某核电站安全壳内临时通风数值模拟研究

杜南麟，王平春，梁汉天

（1.国家电力投资集团有限公司，北京 100029；2.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200030；3.中国人民财产保险股份有限公司深圳市分公司，深圳 518000）

大型先进压水堆核电厂的核岛安全壳在顶封头吊装后将形成一个相对封闭的空间，其内部焊接、打磨作业等在此空间内持续开展。焊接过程中会产生大量的颗粒污染物和气体污染物［1］，其中颗粒的粒径主要为0.01～1μm。颗粒悬浮于空气中，为可吸入粒子，这对工人的健康和生产效率带来极大的影响，人体短期吸入高浓度粉尘或长期吸入一般质量浓度（10 mg·m-3以上）的焊接粉尘，可能导致焊接尘肺。吸入可溶性化合物可能引起肺炎和血液系统疾病，对于这些疾病国内目前尚无特效治疗方法［2］。因此，我们必须设置合理的通风系统以改善核岛安全壳内的空气环境。临时通风布置是解决这一问题的有效方法。

在核电厂的临时通风布置方面，李金海［3］等研究了AP1000核电厂的核岛临时通风风量计算及通风布置，刘源［4］研究了ACPR1000反应堆厂房临时通风布置，但目前尚未有人进行有关核岛安全壳内大密闭空间临时通风方面的数值模拟研究。临时通风系统布置涉及风量计算、风机选型、路径规划、施工逻辑等诸多因素，而数值模拟能够在无需实际布置的情况下超工期进行预研，其结果可提高施工方案的针对性和可操作性，有效避免后续频繁盲目调整，为安全壳内临时通风布置设计优化提供参考。

1 通风风量及通风布置

基于核岛空间布置，本文选取核岛临时通风空间最大和通风难度最大的12.65 m平台以上空间进行研究。12.65 m平台以上区域临时通风系统可根据空间位置分为12.65 m平台以上空间通风系统以及安全壳顶封头（Containment Vessel Top Head，简称CVTH）以上局部抽出式通风系统两部分。其中，CVTH以上局部抽出式通风系统主要通过设置在该标高层上的轴流风机将作业的烟气送至12.65 m平台。12.65 m平台上排烟有两种方式，一是利用12.65 m平台处吊装孔排风，二是利用安装在12.65 m平台上的轴流风机将安全壳内作业空间产生的污浊空气，如焊接烟尘等，通过风管穿过设备闸门，直接排出到外部空间。为减小风管阻力和方便现场施工，根据安全壳现场情况，12.65 m平台以上空间的系统通风管路沿筒体内壁铺设在12.65 m平台，CVTH以上局部抽出式通风系统的管路沿脚手架垂直布置；CVTH环缝处主要进行环缝焊接作业，利用安全壳循环冷却系统（简称VCS）环形风管进行通风，将CVTH顶封头位置烟尘抽至安全壳外。

整个厂房内的通风系统如图1所示。

图1 12.65 m标高以上临时通风布置图Fig.1 Layout of temporary ventilation above 12.65 m

系统风机风管沿筒体内壁至设备闸门布置，在11厂房布置排风机1台，11厂房内采用矩形镀锌风管，同时为便于设备闸门大宗材料运输需要和风管经常性移动，且考虑到风机性能、风管风速承受能力、设备闸门通行及排烟通路限制，此处风管采用直径1200 mmPVC材质。

经计算，12.65 m以上CV圆柱筒体体积为50 231 m3，顶封头（球缺）体积为11 095 m3，若按照每小时换气3次计算［5］，则每小时通风量为183 978.3 m3。

2 临时通风数值模拟

根据安全壳厂房及主要模块尺寸，笔者利用AutoCAD对12.65 m以上空间进行建模。为简化模型，降低网格划分难度及运算强度，本文忽略各贯穿孔、CA01模块空腔等，建模结果如图2所示。

图2 12.65 m以上安全壳内通风布置图Fig.2 Ventilation layout in containment above 12.65 m

参照相关焊接文献研究［6］，笔者设定单个焊接作业点粉尘发生速度为0.006 g·s-1，同时类比AP1000核电项目焊工人数，假设高峰期共80人在计算模型空间内连续进行焊接等作业，连续性系数取0.5，且粉尘在CA01模块上部平台21.3 m处均匀产生，则单位时间内粉尘质量流为4.8×10-4kg·s-1。笔者按上述要求设置边界条件，利用ANSYS-FLUENT14.0软件进行数值模拟，使用离散型模型和κ-ε双方程湍流模型，具体见表1。

表1 边界条件设置Table 1 Boundary condition setting

笔者利用FLUENT进行数值模拟并选取12.65 m、21.3 m、42 m三个典型标高进行分析。

根据数值模拟结果，我们可以发现：

（1）图3显示：在12.65 m标高平面上，CH01设备闸门处产生的风流能够顺利地贯穿右侧区域，并最终与CH01处的排风管的进风汇合，风速在3 m·s-1以下，属于轻风等级；吊装孔处进风流速也较大，在2 m·s-1左右；由于CA01模块阻挡，中间风速较小，多在0.5 m·s-1以下，属于软风等级或无风等级［7］。此外，在吊装孔与CH01设备闸门之间粉尘浓度较大，原因是结构形成的漩涡，不利于粉尘的排放，导致粉尘轻微聚集。

图3 12.65 m标高Fig.3 12.65 m elevation

（2）图4显示：在21.3 m标高平面上，因CA01顶部钢平台处为本模拟粉尘产生的设定区域，所以粉尘浓度最大，但总体上粉尘浓度在4 mg·m-3以下，满足国家标准［8］要求；粉尘自CA01开始扩散，由于VCS风口通风作用，左右两侧浓度明显减小。因此对于粉尘集中产生区域，必须设置过滤烟尘净化器等降尘措施以确保粉尘浓度满足国家标准要求。

图4 21.3 m标高Fig.4 21.3 m elevation

（3）图5显示：在42 m标高（环吊梁标高）平面上，在涡流区域有较为明显的粉尘聚集，相对位置在吊装孔上面的粉尘浓度较大，但其他区域粉尘浓度较小，排尘效果显著。

图5 42 m标高Fig.5 42 m elevation

3 粉尘控制措施建议

根据安全壳厂房临时通风布置及数值模拟结果，我们可采取以下措施提高粉尘控制效果：

（1）设置局部通风机。在局部粉尘浓度较大或聚集的区域设置局部通风机，引导风流将粉尘及时排至风管处并最终排至室外，从而降低粉尘浓度。

（2）设置降尘措施。根据模拟结果，在粉尘产生量较大的区域设置焊接烟尘过滤器等降尘措施，从源头减少粉尘产生，防止其从焊接点向四周扩散；对于逸散粉尘的生产过程，应对产尘设备采取密闭措施；作业前应对生产工艺以及粉尘性质进行分析，如果可以采取湿式作业，应尽量采用湿式作业方法；在湿式作业仍不符合卫生要求的情况下，应采用其他通风方式和除尘方法。

（3）优化施工逻辑。尽量在CVTH顶封头吊装之前将VCS安全壳循环冷却系统环形风管安装在安全壳上，提前投用。

（4）提高模块化水平。尽可能将焊接、切割打磨等易产生粉尘的作业提前在核岛外完成，减少核岛内作业的频次。

（5）个人防护。对于采取了多种措施仍然无法确保接触浓度符合要求的，作业人员应佩戴防尘口罩或面具。

4 总结

本文基于国内某核电厂安全壳厂房结构研究了临时通风所需风量，构建了数值模拟模型，模拟了计算空间风流矢量、粉尘浓度在空间不同标高下的分布特征，模拟结果显示计算风量总体上达到了全面通风降低粉尘浓度的目的；根据模拟结果，探讨了降低安全壳厂房内部粉尘浓度的方法，提出了局部通风、设置降尘措施、优化施工逻辑、提高模块化水平及个体防护的综合治理措施，有利于改善通风环境和加强安全壳内的粉尘控制，为电厂建设创造良好的作业环境。