某核電站主控室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)及應(yīng)用

中廣核工程有限公司設(shè)計(jì)院 陳紅軍

0 引言

核電廠主控室是核電廠的控制中樞，機(jī)組運(yùn)行指令的發(fā)出、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控及事故的報(bào)警和處理都在其中完成。主控室內(nèi)有大量?jī)x控設(shè)備，對(duì)溫濕度要求較高；主控室也是操作人員24 h持續(xù)工作的場(chǎng)所，所以主控室內(nèi)的環(huán)境應(yīng)考慮人的因素。

從M310機(jī)型運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋知，在夏季工況下，主控室內(nèi)環(huán)境溫度長(zhǎng)期維持在19 ℃左右，相對(duì)濕度大于65%，溫度低且相對(duì)濕度高的環(huán)境條件導(dǎo)致主控室人員感覺(jué)濕冷而不舒適。夏季工況下主控室內(nèi)溫度低的主要原因包括主控室空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)境條件需求、系統(tǒng)配置及其控制、主控室內(nèi)工藝設(shè)備運(yùn)行散熱量與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況偏差過(guò)大及設(shè)備容量二次補(bǔ)償不足等。在新機(jī)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為防止主控室內(nèi)溫度條件偏離設(shè)計(jì)要求，尤其主控室內(nèi)出現(xiàn)溫度過(guò)低的情況，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和采取多種設(shè)計(jì)措施確保主控室內(nèi)環(huán)境要求。改進(jìn)后的主控室空調(diào)系統(tǒng)已應(yīng)用于工程中，其設(shè)計(jì)和控制方案成熟可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 M310機(jī)型主控室空調(diào)系統(tǒng)配置及控制原理分析

1.1 空調(diào)系統(tǒng)配置

M310機(jī)型主控室空調(diào)系統(tǒng)為定風(fēng)量一次回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)配置及控制原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)控制模式

空調(diào)系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)模式有4種，見(jiàn)表1。各控制模式工作過(guò)程如下。

1) 高溫高濕。

該工況時(shí)，盤(pán)管冷水調(diào)節(jié)閥優(yōu)先用于調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)溫度t<23 ℃時(shí)再判斷濕度：

圖1 M310機(jī)型控制室空調(diào)系統(tǒng)配置及控制原理簡(jiǎn)圖

表1 空調(diào)系統(tǒng)控制模式

若相對(duì)濕度φ>49%，冷水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)為調(diào)節(jié)濕度至設(shè)定值(目標(biāo)值45%)，過(guò)程中若溫度t<19 ℃時(shí)由電加熱器升溫(目標(biāo)值22 ℃)；

若相對(duì)濕度φ<41%，冷水調(diào)節(jié)閥仍用于調(diào)節(jié)溫度，加濕器加濕。

2) 高溫低濕。

冷水調(diào)節(jié)閥起降溫的調(diào)節(jié)作用，加濕器加濕。

3) 低溫高濕。

冷水調(diào)節(jié)閥起除濕的調(diào)節(jié)作用，加熱器升溫。

4) 低溫低濕。

冷水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，加濕器加濕，加熱器升溫。

1.3 主控室內(nèi)過(guò)冷原因分析

1.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入原因

首先，M310機(jī)型主控室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了不利于人員舒適度的環(huán)境參數(shù)，主控室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主控室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

從表2可以看出，夏季工況下，主控室內(nèi)溫度維持在19 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求，但此時(shí)人并不舒適。因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)范圍較大，未完全考慮人員需求。人員長(zhǎng)期停留區(qū)域舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3[1]。

其次，上游專(zhuān)業(yè)提供的設(shè)備散熱量與實(shí)際運(yùn)行散熱量偏差較大，導(dǎo)致主控室內(nèi)設(shè)計(jì)送風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需送風(fēng)量，從而導(dǎo)致房間溫度低。

1.3.2系統(tǒng)配置原因

表3 長(zhǎng)期停留區(qū)域舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

從系統(tǒng)配置看，溫度傳感器和相對(duì)濕度傳感器安裝在回風(fēng)總管上，其測(cè)量值為回風(fēng)空氣狀態(tài)參數(shù)，不能正確反映主控室內(nèi)的環(huán)境條件。該設(shè)置可能會(huì)出現(xiàn)如下情況：來(lái)自主控室輔助房間溫度高(如26 ℃)的空氣與來(lái)自主控室房間溫度低(如19 ℃)的空氣混合后回風(fēng)總管內(nèi)空氣溫度高于設(shè)定值，處于高溫工況，冷水調(diào)節(jié)閥會(huì)繼續(xù)開(kāi)大，導(dǎo)致送風(fēng)溫度更低，最終導(dǎo)致主控室房間溫度低。

電加熱器設(shè)置在總送風(fēng)管道上，適用于系統(tǒng)服務(wù)的各房間設(shè)計(jì)溫濕度相近、室內(nèi)散熱負(fù)荷穩(wěn)定且變化趨勢(shì)相同的情況；對(duì)于室內(nèi)散熱負(fù)荷不穩(wěn)定、變化趨勢(shì)相反的場(chǎng)所，該配置無(wú)法做到負(fù)荷精準(zhǔn)補(bǔ)償。

1.3.3系統(tǒng)控制原因

空調(diào)系統(tǒng)控制采用了溫度優(yōu)先相對(duì)濕度的控制邏輯，且二者控制相互依賴(lài)，控制邏輯過(guò)于復(fù)雜。該控制邏輯可能會(huì)導(dǎo)致冷卻盤(pán)管調(diào)節(jié)水閥門(mén)全開(kāi)、下游電加熱器全功率運(yùn)行也無(wú)法到達(dá)設(shè)計(jì)要求。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋也證明，當(dāng)主控室內(nèi)溫度很低時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度并沒(méi)有提高，反而始終是最低送風(fēng)溫度，冷水調(diào)節(jié)閥也始終處于全開(kāi)狀態(tài)。

2 改進(jìn)主控室空調(diào)系統(tǒng)配置及控制方案

針對(duì)M310機(jī)型主控室空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化后的配置及控制方案如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后主控室空調(diào)系統(tǒng)配置及控制原理簡(jiǎn)圖

2.1 空調(diào)系統(tǒng)配置優(yōu)化

1) 因主控室為空調(diào)系統(tǒng)主要服務(wù)對(duì)象，為準(zhǔn)確反映主控室內(nèi)的溫濕度，將溫度傳感器MT2和相對(duì)濕度傳感器MZ設(shè)置在主控室內(nèi)。

2) 為準(zhǔn)確了解系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，在風(fēng)機(jī)下游增設(shè)溫度傳感器MT1。

3) 為使系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，將一級(jí)電加熱器設(shè)置在新風(fēng)口，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行加熱，以維持系統(tǒng)的送風(fēng)溫度；為在主控室房間溫濕度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)直接對(duì)主控室溫濕度進(jìn)行補(bǔ)償，將二級(jí)電加熱器設(shè)置在主控室的送風(fēng)管道上。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)控制方案優(yōu)化

系統(tǒng)控制原理見(jiàn)圖2，主要控制策略簡(jiǎn)化，描述如下：

1) 定系統(tǒng)送風(fēng)溫度的閉環(huán)控制。主控室內(nèi)的電儀設(shè)備散熱量較大，其他輔助房間位于內(nèi)區(qū)且周?chē)块g溫度高，在冬、夏季工況下都需要對(duì)服務(wù)區(qū)域供冷，所以以夏季工況確定適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)送風(fēng)溫度和風(fēng)量，且冬季與夏季相同；用該設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)冬季工況下各房間的溫度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)不滿足設(shè)計(jì)溫度要求的房間進(jìn)行送風(fēng)量調(diào)節(jié)或設(shè)置房間電加熱器進(jìn)行負(fù)荷補(bǔ)償。

在冷卻模式下，送風(fēng)溫度傳感器MT1為冷水調(diào)節(jié)閥發(fā)出控制信號(hào)，將送風(fēng)溫度控制在設(shè)定范圍內(nèi)；同樣，在加熱模式下，送風(fēng)溫度傳感器MT1也為電加熱器提供控制信號(hào)，將送風(fēng)溫度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

2) 定主控室房間溫度的閉環(huán)控制。為防止主控室內(nèi)電儀設(shè)備散熱或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱變化大導(dǎo)致房間溫度過(guò)低，主控室內(nèi)單獨(dú)設(shè)置溫度傳感器MT2，以準(zhǔn)確體現(xiàn)主控室房間溫度，MT2測(cè)量主控室房間溫度并為送風(fēng)管道上的電加熱器提供控制信號(hào)，無(wú)論在冬季或者夏季工況，始終將主控室溫度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

3) 主控室內(nèi)設(shè)相對(duì)濕度儀表，僅對(duì)加濕器發(fā)出控制信號(hào)，在冬季工況下，將主控室內(nèi)相對(duì)濕度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

3 溫濕度控制措施及系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

3.1 防低溫控制措施

為保證在工藝設(shè)備散熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)工況散熱負(fù)荷出現(xiàn)偏差時(shí)，主控室房間溫度仍然可以維持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，即補(bǔ)償室內(nèi)散熱或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量的減少，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行再次校正，在主控室的送風(fēng)管道上安裝電加熱器，對(duì)主控室房間溫度進(jìn)行精確控制。為保證二級(jí)電加熱器有足夠的補(bǔ)償能力，加熱器選型考慮了如下不利工況：

1) 冬季房間設(shè)備散熱量減少。

保守設(shè)計(jì)，在冬季工況下，即便房間內(nèi)設(shè)備散熱量?jī)H為設(shè)計(jì)工況下散熱量的30%、圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于最大失熱時(shí)，電加熱器選擇功率仍然可以維持主控室內(nèi)溫度22 ℃。

根據(jù)空氣熱平衡公式[2]可計(jì)算得到二級(jí)電加熱器功率。

2) 夏季房間熱負(fù)荷減少。

為防止夏季工況下因工藝設(shè)備散熱量未達(dá)到設(shè)計(jì)工況下的散熱量而送風(fēng)量和送風(fēng)溫度不變導(dǎo)致主控室房間出現(xiàn)低溫的情況，二級(jí)電加熱器將會(huì)投入運(yùn)行，以維持主控室環(huán)境條件。保守設(shè)計(jì)，即便主控室內(nèi)設(shè)備散熱量為設(shè)計(jì)工況下散熱量的30%、通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱為0，二級(jí)電加熱器仍然能維持主控室溫度在22 ℃。

綜上且考慮一定不確定度和余量，確定主控室二級(jí)電加熱器功率。

3.2 主控室相對(duì)濕度控制

通過(guò)校核計(jì)算主控室內(nèi)含濕量，在冷卻模式下，只要保證主控室內(nèi)房間最低溫度在22 ℃，相對(duì)濕度將不會(huì)超過(guò)60%。如上分析，主控室內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)低溫高濕的情況。

3.3 系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

主控室空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段就考慮了在不同工況下的適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力：在室外環(huán)境條件變化(通過(guò)新風(fēng)溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量體現(xiàn))和室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行散熱變化(室內(nèi)散熱變化范圍為30%～100%)時(shí)，仍然可以確保主控室溫濕度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

4 結(jié)論及建議

1) 通過(guò)對(duì)主控室空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行配置優(yōu)化、設(shè)備選型、溫濕度控制等進(jìn)行多方面設(shè)計(jì)，具備有效防止主控室低溫高濕的條件。

2) 改進(jìn)后的主控室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取了多種手段防止主控室低溫，即使在后期的運(yùn)行階段也可以對(duì)主控室的環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，可滿足工藝設(shè)備及人員舒適性對(duì)環(huán)境的要求。

3) 改進(jìn)后的主控室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置及措施能在系統(tǒng)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況存在較大偏差時(shí)滿足主控室環(huán)境設(shè)計(jì)要求，且具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，尤其對(duì)主控室內(nèi)溫濕度進(jìn)行二次調(diào)節(jié)能有效防止主控室夏季溫度過(guò)低的情況。

4) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，建議精細(xì)化設(shè)計(jì)輸入以便達(dá)到精細(xì)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制?？紤]設(shè)備環(huán)境需求時(shí)，也應(yīng)考慮人的需求，如對(duì)主控室環(huán)境條件分冬季、夏季工況且考慮人員舒適度提出，具體要求參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

5) 改進(jìn)后的主控室空調(diào)系統(tǒng)配置和控制方案成熟，可供相關(guān)項(xiàng)目參考。