dòng)供熱失效,提高低溫防護(hù)的可靠性。

3) 通過采用廠房或者設(shè)備保溫、封閉廠房連通外部的貫穿口部、提高廠房的密封性等措施,提高廠房或設(shè)備的熱惰性。

4) 在上述2)、3)的情形下,如果通過合理提高廠房或者設(shè)備的初始溫度能夠達(dá)到低溫防護(hù)目的,宜優(yōu)先采用。

5) 當(dāng)廠房內(nèi)僅少量設(shè)備有較高的低溫防護(hù)要求時(shí),應(yīng)針對(duì)這些設(shè)備采取伴熱、保溫或者其他措施,降低對(duì)于廠房低溫防護(hù)環(huán)境溫度的要求。

圖1 核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)流程圖

6) 采用備用設(shè)備切換運(yùn)行,保持流體處于流動(dòng)狀態(tài)。

7) 對(duì)于兼顧夏季排熱功能的通風(fēng)系統(tǒng),通過變頻、減少運(yùn)行風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、回風(fēng)混合等措施合理減少廠房低溫工況的通風(fēng)量。

8) 當(dāng)廠房出現(xiàn)供熱功能失效工況(如低溫疊加LOOP工況)時(shí),在核電廠安全可接受的前提下,停運(yùn)廠房通風(fēng)。

9) 必要時(shí)采用柴油機(jī)電源保證廠房供熱。

10) 對(duì)于低溫敏感設(shè)備的區(qū)域應(yīng)設(shè)置低溫監(jiān)測和報(bào)警。

5 結(jié)論

1) 應(yīng)該識(shí)別核電廠物項(xiàng)的材料、介質(zhì)、工質(zhì)、運(yùn)行和功能要求等,確定低溫防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)。

2) 根據(jù)外部災(zāi)害防護(hù)和功能設(shè)計(jì)的總體要求,建立一套低溫防護(hù)設(shè)計(jì)的室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)。

3) 除了遵循常規(guī)核電廠功能和容量設(shè)計(jì)基準(zhǔn)方法,還需要特別關(guān)注核電廠備用和停運(yùn)設(shè)備的低溫防護(hù)安全,特別是對(duì)于相對(duì)重要功能設(shè)備,至少不能出現(xiàn)造成設(shè)備不可逆損壞的陡邊效應(yīng)。

4) 低溫疊加廠外電源喪失(LOOP)的組合工況可以作為低溫防護(hù)設(shè)計(jì)中供熱失效分析的包絡(luò)工況。

5) 優(yōu)先采用減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和室外新風(fēng)進(jìn)入的措施、利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性、提高設(shè)備材料和工質(zhì)的耐低溫性能等非能動(dòng)低溫防護(hù)措施。

核電廠低溫防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮各方面因素,基于風(fēng)險(xiǎn)和工程措施的平衡,合理制定工程設(shè)計(jì)方案,保障核電廠的安全和運(yùn)行。

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