AP1000核电站安全壳厂房水喷雾灭火系统的设计分析

周忠秋

摘   要：AP1000核电站安全壳厂房内的消防系统在正常运行期间为干管运行，当消防系统需要动作时再进行充水，这与常规的消防系统的运行方式不同。市场上的雨淋阀组均是用于阀组前的管道始终是充水情况下的，本文针对市场上常见雨淋阀组是否适用于AP1000核电站安全壳厂房这一问题展开讨论和分析，采用流体力学软件Fluent模拟的方式得出安全壳消防母管充水过程中，会导致系统误动的结论。并针对这一情况，给出了使用电动雨淋阀组替代的解决方案，为后续工程的设计提供参考。

关键词：安全壳  AP1000核电厂  雨淋阀组  干式管道  Fluent

中图分类号：TU892                                文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0116-02

1  引言

AP1000核电站安全壳厂房布置大量的电缆，设计了5组水喷雾灭火系统对这些电缆桥架进行火灾防护[1]。为保证核电厂正常运行期间，消防水误动或管道破裂导致的消防水大量进入安全壳，威胁安全相关系统的正常工作，布置于安全壳厂房内的消防管道在电站正常运行期间为干管。当电流桥架水喷雾灭火系统需要动作时，再人为打开安全壳外的隔离阀给安全壳内的消防管道进行充压。通过分析，得出市场常见雨淋阀不适用于安全壳厂房消防系统的结论，并给出了解决方案。

2  AP1000安全壳内消防系统

安全壳内的消防系统由位于安全壳贯穿件外侧的常关阀门V003与供水管道进行隔离，在电厂处于正常运行模式下，消防系统都不将水送至安全壳内，即安全壳内的消防系统在准运行工况下处于干管状态，图1为AP1000安全壳内消防系统简图。

市场上现有的雨淋阀组均是为湿式系统设计的，即在水喷雾系统处于准运行状态时，雨淋阀组的供水侧是充满压力水的，以图2泰科公司DV-5型雨淋阀组为例，隔膜腔中的压力与供水腔的压力相等，但供水腔中的水作用在膜片上的面积仅为膜片腔中的水作用在膜片上面积的一半，所以阀组可以维持在关闭的状态，需要动作时通过自动（火警联动电磁阀打开）或者就地打开启动阀，使膜片中的压力降低，最终导致雨淋阀组动作。

安全壳内消防母管下游有消防立管、安全壳喷淋和电缆桥架水喷雾灭火三个子系统，任何一个子系统需要工作时，均需将V003开启，对安全壳消防母管进行充水[2]。此时雨淋阀组会经历未人为的投用操作即开始充水，有系统全部误动的风险。当安全壳内消防母管由干式转换为湿式时，采用Fluent流体力学软件模拟此时DV-5型雨淋阀组的运行工况。

2.1 模拟控制方程

雨淋阀组充水的过程属于两相流问题，该问题中可按水气相流的控制方程进行数值求解[3]。VOF方法的控制方程为不可压缩流体的N-S方程和连续性方程：

式中：t为时间;μ、v分别为x、y方向上的流体速度分量;p为流体压强;ρ为流体密度;V为流体运动粘度分量;gx、gy为体积加速度分量;θ为部分单元体参数，其值在0～1之间。

为了表示自由面，VOF方法引入函数F（x，y，t）。如果F=1，则这个网格单元充满流体;如果F=0，则该网格单元不含流体;如果0

2.2 建立模拟模型

采用Gambit软件建立DN200 DV-5雨淋阀组的全尺寸模型，并采用TGrid类型对模型进行划分网格，网格划分结果如图3所示。

2.3 边界条件的设定

如果在安全壳内电缆桥架水喷雾自动灭火系统中采用上面的雨淋阀组。当需要将非安全相关的安全壳喷淋子系统投入运行时，利用消防泵为安全壳内消防管道充水，这时，水流也会进入电缆桥架水喷雾灭火系统的雨淋阀中，取水流进雨淋阀组供水管道的速度为1m/s，即将入口界面的边界設置为速度入口边界条件。

2.4 计算结果及分析

图4中给出了雨淋阀组自然充水的过程模拟结果，当t=0.28s时，水流通过隔膜腔供水管路开始进入隔膜腔，当t=0.95s时系统腔中已充满了水，隔膜腔中仅有少量的水，隔膜腔的充水速度远小于系统腔的充水速度。因此在雨淋阀组自然充水过程中，隔膜腔内的压力不足以维持雨淋阀组为关闭的状态，可致使雨淋阀组误开启。

因此，当安全壳喷淋环管需要动作时，安全壳此时已存在放射性物质，人员进入是不可接受的。在执行喷淋的过程中，若采用的市场上现有的DV-5型雨淋阀组，设置的三列水喷雾系统也会误打开，造成系统的不可控，同时也会因系统流量的增加而影响安全壳喷淋环管的水源的压头，影响喷淋效果。因此，在AP1000安全壳电缆桥架水喷雾自动灭火系统中，市场上没有可以应用的雨淋阀组。

2.5 解决方案

针对市场上通用的DV-5型雨淋阀组会在安全壳的充水过程中误开启，给出了图5所示结构的阀门，该阀门由一个电动蝶阀来控制系统的动作，还添加了主排水阀、压力表、压力开关、报警试验阀和系统排水阀。压力开关在系统动作后给火灾报警主机提供反馈信号，告诉外部人员该阀门已正常开启，水流已进入阀门下游。

图中所示的电动阀组不会在干式管道充水过程中误开启，电动阀动作的电源为来自火灾报警控制盘的24V直流电源，火灾报警控制盘除了用双电源供电之外，还配备蓄电池，可以保证在事故情况下动作的可靠性。

3  结语

根据安全壳内的消防系统在正常运行时未干管的特点，采用Fluent软件对市场上常见的DV-5型雨淋阀组进行了分析，得出了雨淋阀组在充水过程中会误动，不适用于安全壳干式消防系统的结论，并给出了如图5所示的电动阀组进行代替的解决方案。

需要提出的是，与雨淋阀组相比，电动阀组还有以下几个方面的不足：一是电动阀组的动作速度较慢，完全开启需要一个过程;二是电动阀组的开启需要消耗火灾报警控制盘上更多的电能;三是与《水喷雾灭火系统设计规范》GB50219-95中第2.1.1条不符：“水喷雾灭火系统，是由水源、供水设备、管道、雨淋阀组、过滤器、水雾喷头等组成的对保护对象喷射水雾灭火或防火冷却的灭火系统”[4]。条文规定的是雨淋阀组，而不是电动蝶阀。因此，在准运行工作条件下不是干管的消防系统，不允许用电动阀组替代雨淋阀组。

参考文献

[1] NRC Regulatory Guide RG 1.189 [S].“Fire Protection for Nuclear Power Plants”

[2] 顾军，缪亚民.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[3] HIRTCW， NICHOLSBD. Volume of Fluid Method for the Dynamics of Free Boundary [J].Journal of Computational Physics，1981（93）：201-225.

[4] GB 50219-1995，水喷雾灭火系统设计规范[S].