PDMS在核電廠廠房自由容積計(jì)算中的應(yīng)用

摘 要：核電廠反應(yīng)堆廠房自由容積是安全殼熱工分析和氣載放射性濃度計(jì)算的重要輸入。文章應(yīng)用了PDMS（Plant Design Management System）軟件對(duì)臺(tái)山一期和紅沿河5號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆廠房自由容積進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與原始設(shè)計(jì)結(jié)果一致。同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中，總結(jié)了開(kāi)展廠房自由容積過(guò)程中對(duì)物項(xiàng)體積的處理方法，可為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠；反應(yīng)堆廠房；自由容積；PDMS

1 概述

反應(yīng)堆廠房自由容積是指廠房?jī)?nèi)扣除布置物項(xiàng)所占體積之外的剩余空間。自由容積是安全殼熱工分析的重要輸入，反應(yīng)堆廠房自由容積為事故后廠房超溫超壓提供了緩沖空間。因此，在核電工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，增大反應(yīng)堆廠房自由容積，是提高核電廠安全性的措施之一[1]。此外，在計(jì)算廠房氣載放射性濃度、廠房水淹滯納高度時(shí)也需要自由容積參數(shù)。

根據(jù)前述定義，自由體積計(jì)算方法如下：

Vfree=Vtotal-？撞■■Vi（1）

其中，Vfree，Vtotal，Vi分號(hào)表示自由體積、廠房總?cè)莘e和物項(xiàng)的體積。由于反應(yīng)堆廠房為規(guī)則幾何體，Vtotal，容易計(jì)算得到。因此，自由容積計(jì)算的主要工作在于計(jì)算廠房?jī)?nèi)所布置物項(xiàng)的體積Vi。

文章利用PDMS軟件開(kāi)展了臺(tái)山一期EPR堆型（TSN）和紅沿河項(xiàng)目5號(hào)機(jī)組M310堆型（AZ5）兩個(gè)項(xiàng)目的反應(yīng)堆廠房自由容積的計(jì)算工作。計(jì)算結(jié)果與兩個(gè)項(xiàng)目原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)很接近，表明PDMS完全可以勝任相關(guān)的工作。同時(shí)，在開(kāi)展計(jì)算過(guò)程中總結(jié)出了物項(xiàng)體積的處理方法和原則，可以相關(guān)工作提供借鑒和參考。

2 基于PDMS的自由容積計(jì)算

2.1 PDMS中獲取體積的方法

PDMS（Plant Design Management System）是由英國(guó)AVEVA公司開(kāi)發(fā)，廣泛應(yīng)用于核電、火電、化工、海上工程等大型工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目[2，3]。中廣核工程公司目前承擔(dān)的所有核電工程設(shè)計(jì)都采用了PDMS軟件作為主要三維設(shè)計(jì)工具。

在PDMS中表達(dá)物項(xiàng)體積有三種屬性：GVOL，是指物體的毛體積。NVOL，是物體扣除負(fù)挖空間（如孔洞）后的凈體積。RVOL，是一種較粗放的毛體積屬性，一般用于具有復(fù)雜表面的物體，以減少計(jì)算時(shí)間。對(duì)于線狀物體，如管道，風(fēng)管和橋架等，可以提取截面積尺寸（如公稱直徑）再乘以中心線長(zhǎng)度計(jì)算得到物體體積。

因此，利用PDMS開(kāi)展廠房自由容積計(jì)算時(shí)，常用方法就是將自由容積邊界范圍之內(nèi)的所有物項(xiàng)的體積和尺寸屬性提取出來(lái)，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

在PDMS 12.0及之后的版本提供了可以直接計(jì)算兩個(gè)物體相交部分體積的功能。如圖1所示，利用“NVOL（'inside'/room1）”的語(yǔ)句，即可計(jì)算中某個(gè)物體（如/pipes1）與/room1這個(gè)表達(dá)房間模型的物體相交部分的體積。這為自由容積的計(jì)算提供了另外一種方法：即可先建立一個(gè)參考物體，其形狀和位置與需要計(jì)算自由容積的空間的形狀一致，利用上述方法可直接得到某空間的自由容積。

2.2 核島廠房自由容積計(jì)算需要考慮的物項(xiàng)及體積處理方法

核電廠房反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)布置了土建結(jié)構(gòu)、核島工藝系統(tǒng)及其支持和控制系統(tǒng)的各類物項(xiàng)?？傮w來(lái)說(shuō)，可按以下方式分類：（1）混凝土結(jié)構(gòu)；（2）鋼結(jié)構(gòu)，包括支吊架鋼結(jié)構(gòu)；（3）門結(jié)構(gòu)；（4）各類設(shè)備；（5）工藝管道及其附件（閥門等）；（6）電纜及橋架；（7）暖通風(fēng)管及其附件（風(fēng)閥等）；（8）水池中水體積。

一般來(lái)講，以上物項(xiàng)都可以考慮為實(shí)體結(jié)構(gòu)物項(xiàng)，在自由計(jì)算時(shí)需要加以統(tǒng)計(jì)。其他的物項(xiàng)，如照明系統(tǒng)等，由于體積小，可以忽略。對(duì)于風(fēng)管所占體積的處理方法，在實(shí)際工作中有所爭(zhēng)議，具體見(jiàn)文章第2.4節(jié)。

對(duì)于設(shè)備、混凝土、門結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、閥門、支架這幾類物項(xiàng)可以提取模型的NVOL獲取物項(xiàng)的體積。對(duì)于風(fēng)管、管道一般可通過(guò)獲取截面積和長(zhǎng)度參數(shù)計(jì)算體積，在12.0之后的版本，可以直接獲取NVOL屬性得到體積。對(duì)于橋架及其中所布置電纜的體積，由于模型表達(dá)的原因，一般通過(guò)獲取截面積和長(zhǎng)度參數(shù)計(jì)算體積。水池中水的體積一般在模型不表達(dá)，需要人工計(jì)算。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

利用對(duì)臺(tái)山一期EPR堆型（TSN）及紅沿河5號(hào)機(jī)組M310堆型（AZ5）兩個(gè)項(xiàng)目的反應(yīng)堆廠房自由容積進(jìn)行了重新計(jì)算。計(jì)算自由容積的邊界為由反應(yīng)堆廠房筏基上表面以及安全殼鋼襯里內(nèi)表面組成的封閉空間。通過(guò)廠房布置圖紙計(jì)算該封閉空間的總?cè)莘eVtotal。

分別采用了上述兩類方法來(lái)計(jì)算自由方法，對(duì)于AZ5項(xiàng)目是通過(guò)PDMS Report功能提取計(jì)算邊界內(nèi)的物體尺寸和體積參數(shù)。對(duì)于TSN項(xiàng)目，采用的是通過(guò)先建立與計(jì)算邊界形狀和位置一致的參考模型，再直接提取所有與參考模型相關(guān)部分的體積。

計(jì)算得到TSN和AZ5反應(yīng)堆廠房自由容積分別是78533m3和49203m3。這兩個(gè)堆型的原始設(shè)計(jì)值分別是78000m3[4]和

49400m3[5]，與計(jì)算結(jié)果很接近，這表明利用PDMS開(kāi)展廠房自由容積計(jì)算是可行的，更重要的是節(jié)省工作量。

2.4 分析和討論

在實(shí)際開(kāi)展自由容積計(jì)算過(guò)程，發(fā)現(xiàn)有以下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注：

（1）對(duì)于風(fēng)管內(nèi)部空間所占體積，是否需要作為實(shí)際物項(xiàng)加以考慮，存在一定的爭(zhēng)論。當(dāng)反應(yīng)堆廠房自由容積用作廠房超壓分析時(shí)，由于通風(fēng)口與風(fēng)管內(nèi)部空間連通，風(fēng)管內(nèi)部體積應(yīng)當(dāng)作廠房自由容積的一部分。但是當(dāng)廠房為“送-排風(fēng)”的通風(fēng)模式，此時(shí)排風(fēng)管道部分應(yīng)當(dāng)作廠房自由容積的組成部分來(lái)計(jì)算廠房氣載放射性濃度，而送風(fēng)管道應(yīng)該當(dāng)作實(shí)體物項(xiàng)。另外，風(fēng)管本身結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)和保溫結(jié)構(gòu)也會(huì)占據(jù)空間。而這兩種應(yīng)用場(chǎng)合，自由容積參數(shù)偏小，在核安全上偏保守的。因此，文章將風(fēng)管體積作為實(shí)體物項(xiàng)來(lái)處理。（2）某些封閉容器在建模時(shí)采用負(fù)實(shí)體表達(dá)了空腔結(jié)構(gòu)。此時(shí)NVOL屬性僅是設(shè)備殼體的體積，與實(shí)際不符。對(duì)于此類設(shè)備，一般需要通過(guò)人工復(fù)核或改為提取GVOL屬性。（3）在提取設(shè)備、閥門的體積時(shí)，由于模型通過(guò)一般會(huì)通過(guò)建立level為8-10基本體來(lái)表達(dá)檢修和操作空間占位，提取時(shí)，需要將檢修操作空間排除。（4）模型的精確性和完整性，影響著自由容積計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)備性。因此，在利用PDMS開(kāi)展自由容積時(shí)，首先需要對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估，并作為后續(xù)數(shù)據(jù)圓整處理的依據(jù)。比如，若廠房中未表達(dá)門結(jié)構(gòu)，則在計(jì)算混凝土體積時(shí)可不排除門洞的負(fù)挖體積來(lái)近似得到門的體積。（5）對(duì)于反應(yīng)堆廠房的自由容積，應(yīng)用在安全殼熱工分析和氣載放射性計(jì)算時(shí)，自由容積偏小在核安全上偏保守的。因此，采用PDMS計(jì)算得到結(jié)果之后，需要進(jìn)一步向下圓整再提供給相關(guān)專業(yè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章研究利用了PDMS開(kāi)展兩個(gè)不同技術(shù)路線反應(yīng)堆廠房自由容積的計(jì)算復(fù)核，所得結(jié)果與兩項(xiàng)目原始設(shè)計(jì)很接近。這表明利用PDMS開(kāi)展廠房自由容積計(jì)算是可行且高效的。文章也總結(jié)了利用PDMS開(kāi)展計(jì)算自由的一些原則，可供相關(guān)工作使用。

參考文獻(xiàn)

[1]濮繼龍.核電廠安全殼及其功能保障問(wèn)題[J].核科學(xué)與工程，1992，12（3）：253-258.

[2]姜紅靜，楊永春.PDMS在核電廠管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第一卷），2009，11：954-959.

[3]崔同凱，劉慧莉，陳淵明，等.PDMS軟件在鉆井船管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)造船，2012，5（53）：113-120.

[4]SCHNEIDER UWE. EPRTM TAISHAN-Input data，TS-X-NIE

P-NEPR-F-DC-20031：XVIII.4.

[5]遼寧紅沿河核電有限公司.初步安全分析報(bào)告（第12卷）[R].12.2.

1.3.1.2.

作者簡(jiǎn)介：劉春風(fēng)（1982-），男，工程師，從事核島廠房布置設(shè)計(jì)工作。