核電廠優(yōu)化硼方案下通風(fēng)供暖系統(tǒng)影響

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摘要：華龍技術(shù)核電廠是目前我國在建和計劃建造的主要類型核電廠。國內(nèi)各廠址的技術(shù)方案在硼富集度選擇上存在差異，選用天然硼或富集硼各有優(yōu)勢。為防止結(jié)晶，濃度不同的硼酸對所處環(huán)境的要求不同，因此配套的供暖通風(fēng)系統(tǒng)配置和容量也有一定區(qū)別。探討了“華龍一號優(yōu)化方案”中選擇天然硼和選擇富集硼下暖通系統(tǒng)設(shè)計理念，給出了電加熱器的設(shè)置原則，為硼方案的論證選擇提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：天然硼；富集硼；溫度；結(jié)晶；供暖；通風(fēng)；電加熱器；電伴熱

0引言

華龍技術(shù)核電廠是目前我國在建和計劃建造的主要類型核電廠，“華龍”堆型需要不斷的研究改進。國內(nèi)現(xiàn)有各廠址的技術(shù)方案在硼的富集度選擇上存在差異，選擇天然硼和10B富集度為35％的富集硼方案各有優(yōu)勢。選擇富集硼對一回路水化學(xué)條件有利，具有更高的可靠性，但價格昂貴；選擇天然硼具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢，但是為了達到反應(yīng)性控制的目標，需要提高相關(guān)系統(tǒng)中硼酸溶液濃度，因為pH值和溫度是影響結(jié)構(gòu)材料腐蝕的主要因素，濃硼酸的引入會降低冷卻劑pH值，產(chǎn)生不利影響。同時，硼濃度提高后為了防止結(jié)晶對配套的供暖通風(fēng)系統(tǒng)提出更高的要求。在論證選擇合適方案時，硼酸對所處環(huán)境的要求和影響也是需要考慮的重要因素。本文探討了不同硼酸濃度選擇方案下的通風(fēng)供暖系統(tǒng)設(shè)計和差異，進行計算分析和總結(jié)，為后續(xù)適應(yīng)性論證、優(yōu)化方案中硼方案的選擇提供依據(jù)和支持。

1應(yīng)急硼注入系統(tǒng)要求

受硼選擇影響最大的系統(tǒng)是應(yīng)急硼注入系統(tǒng)?！叭A龍一號優(yōu)化方案”（基于現(xiàn)有華龍核電技術(shù)進行優(yōu)化改進后的方案，以下簡稱“優(yōu)化方案”）中，應(yīng)急硼注入系統(tǒng)是一個專設(shè)安全系統(tǒng)，在事故情況下對堆芯進行硼化，用于補償由于堆芯冷卻或氙毒減少引起的正反應(yīng)性。優(yōu)化后應(yīng)急硼注入系統(tǒng)安全分級為核安全2級。在DBC（超設(shè)計基準工況）2～4類事故工況［1］下，需要以足夠的速率向一回路注入足夠的10B，使堆芯維持在安全停堆狀態(tài)所需的停堆深度，及時補償堆芯冷卻引起的正反應(yīng)性，避免堆芯重返臨界。選擇無論天然硼還是富集硼都需要滿足應(yīng)急硼注入系統(tǒng)的以上要求，目前“華龍”堆型有2種常見的方案：1）方案1，選用體積分數(shù)為7000×10－6～8000×10－6的天然硼，系統(tǒng)設(shè)計基準為ATWS（由控制棒故障引起的未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)）工況下維持堆芯次臨界，因未強制要求應(yīng)急硼注入系統(tǒng)在DBC2－4類工況下維持反應(yīng)堆在安全停堆狀態(tài)，對于系統(tǒng)的容量要求更低，系統(tǒng)安全分級為安全3級。2）方案2，選用體積分數(shù)7000×10－6～7700×10－6的10B富集度為35％的富集硼，系統(tǒng)設(shè)計基準為在DBC2～4類事故工況下，向一回路注入足夠的10B，將堆芯帶入（帶入安全停堆狀態(tài)）并維持在安全停堆狀態(tài)，系統(tǒng)功能分級為安全2類。目前國內(nèi)三代核電普遍應(yīng)用基于SSG－30的安全分級體系，該分級體系引入了安全狀態(tài)的概念，要求DBC－2、3、4類工況下將反應(yīng)堆帶到和維持安全停堆狀態(tài)所需要的功能，其失效會導(dǎo)致“高”后果的，分級應(yīng)為安全2類。根據(jù)該要求，方案1應(yīng)急硼注入系統(tǒng)應(yīng)改進升級為安全2類。根據(jù)分其他暖通空調(diào)HV＆AC2022年第52卷增刊1·973·級原則，用于安全系統(tǒng)的支持系統(tǒng)安全分級應(yīng)盡量不低于其所服務(wù)的系統(tǒng)。目前項目1、2分別采用方案1、2，均采用了傳統(tǒng)的保守分析方法，導(dǎo)致所得到的應(yīng)急硼注入系統(tǒng)硼酸容量和硼酸濃度都較為保守。華龍優(yōu)化方案經(jīng)過優(yōu)化分析計算，體積分數(shù)8000×10－6的天然硼或體積分數(shù)5000×10－6的10B富集度為35％的富集硼可以滿足要求。優(yōu)化方案如果選擇天然硼，對項目1、2支持系統(tǒng)的溫度控制措施提出了更高的要求；如果選擇富集硼，硼酸濃度大大減低，對其他支持系統(tǒng)（包括通風(fēng)系統(tǒng)、化水系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)）的要求有所降低，具有更高的可靠性，但價格昂貴。選擇天然硼或富集硼優(yōu)化方案下，應(yīng)急硼注入系統(tǒng)的容量見表1。天然硼方案設(shè)備容量略大于富集硼方案，硼酸濃度高于富集硼方案，防硼結(jié)晶所需溫度也相應(yīng)提高，由通風(fēng)及供暖系統(tǒng)保證硼酸房間溫度。由表1可知，為防止硼結(jié)晶，2種方案需要維持的環(huán)境溫度最低分別為25℃和10℃。濕度和最高溫度無要求。

2核燃料廠房暖通系統(tǒng)

參考項目1、2，結(jié)合華龍整體優(yōu)化方案的布置，應(yīng)急硼注入系統(tǒng)所在的廠房全部為輻射防護控制區(qū)。該區(qū)域設(shè)置燃料廠房通風(fēng)及供暖系統(tǒng)［3］，保證設(shè)備正常運行和人員正常工作；確保在正常運行條件下將污染物限制在污染源處，以避免污染物從潛在高污染區(qū)域蔓延到潛在低污染區(qū)域；保持燃料廠房內(nèi)相對于室外負壓；防止燃料操作大廳的墻壁產(chǎn)生凝結(jié)水；當(dāng)發(fā)生安全殼隔離（除了全廠斷電情況）事故時，自動隔離燃料廠房正常送排風(fēng)系統(tǒng)，由安全殼通風(fēng)換氣系統(tǒng)小流量排風(fēng)過濾系統(tǒng)實現(xiàn)燃料廠房動態(tài)包容；當(dāng)燃料水池大廳發(fā)生燃料操作事故時，自動隔離燃料操作大廳送排風(fēng)系統(tǒng)，由安全廠房控制區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的碘排風(fēng)過濾系統(tǒng)實現(xiàn)燃料操作大廳動態(tài)包容。該系統(tǒng)是長期運行系統(tǒng)，包含與電廠其他區(qū)域連通的通風(fēng)管網(wǎng)，流程簡圖見圖1。硼酸房間設(shè)置就地加熱設(shè)備流程見圖2。通風(fēng)管網(wǎng)除隔離閥外均為非安全級，失去廠外電源時通風(fēng)功能喪失。因為核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機停運，燃料廠房通風(fēng)無法保證。硼酸房間的安全級供暖設(shè)備、其他房間內(nèi)的安全級就地冷卻機組接應(yīng)急柴油機。優(yōu)化方案中硼酸濃度的不同并不影響該系統(tǒng)的功能。因為核電廠布置緊湊，設(shè)備密集，不同的暖通方案必須同時具備適應(yīng)性和可實施性，因此優(yōu)化方案內(nèi)的不同選擇原則上均應(yīng)該不影響該系統(tǒng)的設(shè)備流程設(shè)置，只改變部分設(shè)備的容量和參數(shù)。從表1可以看出，不同選擇下硼酸注入箱最小有效容積差別很小，相應(yīng)房間的換氣次數(shù)為1h－1，對通風(fēng)量的影響可忽略。對通風(fēng)供暖系統(tǒng)產(chǎn)生主要影響的僅為防結(jié)晶溫度。

3硼酸房間環(huán)境條件

對于不同的室外氣象條件［4－5］，室內(nèi)設(shè)計溫度也不盡相同。以華龍整體優(yōu)化方案的廠址包絡(luò)性參數(shù)為例進行分析。室外環(huán)境條件如下：夏季安全設(shè)計（最高不保證2h）干球溫度44℃；夏季安全設(shè)計（最高不保證2h干球溫度同時觀測到的）濕球溫度31℃；冬季安全設(shè)計（最低不保證2h）干球溫度－26℃；冬季安全設(shè)計（最低不保證2h干球溫度同時觀測到的）濕球溫度－27℃。綜合廠址情況和參考電站的經(jīng)驗反饋，該區(qū)域廠房各房間溫濕度基本要求見表2。硼酸房間有兩類：偶爾進入且短期停留區(qū)域和極少進入?yún)^(qū)域，核電廠正常運行時和事故時，硼酸房間溫度要求見表3、4。由以上可知，硼方案不同，僅需要在冬季和過渡季保證房間溫度，夏季工況是相同的。

4供暖設(shè)備選擇

保證硼酸溫度最直接的方法是可以對硼酸設(shè)備進行保溫＋電伴熱，設(shè)備電伴熱器運行經(jīng)濟性好，電負荷低，對配電負荷有利，但目前沒有安全級的設(shè)備電伴熱，因此只在非安全級的硼酸設(shè)備和管道上有應(yīng)用。房間內(nèi)加熱設(shè)備用以保證硼酸設(shè)備的環(huán)境（即周圍的空氣溫度），目前在核電項目中常用的有電暖風(fēng)機、熱水加熱盤管、管道（風(fēng)道）電加熱器和獨立式房間電加熱器。其中電暖風(fēng)機升溫快，布置靈活，但因其易形成不均勻的房間溫度場，適用于小房間或者大空間的局部場所；熱水盤管供暖溫度均勻，舒適效果好，但首先需要有安全級的熱水供應(yīng)，不易實現(xiàn)；電加熱器效果居中，布置靈活，安全級電加熱器也可以用于安全級房間，是目前最優(yōu)的選擇。因此擬在房間送風(fēng)管道上加裝電加熱器，保證通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度。由于房間送風(fēng)量是根據(jù)房間換氣次數(shù)計算而得，未考慮房間冷負荷，且事故時通風(fēng)系統(tǒng)不運行。因此須同時設(shè)置獨立式房間電加熱器在來保證房間的環(huán)境條件，并應(yīng)對電廠事故工況。電加熱器在冬季與過渡季運行，夏季不運行。送風(fēng)管道的電加熱器和房間的獨立式電加熱器觸發(fā)溫度均為房間設(shè)計溫度，并設(shè)過熱保護。燃料廠房區(qū)域的通風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)（引自其他廠房）為非安全級，失去廠外電源時系統(tǒng)通風(fēng)功能喪失。因此送風(fēng)管道的電加熱器可為非安全級設(shè)備，不加應(yīng)急電源，不設(shè)冗余。獨立式電加熱器為應(yīng)對廠區(qū)事故工況，均設(shè)計為安全設(shè)備（接應(yīng)急柴油機，失去廠外電源時可以運行），配電分別由2列電源供電，配電列和所服務(wù)硼酸系統(tǒng)保持一致。前期部分電廠每個電加熱器房間都設(shè)一備用電加熱器，即容量為2×100％。華龍方案認為因硼酸系統(tǒng)已分為互為冗余的2列（各為100％），并分別布置在不同房間，因此每個房間內(nèi)電加熱器可不設(shè)冗余。

5電加熱設(shè)備容量

5．1風(fēng)道電加熱器

風(fēng)管均采用鍍鋅鋼板。風(fēng)道式電加熱器安裝在房間的送風(fēng)末端?？紤]房間內(nèi)2℃的溫降，保證送風(fēng)溫度27℃（8000×10－6～8800×10－6天然硼）和12℃（5000×10－6～5500×10－6富集硼），當(dāng)送風(fēng)溫度低于該溫度時自動啟動存放應(yīng)急硼注入系統(tǒng)“硼酸”物質(zhì)的區(qū)域分布在廠房靠外墻部分，包含硼酸注入箱間、注入泵間和管路經(jīng)過的區(qū)域。管道式電加熱器的功率根據(jù)下式計算［2］：式中P為電加熱器容量，kW；V為換氣次數(shù)，h－1；ρ為空氣密度，kg／m3；cp為空氣比定壓熱容，kJ／（kg·K）；t1、t2分別為電加熱器下游和上游空氣溫度，℃。電加熱器上游空氣溫度，即其他廠房通風(fēng)系統(tǒng)引入燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)的空氣溫度為18℃。由式（1）和第1章介紹可知，管道式電加熱器容量受送風(fēng)量和送風(fēng)溫度影響，在不同硼方案下，硼酸房間由核輔助廠房接入的送風(fēng)量無差別，上游溫度也是相同的。當(dāng)采用5000×10－6～5500×10－6的天然硼方案時，需要的電加熱器下游空氣溫度取27℃（房間內(nèi)預(yù)留2℃的溫降），管道電加熱器在末端加熱送風(fēng)至27℃；當(dāng)采用7000×10－6～7700×10－6的富集硼時，通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度（18℃）滿足富集硼的溫度要求，不需要設(shè)置管道電加熱器。以硼酸泵間為例，體積為220m3、換氣次數(shù)1h－1，空氣密度1．293kg／m3，空氣比定壓熱容取1．01kJ／（kg·K），計算得該房間管道式電加熱量為0．72kW。其他房間計算方法相同。共計15臺，總?cè)萘?0．8kW。

5．2房間電加熱器

由于華龍整體優(yōu)化方案的深度不足以支持正向計算房間所需負荷，因此房間的獨立電加熱器容量可按照下式進行估算。式中Qy為房間電加熱器計算加熱量；Qx為參考項目房間電加熱器計算加熱量；tiy、toy分別為室內(nèi)外溫度；tix、tox分別為參考項目室內(nèi)外溫度。參考項目2位于我國夏熱冬暖地區(qū)，硼酸房間安全級物項室外設(shè)計溫度為4．6℃，與室內(nèi)設(shè)計溫度（20℃）的溫差為15．4℃，如采用我國嚴寒地區(qū)的包絡(luò)性安全級室外設(shè)計溫度－26℃，那么與優(yōu)化方案室內(nèi)設(shè)計溫度（25℃和10℃）的溫差分別為51℃和36℃。在包絡(luò)性參數(shù)下房間電加熱器計算結(jié)果見表5。本文對比計算了假設(shè)優(yōu)化方案實施在參考項目1廠址（室外計算溫度3．8℃）和參考項目2廠址（室外計算溫度4．6℃）條件下的房間電加熱器計算加熱量，計算結(jié)果見表5。

6其他

對于其他區(qū)域內(nèi)的硼酸房間，由于硼的濃度較低，或為非安全級使用電伴熱，不受優(yōu)化方案影響，因此不作討論。反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)硼酸貯存箱的容積在2種硼方案下差異較大，采用天然硼每個硼酸貯存箱的有效容積約為140m3，采用富集硼每個硼酸貯存箱的有效容積約為70m3。采用天然硼貯存箱的容積大了一倍，但在該房間的通風(fēng)量計算中，計算換氣次數(shù)的有效體積減小了70m3，現(xiàn)有方案的風(fēng)量和設(shè)備可滿足要求，這里也不做討論。

7結(jié)論

1）優(yōu)化硼方案通風(fēng)供暖系統(tǒng)流程不做大的改動，改變設(shè)備容量和增加通風(fēng)管道末端電加熱器即可解決。該部分造價依據(jù)廠址室外氣象條件會有不同程度的增加或減少。2）對于本文案例，采用天然硼方案需要新增約15臺管道電加熱器，共計約10kW的常規(guī)負荷，該部分負荷不受室外氣象參數(shù)影響，不需要接應(yīng)急電源，此變化可接受，成本可控，布置方面也具有可實施性3）參考項目2已實施，廠址位于夏熱冬暖地區(qū)，優(yōu)化方案如實施在此地區(qū)，在選擇天然硼時，獨立式房間電加熱器設(shè)備容量約增加32％，選擇富集硼則約減少49％。2種選擇在布置方面都可以實施，房間獨立式電加熱器為安全級設(shè)備，需要接應(yīng)急電源。選擇天然硼新增柴油機負荷也可接受。參考項目1位于夏熱冬冷地區(qū)，優(yōu)化方案如選擇天然硼，獨立式房間電加熱器設(shè)備容量約增加38％，選擇富集硼則約減少60％。2種選擇布置和新增柴油機負荷也均可實施。從暖通系統(tǒng)角度來看，選擇富集硼更優(yōu)，選擇天然硼亦可實施。4）優(yōu)化方案若在嚴寒地區(qū)實施，選擇天然硼時，獨立式房間電加熱器設(shè)備容量增加7．52倍，選擇富集硼時則增加3．67倍。2種選擇在布置方面都有一定難度，新增的應(yīng)急柴油機負荷也有一定的接受難度和風(fēng)險性。從暖通專業(yè)角度來看，選擇富集硼方案優(yōu)于天然硼方案。選擇天然硼實施困難較大。5）我國其他氣候區(qū)的廠址可參考本文方法進行計算分析，確定適用程度和可實施性。

作者:楊莉 單位:華龍國際核電技術(shù)有限公司