核電廠SBO工況對DCS機柜散熱量的影響分析

付文韜，崔明路，徐思敏，廖圣勇

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

根據(jù)對現(xiàn)有核電廠項目DCS機柜研究發(fā)現(xiàn)，機柜散熱量作為機柜房間內(nèi)通風系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵要素，不僅關(guān)系到通風系統(tǒng)風機風量大小及風管直徑的選擇，也會嚴重影響機柜正常的運行狀態(tài)。經(jīng)過調(diào)研與分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段各核電廠存在DCS機柜散熱量設(shè)計需求數(shù)據(jù)較大，裕量較高，設(shè)計偏保守的情況[1]，不僅提高了各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度與難度，也在一定程度上提高了設(shè)備制造以及電廠的經(jīng)濟性。因此，為保證核電廠DCS系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)以及電廠的穩(wěn)定運行，機柜散熱量的研究至關(guān)重要。

SBO工況是在核電廠各類運行工況條件下，最直接影響DCS系統(tǒng)運行狀態(tài)的一種典型工況條件[2]。本文的主要目的是通過研究核電廠SBO工況與DCS機柜運行狀態(tài)的關(guān)系，來判斷影響機柜散熱量的關(guān)鍵因素。首先，對測試方法進行介紹，通過采用模擬機仿真技術(shù)，模擬核電站工況環(huán)境；同時，觀測該工況環(huán)境下各類執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)，判斷需要在工況下運行的設(shè)備種類、數(shù)量及其所在房間與機柜；最后，通過仿真結(jié)果分析說明工況環(huán)境對于機柜散熱量影響的因素與來源。

1 測試流程

1）測試目的

以模擬機平臺模擬核電廠工況環(huán)境為基礎(chǔ)，通過觀測該工況條件下設(shè)備的動作，從而判斷工況研究的可行性及優(yōu)化方向。

2）測試范圍

在實際項目中，散熱量的需求計算主要以房間為單位。因此，為了更好判斷工況對于DCS機柜用電量和散熱量的影響，選取部分房間內(nèi)機柜進行觀測。本次測試，主要以某參考電站為樣本，選取房間1，2，3，4，5內(nèi)的所有機柜設(shè)備為觀測對象。此外，根據(jù)DCS設(shè)計特點，分別篩選出如下類別的設(shè)備，主要包括：①電磁閥；②泵；③風機。

通過模擬機監(jiān)測這3類設(shè)備的動作狀態(tài)，從而判斷其所在機柜是否需要某一工況下帶電。

3）測試工具：模擬機。

4）測試工況：SBO工況。

5）測試方法

主要的測試流程是：先將模擬機按照核電廠滿功率時的狀態(tài)進行仿真；其次，存儲提前選取的設(shè)備，并記錄滿功率時設(shè)備的狀態(tài)；接著通過插入失電故障，模擬SBO工況環(huán)境；此時，存儲選取設(shè)備當前時刻的狀態(tài)；最后，再將初始狀態(tài)和失電后設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)通過驗證平臺導(dǎo)出，得到相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 測試結(jié)果

此次，模擬仿真的工況環(huán)境是以SBO工況條件為基礎(chǔ)，進行全范圍模擬事故環(huán)境。在整個事故工況環(huán)境下，觀測相關(guān)設(shè)備的動作及狀態(tài)。在整個觀測的過程中，主要將設(shè)備分成4種狀態(tài)：滿功率開狀態(tài)、滿功率關(guān)狀態(tài)、SBO后開狀態(tài)、SBO后關(guān)狀態(tài)。

根據(jù)表1所示的觀測結(jié)果，按房間分類，可以得到：

表1 SBO工況環(huán)境下模擬仿真結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of simulation results under SBO operating conditions

1）房間1

根據(jù)表1-房間1結(jié)果所示，在功率運行過程中，房間1機柜涉及共有156個設(shè)備，其中排除27個無法驗證的設(shè)備之外，共有30個設(shè)備處在開狀態(tài)，92個設(shè)備處在關(guān)狀態(tài)。當發(fā)生SBO工況后，共有7個設(shè)備觸發(fā)關(guān)動作，3個設(shè)備觸發(fā)開動作，還有20個設(shè)備需要保持在開狀態(tài)。根據(jù)這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有30個設(shè)備需要動作或保持狀態(tài)，也意味著相關(guān)的機柜需要處于帶電狀態(tài)，方能保證設(shè)備的需要。

2）房間2

根據(jù)表1-房間2結(jié)果所示，在功率運行過程中，房間2機柜涉及共有151個設(shè)備，其中排除27個無法驗證的設(shè)備之外，共有52個設(shè)備處在開狀態(tài)，70個設(shè)備處在關(guān)狀態(tài)。當發(fā)生SBO工況后，共有9個設(shè)備觸發(fā)關(guān)動作，4個設(shè)備觸發(fā)開動作，還有43個設(shè)備需要保持在開狀態(tài)。根據(jù)這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有56個設(shè)備需要動作或保持狀態(tài)，也意味著相關(guān)的機柜需要處于帶電狀態(tài)，方能保證設(shè)備的需要。

3）房間3

根據(jù)表1-房間3結(jié)果所示，在功率運行過程中，房間3機柜涉及共有229個設(shè)備，其中排除7個無法驗證的設(shè)備之外，共有97個設(shè)備處在開狀態(tài)，110個設(shè)備處在關(guān)狀態(tài)。當發(fā)生SBO工況后，共有21個設(shè)備觸發(fā)關(guān)動作，40個設(shè)備觸發(fā)開動作，還有76個設(shè)備需要保持在開狀態(tài)。根據(jù)這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有137個設(shè)備需要動作或保持狀態(tài)，也意味著相關(guān)的機柜需要處于帶電狀態(tài)，方能保證設(shè)備的需要。

4）房間4

根據(jù)表1-房間4結(jié)果所示，在功率運行過程中，房間4機柜涉及共有232個設(shè)備，其中排除7個無法驗證的設(shè)備之外，共有47個設(shè)備處在開狀態(tài)，173個設(shè)備處在關(guān)狀態(tài)。當發(fā)生SBO工況后，共有6個設(shè)備觸發(fā)關(guān)動作，16個設(shè)備觸發(fā)開動作，還有38個設(shè)備需要保持在開狀態(tài)。根據(jù)這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有60個設(shè)備需要動作或保持狀態(tài)，也意味著相關(guān)的機柜需要處于帶電狀態(tài)，方能保證設(shè)備的需要。

5）房間5

根據(jù)表1-房間5結(jié)果所示，在功率運行過程中，房間5機柜涉及共有107個設(shè)備，其中排除5個無法驗證的設(shè)備之外，共有27個設(shè)備處在開狀態(tài)，75個設(shè)備處在關(guān)狀態(tài)。當發(fā)生SBO工況后，共有1個設(shè)備觸發(fā)關(guān)動作，0個設(shè)備觸發(fā)開動作，還有26個設(shè)備需要保持在開狀態(tài)。根據(jù)這一變化，可以初步判斷：在SBO工況條件下，有27個設(shè)備需要動作或保持狀態(tài)，也意味著相關(guān)的機柜需要處于帶電狀態(tài)，方能保證設(shè)備的需要。

3 影響分析

根據(jù)上述內(nèi)容，歸納總結(jié)后，可以得到如下觀測結(jié)果：

房間1：機柜涉及共有156個設(shè)備，在SBO工況條件，30個設(shè)備用電。

房間2：機柜涉及共有151個設(shè)備，在SBO工況條件，56個設(shè)備用電。

房間3：機柜涉及共有229個設(shè)備，在SBO工況條件，137個設(shè)備用電。

房間4：機柜涉及共有231個設(shè)備，在SBO工況條件，60個設(shè)備用電。

房間5：機柜涉及共有106個設(shè)備，在SBO工況條件，27個設(shè)備用電。

由于涉及到的房間、機柜、設(shè)備眾多，因而以房間1和房間4為例，分別進行舉例分析說明。

在房間1中，共有15臺控制柜。當發(fā)生SBO工況條件后，其中30個需要運行的設(shè)備分布于8臺控制柜中。其中，503號機柜中6個設(shè)備，505號機柜中3個設(shè)備，507號機柜中1個設(shè)備，509號機柜中6個設(shè)備，513號機柜中1個設(shè)備，517號機柜中2個設(shè)備，519號機柜中6個設(shè)備，521號機柜中5個設(shè)備。

在房間4中，共有12臺控制柜。當發(fā)生SBO工況條件后，其中需要運行的60個設(shè)備分布于10臺控制柜中。其中，523號機柜中3個設(shè)備，525號機柜中2個設(shè)備，527號機柜中5個設(shè)備，529機柜中12個設(shè)備，533號機柜中8個設(shè)備，535號機柜中1個設(shè)備，537號機柜中1個設(shè)備，539號機柜中3個設(shè)備，541號機柜中5個設(shè)備，543號機柜中20個設(shè)備。

從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在SBO工況條件下，房間1中有7臺機柜、房間4中有2臺機柜不參與電廠的運行過程。房間1中，需要運行最多設(shè)備的機柜為503號機柜、509號機柜、519號機柜，均有6個設(shè)備，而只需要1個設(shè)備的機柜為507號機柜、513號機柜；房間4中，需要運行最多設(shè)備的機柜為543號機柜，有20個設(shè)備，而只需要1個設(shè)備的機柜為535號機柜、537號機柜?？梢园l(fā)現(xiàn)雖然不同機柜所帶設(shè)備的數(shù)量不同，但對于機柜來說，只要供電就會產(chǎn)生散熱量。因此，在SBO工況下帶電機柜數(shù)量越多，產(chǎn)生的散熱量則越大，對前期系統(tǒng)設(shè)計的要求也就越高?；诖?，在滿足設(shè)計要求及可行性的基礎(chǔ)上，通過對工況設(shè)備的研究來進行機柜的設(shè)計及優(yōu)化改造，盡可能減少特殊工況條件下運行機柜的數(shù)量。

4 結(jié)論

綜合來說，通過對SBO工況的模擬，可以確認的是：當SBO工況發(fā)生后，僅存在部分設(shè)備需要動作。因此，對于DCS機柜來說，僅需要保證這些動作設(shè)備所涉及的機柜處于帶電狀態(tài)，即可滿足電廠的運行要求。通過梳理這些機柜，一方面能夠極大地優(yōu)化并降低其房間的散熱量，另一方面也能夠科學(xué)地開展對散熱量數(shù)據(jù)的研究。

然而，由于核電廠工況環(huán)境復(fù)雜，種類眾多，不同種類的堆型發(fā)生的工況環(huán)境也不盡相同。如果對所有工況條件都進行研究，工作量不僅相當大，而且對于機柜設(shè)計也無法達到最優(yōu)的設(shè)計狀態(tài)。因此，基于這一問題，需要結(jié)合上下游專業(yè)的分析及其側(cè)重點，具有針對性地進行工況分析，從而進行科學(xué)合理的機柜功能分配，來保證在異常工況下，上下游專業(yè)的相關(guān)設(shè)備都能正?？煽康剡\行。

雖然現(xiàn)階段僅僅研究了SBO工況條件下機柜、設(shè)備的運行情況，但憑借本文分析可以發(fā)現(xiàn)，工況的研究對未來DCS機柜的設(shè)計與優(yōu)化是具有較強的指導(dǎo)作用。一方面，可以合理優(yōu)化機柜的資源配置；另一方面，可以在一定程度上減少散熱量的產(chǎn)生。因此，在后續(xù)的各項目設(shè)計工作中，盡可能多地從工況環(huán)境的角度考慮問題，不僅有利于設(shè)計工作的全面性，也可以提升整個系統(tǒng)，甚至是整個電廠的科學(xué)性及合理性。