一種核電廠重要廠用水泵房環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無論在正常運行工況或事故工況下，都將設備冷卻水系統所傳輸的熱量導出傳到海水中，該系統被稱為核島的最終熱阱。重要廠用水泵(SEC 泵)安裝在聯合泵站的地下泵房內部，泵房內部深度在20 m 左右。泵房通風采用送風機機械送風，在吸收房間熱量后，依靠熱壓自然排風方式，用于保證設備運行和維修所需的適宜條件。泵房通風系統是一個與核安全密切相關的系統。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，而泵房內設備電機發熱量大，高溫天氣下，依靠自然風難以控制泵房內部環境溫度，導致泵房溫度超標，超過運行限值。而潮濕季節，大量濕空氣進入泵房，導致地下泵房內部墻壁及設備表面出現大量凝露現象，威脅設備運行安全。2019 年某核電廠發生了1 號機組B 列6.6 kV 應急母線失電，機組進入狀態導向事故規程的事件。經調查，環境濕度高是SEC 泵電機絕緣子爬電的誘因之一。

下面在研究泵房通風系統的基礎上，在不改變核安全相關系統基本功能的前提下，提出在進風風室增加一種有兩路新風的新型制冷機組，一路經冷卻器降溫除濕，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，達到理想的溫度、濕度參數狀態下后送入泵房內部，以解決泵房內部環境溫濕度超標問題。

1 事件及原因分析

1.1 泵房環境溫度超標

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

表1 為某電廠SEC 泵房內部主要設備的布置和發熱量情況。

表1 SEC 泵房設備布置及發熱量數據

某核電廠1995—2021 年氣溫極值統計見圖1。歷史極端最高氣溫40.3 ℃。該核電廠夏季室外設計干球溫度35.3 ℃，泵房內部溫度超過40 ℃時觸發溫度高報警，根據運行規程，認為相應的SEC泵不可用。根據熱力學第一定律，理想狀態下，氣體換熱效果如下：

圖1 某核電廠氣溫極值統計數據

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

以DWS001ZV 風機所在泵房為例，計算可得，當環境氣溫超36.4 ℃時，泵房內部溫度將超過40 ℃。由于實際換熱效果與理想狀態存在一定差距，且泵房內電燈、電纜等設備發熱，巡檢人員帶入熱量等，當實際環境溫度達到35 ℃時，容易出現高溫報警。根據運行技術規范，當泵房溫度超過40℃時，則認為相應的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。據統計，目前群廠已經發生了近10 次高溫報警的案例。

1.2 泵房凝露及危害

2019 年某核電廠發生了1 號機組B 列6.6 kV應急母線失電，機組進入狀態導向事故規程的事件?，F場檢查發現母線側觸頭處有放電痕跡，根本原因為絕緣子本身故障導致放電擊穿。絕緣子凝露導致絕緣性能下降是事件發生的誘因之一。

事件發生后，對絕緣子進行凝露試驗。試驗結果表明，在環境濕度過高時，在運行和停運狀態絕緣子表面均會出現凝露(見表2，3)。

表2 絕緣子運行狀態模擬試驗

表3 絕緣子停運狀態模擬試驗

2 新風混風制冷機組方案

2.1 制冷機組方案

為解決SEC 泵房內部環境溫濕度高的問題，針對現場通風系統的特點，設計一種新風混風式的制冷機組，如圖2 所示，現場布置情況如圖3 所示。該機組作為原通風系統的輔助裝置，安裝在泵房通風系統的進風小室旁，通過風管接入到進風風道。由圖2 可知，新風分為兩路，一路經過表冷器冷卻除濕，出風溫度達到18 ℃，空氣濕度接近飽和濕度。之后與另一路未經降溫除濕處理的新風混合，提高最終送入泵房內部的風溫，同時溫度升高，相對濕度下降。

圖2 新風混風制冷機組

圖3 機組現場布置示意

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

風機出口設置手動隔離閥、止回閥及電動隔離閥，電動隔離閥與DCS 信號聯動。手動隔離閥保持常開，在空調故障時關閉，以避免對原DWS 系統功能產生影響。

在各泵房內增加一套溫濕度傳感器，作為空調機組啟/停/調節的依據。以泵房的溫濕度作為設定值，來控制空調送風參數，自動調節。保留原DWS 通風方式，新增新型混風制冷機組裝置作為原DWS 系統輔助裝置，不影響原系統功能及安全。兩個裝置可以并行，當DWS 風機啟動時作為補充送入部分冷風。

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

2.2 主要參數確定

改造的環境溫濕度目標根據DWS 風機的啟動邏輯(高于35 ℃風機自動啟動，低于30 ℃風機自動停運)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。假設理想情況下，經過新型混風制冷機組處理后的坑內空氣同時達到這個溫濕度狀態，此時空氣露點溫度為23.9 ℃，因此設計出風溫度為24 ℃。從保守角度考慮，設計進風狀態參數選取近年來氣象數據中焓值最大的點。此時空氣處理流程主要狀態點如圖4所示。

圖4 空氣處理流程

根據泵房內部的設備發熱量，原通風系統參數以及設計的進風、出風狀態點，確定制冷機組的主要參數，如表4 所示。

表4 新風混風制冷機組主要參數(冷暖型)

3 溫度處理效果仿真計算

利用計算流體力學(computation fluid dynamics， CFD)軟件，對泵房通風環境下的室內氣流組織進行模擬分析。風口設置：每個泵房共2個送風口，1 個排風口，總送風風量20 000 m3/h（小坑8 400 m3/h，大坑11 600 m3/h），送風溫度24 ℃。負荷設置：設計夏季室內總散熱量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，數值結果如下。

在模擬情況下，兩個泵房同時工作時，散熱量大，坑內穩態溫度為：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，坑內穩態溫度約24.6 ℃。

4 結論

針對我國東南沿海地區核電廠重要廠用水泵房頻發的溫度高報警及濕度超標問題，提出了在泵房通風系統上增加一套新風混風制冷機組的方案。該方案可以有效保證泵房內環境的溫濕度，且無需再熱段，具有降低能耗、節省投資等優點。