AP1000核電站安全殼廠房水噴霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計分析

1、AP1000核電站平安殼廠房水噴霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計分析摘 要：AP1000核電站平安殼廠房內(nèi)的消防系統(tǒng)在正常運行期間為干管運行，當(dāng)消防系統(tǒng)需要動作時再進(jìn)行充水，這與常規(guī)的消防系統(tǒng)的運行方式不同。市場上的雨淋閥組均是用于閥組前的管道始終是充水情況下的，本文針對市場上常見雨淋閥組是否適用于AP1000核電站平安殼廠房這一問題展開討論和分析，采用流體力學(xué)軟件Fluent模擬的方式得出平安殼消防母管充水過程中，會導(dǎo)致系統(tǒng)誤動的結(jié)論。并針對這一情況，給出了使用電動雨淋閥組替代的解決方案，為后續(xù)工程的設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞：平安殼 AP1000核電廠 雨淋閥組 干式管道

2、 Fluent中圖分類號：TU892                文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A           文章編號：1674-098X202105a-0116-021 引言AP1000核電站平安殼廠房布置大量的電纜，設(shè)計了5組水噴霧滅火系統(tǒng)對這些電纜橋架進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)【1】。為保證核電廠正常運行期間，消防水誤動或

3、管道破裂導(dǎo)致的消防水大量進(jìn)入平安殼，威脅平安相關(guān)系統(tǒng)的正常工作，布置于平安殼廠房內(nèi)的消防管道在電站正常運行期間為干管。當(dāng)電流橋架水噴霧滅火系統(tǒng)需要動作時，再人為翻開平安殼外的隔離閥給平安殼內(nèi)的消防管道進(jìn)行充壓。通過分析，得出市場常見雨淋閥不適用于平安殼廠房消防系統(tǒng)的結(jié)論，并給出了解決方案。2 AP1000平安殼內(nèi)消防系統(tǒng)平安殼內(nèi)的消防系統(tǒng)由位于平安殼貫穿件外側(cè)的常關(guān)閥門V003與供水管道進(jìn)行隔離，在電廠處于正常運行模式下，消防系統(tǒng)都不將水送至平安殼內(nèi)，即平安殼內(nèi)的消防系統(tǒng)在準(zhǔn)運行工況下處于干管狀態(tài)，圖1為AP1000平安殼內(nèi)消防系統(tǒng)簡圖。市場上現(xiàn)有的雨淋閥組均是為濕式系統(tǒng)設(shè)計的，即在

4、水噴霧系統(tǒng)處于準(zhǔn)運行狀態(tài)時，雨淋閥組的供水側(cè)是充滿壓力水的，以圖2泰科公司DV-5型雨淋閥組為例，隔膜腔中的壓力與供水腔的壓力相等，但供水腔中的水作用在膜片上的面積僅為膜片腔中的水作用在膜片上面積的一半，所以閥組可以維持在關(guān)閉的狀態(tài)，需要動作時通過自動火警聯(lián)動電磁閥翻開或者就地翻開啟動閥，使膜片中的壓力降低，最終導(dǎo)致雨淋閥組動作。平安殼內(nèi)消防母管下游有消防立管、平安殼噴淋和電纜橋架水噴霧滅火三個子系統(tǒng)，任何一個子系統(tǒng)需要工作時，均需將V003開啟，對平安殼消防母管進(jìn)行充水【2】。此時雨淋閥組會經(jīng)歷未人為的投用操作即開始充水，有系統(tǒng)全部誤動的風(fēng)險。當(dāng)平安殼內(nèi)消防母管由干式轉(zhuǎn)換為濕式時，采用Flu

5、ent流體力學(xué)軟件模擬此時DV-5型雨淋閥組的運行工況。2.1模擬控制方程雨淋閥組充水的過程屬于兩相流問題，該問題中可按水氣相流的控制方程進(jìn)行數(shù)值求解【3】。VOF方法的控制方程為不可壓縮流體的N-S方程和連續(xù)性方程：式中：t為時間;、v分別為x、y方向上的流體速度分量;p為流體壓強(qiáng);為流體密度;V為流體運動粘度分量;gx、gy為體積加速度分量;為局部單元體參數(shù)，其值在01之間。為了表示自由面，VOF方法引入函數(shù)Fx，y，t。如果F=1，那么這個網(wǎng)格單元充滿流體;如果F=0，那么該網(wǎng)格單元不含流體;如果02.2建立模擬模型采用Gambit軟件建立DN200DV-5雨淋閥組的全尺寸模型，并采用T

6、Grid類型對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。2.3邊界條件的設(shè)定如果在平安殼內(nèi)電纜橋架水噴霧自動滅火系統(tǒng)中采用上面的雨淋閥組。當(dāng)需要將非平安相關(guān)的平安殼噴淋子系統(tǒng)投入運行時，利用消防泵為平安殼內(nèi)消防管道充水，這時，水流也會進(jìn)入電纜橋架水噴霧滅火系統(tǒng)的雨淋閥中，取水流進(jìn)雨淋閥組供水管道的速度為1m/s，即將入口界面的邊界設(shè)置為速度入口邊界條件。2.4計算結(jié)果及分析圖4中給出了雨淋閥組自然充水的過程模擬結(jié)果，當(dāng)t=0.28s時，水流通過隔膜腔供水管路開始進(jìn)入隔膜腔，當(dāng)t=0.95s時系統(tǒng)腔中已充滿了水，隔膜腔中僅有少量的水，隔膜腔的充水速度遠(yuǎn)小于系統(tǒng)腔的充水速度。因此在雨淋閥組自然充水

7、過程中，隔膜腔內(nèi)的壓力缺乏以維持雨淋閥組為關(guān)閉的狀態(tài)，可致使雨淋閥組誤開啟。因此，當(dāng)平安殼噴淋環(huán)管需要動作時，平安殼此時已存在放射性物質(zhì)，人員進(jìn)入是不可接受的。在執(zhí)行噴淋的過程中，假設(shè)采用的市場上現(xiàn)有的DV-5型雨淋閥組，設(shè)置的三列水噴霧系統(tǒng)也會誤翻開，造成系統(tǒng)的不可控，同時也會因系統(tǒng)流量的增加而影響平安殼噴淋環(huán)管的水源的壓頭，影響噴淋效果。因此，在AP1000平安殼電纜橋架水噴霧自動滅火系統(tǒng)中，市場上沒有可以應(yīng)用的雨淋閥組。2.5解決方案針對市場上通用的DV-5型雨淋閥組會在平安殼的充水過程中誤開啟，給出了圖5所示結(jié)構(gòu)的閥門，該閥門由一個電動蝶閥來控制系統(tǒng)的動作，還添加了主排水閥、壓力表、壓

8、力開關(guān)、報警試驗閥和系統(tǒng)排水閥。壓力開關(guān)在系統(tǒng)動作后給火災(zāi)報警主機(jī)提供反響信號，告訴外部人員該閥門已正常開啟，水流已進(jìn)入閥門下游。圖中所示的電動閥組不會在干式管道充水過程中誤開啟，電動閥動作的電源為來自火災(zāi)報警控制盤的24V直流電源，火災(zāi)報警控制盤除了用雙電源供電之外，還配備蓄電池，可以保證在事故情況下動作的可靠性。3 結(jié)語根據(jù)平安殼內(nèi)的消防系統(tǒng)在正常運行時未干管的特點，采用Fluent軟件對市場上常見的DV-5型雨淋閥組進(jìn)行了分析，得出了雨淋閥組在充水過程中會誤動，不適用于平安殼干式消防系統(tǒng)的結(jié)論，并給出了如圖5所示的電動閥組進(jìn)行代替的解決方案。需要提出的是，與雨淋閥組相比，電動閥

9、組還有以下幾個方面的缺乏：一是電動閥組的動作速度較慢，完全開啟需要一個過程;二是電動閥組的開啟需要消耗火災(zāi)報警控制盤上更多的電能;三是與?水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?GB50219-95中第2.1.1條不符：“水噴霧滅火系統(tǒng)，是由水源、供水設(shè)備、管道、雨淋閥組、過濾器、水霧噴頭等組成的對保護(hù)對象噴射水霧滅火或防火冷卻的滅火系統(tǒng)【4】。條文規(guī)定的是雨淋閥組，而不是電動蝶閥。因此，在準(zhǔn)運行工作條件下不是干管的消防系統(tǒng)，不允許用電動閥組替代雨淋閥組。參考文獻(xiàn)【1】NRCRegulatoryGuideRG1.189S.“FireProtectionforNuclearPowerPlants【2】顧軍，繆亞民.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備M.北京：原子能出版社，2021.