一種核電廠重要廠用水泵房環(huán)境溫濕度高處理方法

陳松平 ，張彩良，徐志軍

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.國家核電廠安全及可靠性工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215004；3.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

0 引言

核電廠重要廠用水系統(tǒng)無論在正常運行工況或事故工況下，都將設(shè)備冷卻水系統(tǒng)所傳輸?shù)臒崃繉?dǎo)出傳到海水中，該系統(tǒng)被稱為核島的最終熱阱。重要廠用水泵(SEC 泵)安裝在聯(lián)合泵站的地下泵房內(nèi)部，泵房內(nèi)部深度在20 m 左右。泵房通風(fēng)采用送風(fēng)機機械送風(fēng)，在吸收房間熱量后，依靠熱壓自然排風(fēng)方式，用于保證設(shè)備運行和維修所需的適宜條件。泵房通風(fēng)系統(tǒng)是一個與核安全密切相關(guān)的系統(tǒng)。由于部分核電廠位于我國東南沿海地帶，夏季炎熱，春季潮濕，而泵房內(nèi)設(shè)備電機發(fā)熱量大，高溫天氣下，依靠自然風(fēng)難以控制泵房內(nèi)部環(huán)境溫度，導(dǎo)致泵房溫度超標(biāo)，超過運行限值。而潮濕季節(jié)，大量濕空氣進(jìn)入泵房，導(dǎo)致地下泵房內(nèi)部墻壁及設(shè)備表面出現(xiàn)大量凝露現(xiàn)象，威脅設(shè)備運行安全。2019 年某核電廠發(fā)生了1 號機組B 列6.6 kV 應(yīng)急母線失電，機組進(jìn)入狀態(tài)導(dǎo)向事故規(guī)程的事件。經(jīng)調(diào)查，環(huán)境濕度高是SEC 泵電機絕緣子爬電的誘因之一。

下面在研究泵房通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在不改變核安全相關(guān)系統(tǒng)基本功能的前提下，提出在進(jìn)風(fēng)風(fēng)室增加一種有兩路新風(fēng)的新型制冷機組，一路經(jīng)冷卻器降溫除濕，出來的低溫近飽和濕度的濕冷空氣與另一路高溫空氣混合，達(dá)到理想的溫度、濕度參數(shù)狀態(tài)下后送入泵房內(nèi)部，以解決泵房內(nèi)部環(huán)境溫濕度超標(biāo)問題。

1 事件及原因分析

1.1 泵房環(huán)境溫度超標(biāo)

一列重要廠用水系統(tǒng)有兩臺SEC 泵，分別安裝在相鄰的兩個泵房。SEC 泵房內(nèi)部除安裝有SEC 泵外，還安裝有海水過濾系統(tǒng)水沖洗泵(CFI泵)、消防水生產(chǎn)系統(tǒng)消防水泵(JPP 泵)等設(shè)備，為泵房內(nèi)部的主要熱源。

表1 為某電廠SEC 泵房內(nèi)部主要設(shè)備的布置和發(fā)熱量情況。

表1 SEC 泵房設(shè)備布置及發(fā)熱量數(shù)據(jù)

某核電廠1995—2021 年氣溫極值統(tǒng)計見圖1。歷史極端最高氣溫40.3 ℃。該核電廠夏季室外設(shè)計干球溫度35.3 ℃，泵房內(nèi)部溫度超過40 ℃時觸發(fā)溫度高報警，根據(jù)運行規(guī)程，認(rèn)為相應(yīng)的SEC泵不可用。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，理想狀態(tài)下，氣體換熱效果如下：

圖1 某核電廠氣溫極值統(tǒng)計數(shù)據(jù)

式(1)中：QV為泵的最大發(fā)熱量；CV為空氣體積比熱容；V為空氣流量；Δt為空氣溫升。

以DWS001ZV 風(fēng)機所在泵房為例，計算可得，當(dāng)環(huán)境氣溫超36.4 ℃時，泵房內(nèi)部溫度將超過40 ℃。由于實際換熱效果與理想狀態(tài)存在一定差距，且泵房內(nèi)電燈、電纜等設(shè)備發(fā)熱，巡檢人員帶入熱量等，當(dāng)實際環(huán)境溫度達(dá)到35 ℃時，容易出現(xiàn)高溫報警。根據(jù)運行技術(shù)規(guī)范，當(dāng)泵房溫度超過40℃時，則認(rèn)為相應(yīng)的SEC 泵不可用，需要切換到備用泵運行，這大大降低了核電廠冷源運行的安全性和可靠性。據(jù)統(tǒng)計，目前群廠已經(jīng)發(fā)生了近10 次高溫報警的案例。

1.2 泵房凝露及危害

2019 年某核電廠發(fā)生了1 號機組B 列6.6 kV應(yīng)急母線失電，機組進(jìn)入狀態(tài)導(dǎo)向事故規(guī)程的事件?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)母線側(cè)觸頭處有放電痕跡，根本原因為絕緣子本身故障導(dǎo)致放電擊穿。絕緣子凝露導(dǎo)致絕緣性能下降是事件發(fā)生的誘因之一。

事件發(fā)生后，對絕緣子進(jìn)行凝露試驗。試驗結(jié)果表明，在環(huán)境濕度過高時，在運行和停運狀態(tài)絕緣子表面均會出現(xiàn)凝露(見表2，3)。

表2 絕緣子運行狀態(tài)模擬試驗

表3 絕緣子停運狀態(tài)模擬試驗

2 新風(fēng)混風(fēng)制冷機組方案

2.1 制冷機組方案

為解決SEC 泵房內(nèi)部環(huán)境溫濕度高的問題，針對現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)的特點，設(shè)計一種新風(fēng)混風(fēng)式的制冷機組，如圖2 所示，現(xiàn)場布置情況如圖3 所示。該機組作為原通風(fēng)系統(tǒng)的輔助裝置，安裝在泵房通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)小室旁，通過風(fēng)管接入到進(jìn)風(fēng)風(fēng)道。由圖2 可知，新風(fēng)分為兩路，一路經(jīng)過表冷器冷卻除濕，出風(fēng)溫度達(dá)到18 ℃，空氣濕度接近飽和濕度。之后與另一路未經(jīng)降溫除濕處理的新風(fēng)混合，提高最終送入泵房內(nèi)部的風(fēng)溫，同時溫度升高，相對濕度下降。

圖2 新風(fēng)混風(fēng)制冷機組

圖3 機組現(xiàn)場布置示意

采用該方法可以在沒有空氣后處理的再熱段情況下，有效降低泵房環(huán)境溫度及濕度，大大節(jié)省能耗和投資。

風(fēng)機出口設(shè)置手動隔離閥、止回閥及電動隔離閥，電動隔離閥與DCS 信號聯(lián)動。手動隔離閥保持常開，在空調(diào)故障時關(guān)閉，以避免對原DWS 系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響。

在各泵房內(nèi)增加一套溫濕度傳感器，作為空調(diào)機組啟/停/調(diào)節(jié)的依據(jù)。以泵房的溫濕度作為設(shè)定值，來控制空調(diào)送風(fēng)參數(shù)，自動調(diào)節(jié)。保留原DWS 通風(fēng)方式，新增新型混風(fēng)制冷機組裝置作為原DWS 系統(tǒng)輔助裝置，不影響原系統(tǒng)功能及安全。兩個裝置可以并行，當(dāng)DWS 風(fēng)機啟動時作為補充送入部分冷風(fēng)。

通過自動控制設(shè)置，每年4 月中旬至10 月底，當(dāng)任一泵房溫度超過30 ℃或濕度大于70 %時，空調(diào)啟動制冷模式；泵房溫度均低于25 ℃或濕度低于40 %，空調(diào)處于待機模式。每年11 月至次年4月上旬，當(dāng)任一泵房濕度超過70 %時，空調(diào)啟動制熱模式；當(dāng)泵房濕度均低于40 %，空調(diào)處于待機模式。

2.2 主要參數(shù)確定

改造的環(huán)境溫濕度目標(biāo)根據(jù)DWS 風(fēng)機的啟動邏輯(高于35 ℃風(fēng)機自動啟動，低于30 ℃風(fēng)機自動停運)和絕緣子凝露試驗確定，溫度控制在30 ℃，濕度控制在80 %相對濕度以內(nèi)。假設(shè)理想情況下，經(jīng)過新型混風(fēng)制冷機組處理后的坑內(nèi)空氣同時達(dá)到這個溫濕度狀態(tài)，此時空氣露點溫度為23.9 ℃，因此設(shè)計出風(fēng)溫度為24 ℃。從保守角度考慮，設(shè)計進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)選取近年來氣象數(shù)據(jù)中焓值最大的點。此時空氣處理流程主要狀態(tài)點如圖4所示。

圖4 空氣處理流程

根據(jù)泵房內(nèi)部的設(shè)備發(fā)熱量，原通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)以及設(shè)計的進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)狀態(tài)點，確定制冷機組的主要參數(shù)，如表4 所示。

表4 新風(fēng)混風(fēng)制冷機組主要參數(shù)(冷暖型)

3 溫度處理效果仿真計算

利用計算流體力學(xué)(computation fluid dynamics， CFD)軟件，對泵房通風(fēng)環(huán)境下的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬分析。風(fēng)口設(shè)置：每個泵房共2個送風(fēng)口，1 個排風(fēng)口，總送風(fēng)風(fēng)量20 000 m3/h（小坑8 400 m3/h，大坑11 600 m3/h），送風(fēng)溫度24 ℃。負(fù)荷設(shè)置：設(shè)計夏季室內(nèi)總散熱量93.1 kW (小坑39.1 kW，大坑54 kW)。泵房待機時總散熱量3 kW。

一列SEC 系統(tǒng)由兩臺SEC 泵組成，分別布置在相鄰兩個泵房。模擬分析并計算，數(shù)值結(jié)果如下。

在模擬情況下，兩個泵房同時工作時，散熱量大，坑內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度為：整體平均值30.6 ℃，頂部約32.4 ℃，中部約29.2 ～31.3 ℃，底部約25.0 ～28.2 ℃。泵房待機時，散熱量小，坑內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度約24.6 ℃。

4 結(jié)論

針對我國東南沿海地區(qū)核電廠重要廠用水泵房頻發(fā)的溫度高報警及濕度超標(biāo)問題，提出了在泵房通風(fēng)系統(tǒng)上增加一套新風(fēng)混風(fēng)制冷機組的方案。該方案可以有效保證泵房內(nèi)環(huán)境的溫濕度，且無需再熱段，具有降低能耗、節(jié)省投資等優(yōu)點。