核电厂优化硼方案下通风供暖系统影响

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摘要：华龙技术核电厂是目前我国在建和计划建造的主要类型核电厂。国内各厂址的技术方案在硼富集度选择上存在差异，选用天然硼或富集硼各有优势。为防止结晶，浓度不同的硼酸对所处环境的要求不同，因此配套的供暖通风系统配置和容量也有一定区别。探讨了“华龙一号优化方案”中选择天然硼和选择富集硼下暖通系统设计理念，给出了电加热器的设置原则，为硼方案的论证选择提供依据。

关键词：天然硼；富集硼；温度；结晶；供暖；通风；电加热器；电伴热

0引言

华龙技术核电厂是目前我国在建和计划建造的主要类型核电厂，“华龙”堆型需要不断的研究改进。国内现有各厂址的技术方案在硼的富集度选择上存在差异，选择天然硼和10B富集度为35％的富集硼方案各有优势。选择富集硼对一回路水化学条件有利，具有更高的可靠性，但价格昂贵；选择天然硼具有显著的经济优势，但是为了达到反应性控制的目标，需要提高相关系统中硼酸溶液浓度，因为pH值和温度是影响结构材料腐蚀的主要因素，浓硼酸的引入会降低冷却剂pH值，产生不利影响。同时，硼浓度提高后为了防止结晶对配套的供暖通风系统提出更高的要求。在论证选择合适方案时，硼酸对所处环境的要求和影响也是需要考虑的重要因素。本文探讨了不同硼酸浓度选择方案下的通风供暖系统设计和差异，进行计算分析和总结，为后续适应性论证、优化方案中硼方案的选择提供依据和支持。

1应急硼注入系统要求

受硼选择影响最大的系统是应急硼注入系统。“华龙一号优化方案”（基于现有华龙核电技术进行优化改进后的方案，以下简称“优化方案”）中，应急硼注入系统是一个专设安全系统，在事故情况下对堆芯进行硼化，用于补偿由于堆芯冷却或氙毒减少引起的正反应性。优化后应急硼注入系统安全分级为核安全2级。在DBC（超设计基准工况）2～4类事故工况［1］下，需要以足够的速率向一回路注入足够的10B，使堆芯维持在安全停堆状态所需的停堆深度，及时补偿堆芯冷却引起的正反应性，避免堆芯重返临界。选择无论天然硼还是富集硼都需要满足应急硼注入系统的以上要求，目前“华龙”堆型有2种常见的方案：1）方案1，选用体积分数为7000×10－6～8000×10－6的天然硼，系统设计基准为ATWS（由控制棒故障引起的未能紧急停堆的预期瞬态）工况下维持堆芯次临界，因未强制要求应急硼注入系统在DBC2－4类工况下维持反应堆在安全停堆状态，对于系统的容量要求更低，系统安全分级为安全3级。2）方案2，选用体积分数7000×10－6～7700×10－6的10B富集度为35％的富集硼，系统设计基准为在DBC2～4类事故工况下，向一回路注入足够的10B，将堆芯带入（带入安全停堆状态）并维持在安全停堆状态，系统功能分级为安全2类。目前国内三代核电普遍应用基于SSG－30的安全分级体系，该分级体系引入了安全状态的概念，要求DBC－2、3、4类工况下将反应堆带到和维持安全停堆状态所需要的功能，其失效会导致“高”后果的，分级应为安全2类。根据该要求，方案1应急硼注入系统应改进升级为安全2类。根据分其他暖通空调HV＆AC2022年第52卷增刊1·973·级原则，用于安全系统的支持系统安全分级应尽量不低于其所服务的系统。目前项目1、2分别采用方案1、2，均采用了传统的保守分析方法，导致所得到的应急硼注入系统硼酸容量和硼酸浓度都较为保守。华龙优化方案经过优化分析计算，体积分数8000×10－6的天然硼或体积分数5000×10－6的10B富集度为35％的富集硼可以满足要求。优化方案如果选择天然硼，对项目1、2支持系统的温度控制措施提出了更高的要求；如果选择富集硼，硼酸浓度大大减低，对其他支持系统（包括通风系统、化水系统等相关系统）的要求有所降低，具有更高的可靠性，但价格昂贵。选择天然硼或富集硼优化方案下，应急硼注入系统的容量见表1。天然硼方案设备容量略大于富集硼方案，硼酸浓度高于富集硼方案，防硼结晶所需温度也相应提高，由通风及供暖系统保证硼酸房间温度。由表1可知，为防止硼结晶，2种方案需要维持的环境温度最低分别为25℃和10℃。湿度和最高温度无要求。

2核燃料厂房暖通系统

参考项目1、2，结合华龙整体优化方案的布置，应急硼注入系统所在的厂房全部为辐射防护控制区。该区域设置燃料厂房通风及供暖系统［3］，保证设备正常运行和人员正常工作；确保在正常运行条件下将污染物限制在污染源处，以避免污染物从潜在高污染区域蔓延到潜在低污染区域；保持燃料厂房内相对于室外负压；防止燃料操作大厅的墙壁产生凝结水；当发生安全壳隔离（除了全厂断电情况）事故时，自动隔离燃料厂房正常送排风系统，由安全壳通风换气系统小流量排风过滤系统实现燃料厂房动态包容；当燃料水池大厅发生燃料操作事故时，自动隔离燃料操作大厅送排风系统，由安全厂房控制区通风系统的碘排风过滤系统实现燃料操作大厅动态包容。该系统是长期运行系统，包含与电厂其他区域连通的通风管网，流程简图见图1。硼酸房间设置就地加热设备流程见图2。通风管网除隔离阀外均为非安全级，失去厂外电源时通风功能丧失。因为核辅助厂房通风系统的风机停运，燃料厂房通风无法保证。硼酸房间的安全级供暖设备、其他房间内的安全级就地冷却机组接应急柴油机。优化方案中硼酸浓度的不同并不影响该系统的功能。因为核电厂布置紧凑，设备密集，不同的暖通方案必须同时具备适应性和可实施性，因此优化方案内的不同选择原则上均应该不影响该系统的设备流程设置，只改变部分设备的容量和参数。从表1可以看出，不同选择下硼酸注入箱最小有效容积差别很小，相应房间的换气次数为1h－1，对通风量的影响可忽略。对通风供暖系统产生主要影响的仅为防结晶温度。

3硼酸房间环境条件

对于不同的室外气象条件［4－5］，室内设计温度也不尽相同。以华龙整体优化方案的厂址包络性参数为例进行分析。室外环境条件如下：夏季安全设计（最高不保证2h）干球温度44℃；夏季安全设计（最高不保证2h干球温度同时观测到的）湿球温度31℃；冬季安全设计（最低不保证2h）干球温度－26℃；冬季安全设计（最低不保证2h干球温度同时观测到的）湿球温度－27℃。综合厂址情况和参考电站的经验反馈，该区域厂房各房间温湿度基本要求见表2。硼酸房间有两类：偶尔进入且短期停留区域和极少进入区域，核电厂正常运行时和事故时，硼酸房间温度要求见表3、4。由以上可知，硼方案不同，仅需要在冬季和过渡季保证房间温度，夏季工况是相同的。

4供暖设备选择

保证硼酸温度最直接的方法是可以对硼酸设备进行保温＋电伴热，设备电伴热器运行经济性好，电负荷低，对配电负荷有利，但目前没有安全级的设备电伴热，因此只在非安全级的硼酸设备和管道上有应用。房间内加热设备用以保证硼酸设备的环境（即周围的空气温度），目前在核电项目中常用的有电暖风机、热水加热盘管、管道（风道）电加热器和独立式房间电加热器。其中电暖风机升温快，布置灵活，但因其易形成不均匀的房间温度场，适用于小房间或者大空间的局部场所；热水盘管供暖温度均匀，舒适效果好，但首先需要有安全级的热水供应，不易实现；电加热器效果居中，布置灵活，安全级电加热器也可以用于安全级房间，是目前最优的选择。因此拟在房间送风管道上加装电加热器，保证通风系统的送风温度。由于房间送风量是根据房间换气次数计算而得，未考虑房间冷负荷，且事故时通风系统不运行。因此须同时设置独立式房间电加热器在来保证房间的环境条件，并应对电厂事故工况。电加热器在冬季与过渡季运行，夏季不运行。送风管道的电加热器和房间的独立式电加热器触发温度均为房间设计温度，并设过热保护。燃料厂房区域的通风管网系统（引自其他厂房）为非安全级，失去厂外电源时系统通风功能丧失。因此送风管道的电加热器可为非安全级设备，不加应急电源，不设冗余。独立式电加热器为应对厂区事故工况，均设计为安全设备（接应急柴油机，失去厂外电源时可以运行），配电分别由2列电源供电，配电列和所服务硼酸系统保持一致。前期部分电厂每个电加热器房间都设一备用电加热器，即容量为2×100％。华龙方案认为因硼酸系统已分为互为冗余的2列（各为100％），并分别布置在不同房间，因此每个房间内电加热器可不设冗余。

5电加热设备容量

5．1风道电加热器

风管均采用镀锌钢板。风道式电加热器安装在房间的送风末端。考虑房间内2℃的温降，保证送风温度27℃（8000×10－6～8800×10－6天然硼）和12℃（5000×10－6～5500×10－6富集硼），当送风温度低于该温度时自动启动存放应急硼注入系统“硼酸”物质的区域分布在厂房靠外墙部分，包含硼酸注入箱间、注入泵间和管路经过的区域。管道式电加热器的功率根据下式计算［2］：式中P为电加热器容量，kW；V为换气次数，h－1；ρ为空气密度，kg／m3；cp为空气比定压热容，kJ／（kg·K）；t1、t2分别为电加热器下游和上游空气温度，℃。电加热器上游空气温度，即其他厂房通风系统引入燃料厂房通风系统的空气温度为18℃。由式（1）和第1章介绍可知，管道式电加热器容量受送风量和送风温度影响，在不同硼方案下，硼酸房间由核辅助厂房接入的送风量无差别，上游温度也是相同的。当采用5000×10－6～5500×10－6的天然硼方案时，需要的电加热器下游空气温度取27℃（房间内预留2℃的温降），管道电加热器在末端加热送风至27℃；当采用7000×10－6～7700×10－6的富集硼时，通风系统送风温度（18℃）满足富集硼的温度要求，不需要设置管道电加热器。以硼酸泵间为例，体积为220m3、换气次数1h－1，空气密度1．293kg／m3，空气比定压热容取1．01kJ／（kg·K），计算得该房间管道式电加热量为0．72kW。其他房间计算方法相同。共计15台，总容量10．8kW。

5．2房间电加热器

由于华龙整体优化方案的深度不足以支持正向计算房间所需负荷，因此房间的独立电加热器容量可按照下式进行估算。式中Qy为房间电加热器计算加热量；Qx为参考项目房间电加热器计算加热量；tiy、toy分别为室内外温度；tix、tox分别为参考项目室内外温度。参考项目2位于我国夏热冬暖地区，硼酸房间安全级物项室外设计温度为4．6℃，与室内设计温度（20℃）的温差为15．4℃，如采用我国严寒地区的包络性安全级室外设计温度－26℃，那么与优化方案室内设计温度（25℃和10℃）的温差分别为51℃和36℃。在包络性参数下房间电加热器计算结果见表5。本文对比计算了假设优化方案实施在参考项目1厂址（室外计算温度3．8℃）和参考项目2厂址（室外计算温度4．6℃）条件下的房间电加热器计算加热量，计算结果见表5。

6其他

对于其他区域内的硼酸房间，由于硼的浓度较低，或为非安全级使用电伴热，不受优化方案影响，因此不作讨论。反应堆硼和水补给系统硼酸贮存箱的容积在2种硼方案下差异较大，采用天然硼每个硼酸贮存箱的有效容积约为140m3，采用富集硼每个硼酸贮存箱的有效容积约为70m3。采用天然硼贮存箱的容积大了一倍，但在该房间的通风量计算中，计算换气次数的有效体积减小了70m3，现有方案的风量和设备可满足要求，这里也不做讨论。

7结论

1）优化硼方案通风供暖系统流程不做大的改动，改变设备容量和增加通风管道末端电加热器即可解决。该部分造价依据厂址室外气象条件会有不同程度的增加或减少。2）对于本文案例，采用天然硼方案需要新增约15台管道电加热器，共计约10kW的常规负荷，该部分负荷不受室外气象参数影响，不需要接应急电源，此变化可接受，成本可控，布置方面也具有可实施性3）参考项目2已实施，厂址位于夏热冬暖地区，优化方案如实施在此地区，在选择天然硼时，独立式房间电加热器设备容量约增加32％，选择富集硼则约减少49％。2种选择在布置方面都可以实施，房间独立式电加热器为安全级设备，需要接应急电源。选择天然硼新增柴油机负荷也可接受。参考项目1位于夏热冬冷地区，优化方案如选择天然硼，独立式房间电加热器设备容量约增加38％，选择富集硼则约减少60％。2种选择布置和新增柴油机负荷也均可实施。从暖通系统角度来看，选择富集硼更优，选择天然硼亦可实施。4）优化方案若在严寒地区实施，选择天然硼时，独立式房间电加热器设备容量增加7．52倍，选择富集硼时则增加3．67倍。2种选择在布置方面都有一定难度，新增的应急柴油机负荷也有一定的接受难度和风险性。从暖通专业角度来看，选择富集硼方案优于天然硼方案。选择天然硼实施困难较大。5）我国其他气候区的厂址可参考本文方法进行计算分析，确定适用程度和可实施性。

作者:杨莉 单位:华龙国际核电技术有限公司