某核電站電氣間的通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模擬分析

陳浩南 李百利

中國(guó)核電工程有限公司

0 引言

在核電站中，有許多的特殊房間，核電站的電氣間可以將電能傳送到保障核電站安全的設(shè)備或系統(tǒng)中，但其運(yùn)行往往伴隨著大量的余熱產(chǎn)生，因此保障電氣間處于一個(gè)可靠的工作環(huán)境十分重要。

本文將介紹核電站電氣間的設(shè)計(jì)原則，并對(duì)全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）、室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻、室外新風(fēng)加室內(nèi)風(fēng)循環(huán)冷卻三種方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)三種方案的降溫效果，為核電站電氣間的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 核電站廠(chǎng)房電氣設(shè)備間的設(shè)計(jì)原則

1.1 換氣次數(shù)要求

根據(jù)房間輻射分區(qū)[1]的不同，不同的核電站廠(chǎng)房房間需采用不同的換氣次數(shù)（表1）：

表1 不同輻射分區(qū)的基本要求

1.2 溫度設(shè)置

不同的工藝房間對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求也不相同，核電站廠(chǎng)房一些典型工藝房間的溫度要求如下[2]：核取樣間22～24 ℃；實(shí)驗(yàn)室18～25 ℃；硼酸罐和硼酸泵間22～35 ℃；濃縮液槽間25～40 ℃；電氣間5～35 ℃。

1.3 負(fù)壓控制

為了減少各工況下放射性氣溶膠由廠(chǎng)房向外泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，需保證廠(chǎng)房對(duì)外界維持一定的負(fù)壓。核電站廠(chǎng)房通風(fēng)系統(tǒng)主要以排風(fēng)量略大于送風(fēng)量的方法來(lái)維持廠(chǎng)房負(fù)壓，根據(jù)廠(chǎng)房?jī)?nèi)各工藝房間的潛在放射性水平，保證其排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值維持在1.05～1.1 之間，且潛在放射性水平越高的房間該比例也越高。

2 建立計(jì)算模型

2.1 物理模型的建立

本文主要研究對(duì)象為某核電站的電氣間，該電氣間的結(jié)構(gòu)為：長(zhǎng)12 m，寬8.6 m，高4.0 m。電氣間布置了兩個(gè)電氣設(shè)備，大小分別為7 m×0.65 m×2.2 m 和2.2 m×1.45 m×2.2 m，在房間北側(cè)據(jù)地板H=3.2 m 處，布置了電纜托盤(pán)，電纜托盤(pán)的寬度是0.6 m。該電氣間所處輻射分區(qū)為綠區(qū)。廠(chǎng)房物理模型如圖1 所示。

圖1 電氣間物理模型

在不影響模擬結(jié)果的情況下，建模之前需要對(duì)電氣間的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。本研究在建模前做出以下假設(shè)[3]：

1）電氣間的電氣設(shè)備和電纜為主要散熱設(shè)備，電氣設(shè)備和電纜的散熱量見(jiàn)表2。

表2 電氣間主要散熱量信息

2）電氣間的電纜簡(jiǎn)化成2 個(gè)長(zhǎng)方體，電氣間的設(shè)備除地面外五個(gè)面均勻散熱，電纜六個(gè)面均勻散熱。

3）室內(nèi)空氣為低速不可壓縮氣體，且符合Boussinesq 假設(shè)。

4）電氣間散濕量極小，可忽略。

5）忽略了能量方程中，由于黏性作用引起的能量耗散。

2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)定

考慮到計(jì)算精度及使用范圍，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。并運(yùn)用有限容積法和壓強(qiáng)速度耦合算法中SIMPLEC 算法對(duì)控制方程進(jìn)行離散和求解。

各邊界條件設(shè)置情況：將散熱設(shè)備表面設(shè)定為熱流密度邊界條件，將其余的壁面及地面設(shè)定為絕熱壁面。送/排風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界條件。同時(shí)為了保證風(fēng)平衡，設(shè)置一小的縫隙作為自然進(jìn)出口。

2.3 計(jì)算網(wǎng)格劃分

本次模擬采用非均勻網(wǎng)格劃分方法，計(jì)算域中有些區(qū)域物理量變化較大，如送風(fēng)口、邊壁等，在這些區(qū)域網(wǎng)格畫(huà)的密一些，其他區(qū)域，節(jié)點(diǎn)間距大一些，采用這種非均勻網(wǎng)格劃分方法，可以節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間，并集中計(jì)算能力對(duì)需著重研究的位置進(jìn)行計(jì)算。

針對(duì)本模型，各方向上需要保證各邊界處與網(wǎng)格線(xiàn)重合，例如設(shè)備邊界、風(fēng)口邊界等。在靠近邊壁和風(fēng)口處加密，每個(gè)風(fēng)口劃分相同網(wǎng)格數(shù)。網(wǎng)格單元最大x，y，z 尺寸最大分別為0.1 m，0.1 m，0.1 m。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）通風(fēng)方式

采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)機(jī)械排風(fēng)的全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）通風(fēng)方式即方案一，通風(fēng)量計(jì)算公式為[4]：

式中：L為消除余熱所需通風(fēng)量，m3/h；Q為余熱量，kW；c為空氣的比熱容，其值為1.01 kJ/(kg·℃)；ρ為進(jìn)入的空氣密度，kg/m3；Δt為送排風(fēng)溫差，℃，1.1 是送風(fēng)取10%余量。

電氣間設(shè)計(jì)溫度要求不超過(guò)35 ℃，工況一送排風(fēng)溫差取5 ℃。工況一送風(fēng)口設(shè)置于西側(cè)內(nèi)墻，共6 個(gè)，每個(gè)風(fēng)口尺寸為400 mm×400 mm，風(fēng)口中心距地面1.0 m，每個(gè)風(fēng)口距離0.8 m，排風(fēng)口設(shè)置于上部?jī)?nèi)墻，共6 個(gè)，每個(gè)風(fēng)口尺寸為400 mm×400 mm，風(fēng)口中心距地面4.0 m，每個(gè)風(fēng)口距離1.2 m。

3.2 室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方式

采用室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻的通風(fēng)方式即方案二，室外新風(fēng)先經(jīng)過(guò)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行冷卻降溫處理，新風(fēng)被處理至20 ℃，相對(duì)濕度95%時(shí)的機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)，然后由風(fēng)機(jī)送入電氣間內(nèi)。通風(fēng)量按式（1）計(jì)算，送排風(fēng)溫差取15 ℃，送排風(fēng)口大小及布置方式同方案一。

3.3 室外新風(fēng)加室內(nèi)風(fēng)循環(huán)冷卻

采用室外新風(fēng)加室內(nèi)風(fēng)循環(huán)冷卻的通風(fēng)方式即方案三。室內(nèi)空氣進(jìn)行等濕冷卻處理，相對(duì)濕度降至95%后送入室內(nèi)。由于輻射防護(hù)的要求，該房間必須進(jìn)行新風(fēng)通風(fēng)換氣，且換氣次數(shù)不小于1 次。因此室外新風(fēng)量按1 次換氣次數(shù)經(jīng)凈化過(guò)濾后直接送入室內(nèi)。由于室外新風(fēng)溫度較高，且風(fēng)量較小，因此室內(nèi)循環(huán)冷卻風(fēng)量仍按式（1）計(jì)算。送排風(fēng)溫差取10 ℃，送排風(fēng)口大小及布置方式同方案一。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 三種方案水平截面溫度對(duì)比

三種方案Z=1.5 m 處的截面溫度場(chǎng)見(jiàn)圖2。圖2（a）截面的平均溫度為32.2 ℃，滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求。但電纜與電氣設(shè)備之間的區(qū)域溫度超過(guò)35 ℃，所以方案一的工作區(qū)熱環(huán)境不利于人員操作。圖2（b）截面的最高溫度為35.7 ℃，該截面的平均溫度為26.6 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度35 ℃。整個(gè)截面溫度分布較均勻，在兩發(fā)熱體之間的區(qū)域平均溫度僅有28 ℃，比起方案一截面溫度下降明顯，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖2（c）截面的最高溫度為35.7 ℃。該截面的平均溫度為28.3 ℃，低于設(shè)計(jì)溫度35 ℃。整個(gè)截面溫度分布較均勻，在兩發(fā)熱體之間的區(qū)域平均溫度約30 ℃，比起方案一截面溫度下降較多，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖2 三種方案Z=1.5 截面溫度場(chǎng)

三種方案水平截面平均溫度隨高度變化見(jiàn)圖3。其中人員工作區(qū)主要位于高度2 m 以下位置，電氣間內(nèi)設(shè)備及電纜所在區(qū)域主要位于高度3.5 m 以下位置。如圖可知，方案一高度3.5 m 以下的各水平截面的平均溫度均低于33.1 ℃，滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行所需環(huán)境平均溫度，人員工作區(qū)各截面的平均溫度在32.5 ℃以下。方案二高度3.5 m 以下各水平截面平均溫度低于31.8 ℃，與方案一對(duì)應(yīng)截面平均溫度相比，降幅在1.3～7.4 ℃，且人員工作區(qū)各截面平均溫度在29.1 ℃左右，滿(mǎn)足人員工作區(qū)平均溫度要求。方案三高度3.5 m以下各水平截面平均溫度低于32.3 ℃，與方案一對(duì)應(yīng)截面平均溫度相比，降幅在0.8～4.2 ℃。且人員工作區(qū)各截面平均溫度在29.3 ℃左右，滿(mǎn)足人員工作區(qū)平均溫度要求。由此可見(jiàn)，方案二降溫效果更加明顯，但方案一人員工作區(qū)溫度分布更加均勻，方案二溫度分布差異最大，方案三次之。

圖3 三種方案水平截面隨高度變化的平均溫度

4.2 三種方案豎直截面對(duì)比

三種方案Y=6.0 m 的溫度分布如圖4 所示。從（a）～（c）可以看出，沿送風(fēng)方向，隨著距離的不斷增加，送風(fēng)氣流邊界與周邊的空氣不斷在動(dòng)量及質(zhì)量上進(jìn)行交換，射流流量不斷增大，射流溫度不斷增加。同時(shí)受電氣設(shè)備表面的阻擋，致使電氣設(shè)備的頂部及后側(cè)部分區(qū)域只有較少溫度相對(duì)較低的氣流經(jīng)過(guò)，導(dǎo)致電氣設(shè)備頂部及后側(cè)溫度較高。方案一電氣設(shè)備上部及尾部區(qū)域表面溫度超過(guò)35 ℃，不滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度。方案二和方案三電氣設(shè)備尾部區(qū)域表面溫度低于35 ℃，上部存在極小部分區(qū)域超過(guò)35 ℃。

圖4 三種方案Y=6.0 m 溫度場(chǎng)

4.3 通風(fēng)量、工作區(qū)平均溫度與冷量對(duì)比分析

圖5 為三個(gè)方案的風(fēng)量、工作區(qū)平均溫度、冷量情況對(duì)比。方案一的房間送風(fēng)量是12000 m3/h，由于未對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行空氣處理，因此機(jī)組冷負(fù)荷為0 kW，房間平均溫度33.2 ℃。方案二的房間送風(fēng)量是3920 m3/h，機(jī)組所需冷負(fù)荷為37.9kW，房間平均溫度29.1 ℃，與方案一相比，風(fēng)量減少67%，機(jī)組冷量增加37.9 kW。方案三的房間送風(fēng)量是5920 m3/h，機(jī)組所需冷負(fù)荷為19.8 kW，房間平均溫度30.7 ℃，與方案一相比，風(fēng)量減少51%，機(jī)組冷量增加19.8 kW，與方案二相比，風(fēng)量增加51%，機(jī)組冷量減少18.1 kW。

圖5 三種方案送風(fēng)量/機(jī)組冷量/房間平均溫度對(duì)比圖

采用全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）的通風(fēng)方式通風(fēng)量大，降溫效果有限，夏季炎熱工況時(shí)，電氣設(shè)備上部及尾部溫度過(guò)高，不能完全滿(mǎn)足電氣間溫度要求。采用室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻通風(fēng)的方式可有效降低人員工作區(qū)平均溫度，能夠滿(mǎn)足房間的要求，取得良好的通風(fēng)降溫效果，同時(shí)可減少送排風(fēng)量，但空調(diào)機(jī)組所需冷負(fù)荷較大，這主要是因?yàn)樾嘛L(fēng)空調(diào)機(jī)組處理了大量的室外新風(fēng)濕負(fù)荷，而電氣間濕負(fù)荷極小，因此冷負(fù)荷有較大的浪費(fèi)。采用室外新風(fēng)加室內(nèi)風(fēng)循環(huán)冷卻的通風(fēng)方式，新風(fēng)對(duì)電氣間進(jìn)行通風(fēng)換氣，滿(mǎn)足輻射防護(hù)要求，循環(huán)冷卻機(jī)組對(duì)室內(nèi)風(fēng)進(jìn)行循環(huán)冷卻，帶走室內(nèi)余熱。由于使用等濕冷卻，只處理了電氣間的顯熱，因此循環(huán)冷卻機(jī)組冷量需求小，雖然風(fēng)量較方案二有增加，但對(duì)比方案一，房間送風(fēng)量減少51%，相比方案二，冷量需求減少了37.7%。

5 結(jié)論

本文以核電站的電氣間通風(fēng)設(shè)計(jì)為例，介紹了核電站電氣間的設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合了項(xiàng)目地點(diǎn)的氣象參數(shù)條件，設(shè)計(jì)了全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）、室外新風(fēng)冷卻、室外新風(fēng)加室內(nèi)風(fēng)循環(huán)冷卻三種技術(shù)方案，并用CFD 模擬研究了三種通風(fēng)方式對(duì)電氣間溫度的影響，結(jié)果表明：

1）采用全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）方案，新風(fēng)需求量巨大，造成送風(fēng)機(jī)的能耗增大，且降溫效果有限。雖然房間平均溫度為33.2 ℃，但在電氣設(shè)備和電纜之間的工作區(qū)域，電氣設(shè)備上部和尾部溫度超過(guò)35 ℃，不滿(mǎn)足人員和設(shè)備需求。從Z=0.5 m 至Z=4.0 m，截面平均溫度僅增加1.6 ℃，房間整體溫度分布均勻。

2）與全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）方案相比，采用室外新風(fēng)冷卻的方案，空調(diào)冷負(fù)荷增加37.9 kW，風(fēng)量減少67%，房間平均溫度減小4.1 ℃。與方案一相比，方案二降溫效果顯著。但由于新風(fēng)空調(diào)機(jī)組處理了大量的室外新風(fēng)濕負(fù)荷，而電氣間濕負(fù)荷極小，因此冷負(fù)荷有較大的浪費(fèi)。從Z=0.5 m 至Z=4.0 m，截面平均溫度僅增加7.8 ℃，房間溫度分層現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

3）與全新風(fēng)（新風(fēng)未冷卻處理）方案相比，采用室外新風(fēng)加室內(nèi)風(fēng)循環(huán)冷卻的通風(fēng)方式，空調(diào)冷負(fù)荷增加19.8 kW，風(fēng)量減少51%，房間平均溫度減小3.5 ℃。而且由于循環(huán)冷卻機(jī)組只處理了電氣間的顯熱，因此循環(huán)冷卻機(jī)組冷量需求較方案二減少37.7%。從Z=0.5 m 至Z=4.0 m，截面平均溫度僅增加5.3 ℃，房間溫度分布較均勻。因此在進(jìn)行核電站的電氣間通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿(mǎn)足輻射防護(hù)的要求下，盡量直接對(duì)電氣間進(jìn)行循環(huán)冷卻降溫，這樣不僅可以減少送風(fēng)量，也可減小機(jī)組冷負(fù)荷。