常规岛主厂房通风模式优化与数值模拟的研究

摘要

目前，我国社会和经济的持续发展面临能源和环境两个瓶颈，在满足当代经济发展和人民生活水平的前提下，如何降低能源和资源消耗，减少各类污染物排放，成为我们必须应对的挑战，随着核能在中国能源发展战略中的地位被不断提升，我国核电厂的数量和容量正在迅速增加。迄今为止，核电站常规岛主厂房中主要采用的通风模式为蒸发冷却(加热)机组机械进风、屋顶风机机械排风，这种方案能有效控制主厂房的室内空气品质，保障发电机组的安全运行，但同时会导致投资成本和运行能耗增加。合理地引进自然风，获得既节约能源又安全运行的通风方案对节能减排，特别是工业建筑节能设计的发展具有非常重要的意义。
　　 由于缺乏设计和运行经验，有关核电站常规岛主厂房的设计规程还没有出台，常规岛主厂房的结构形式与火电厂的汽机房相似，但两者在设备特性和管道热力系统方面差异较大，参考火力发电厂的设计手册和相关标准设计的通风系统的气流组织效果不佳，影响核电发电机组的稳定运行。为了得到主厂房节能的通风方案，指导这类设计项目的工程设计，经设计院委托，对某核电站常规岛主厂房通风模式的可行性进行论证，并提出合理的改进方案。
　　 本文首先采用CFD技术对主厂房的风环境进行了数值模拟。利用UDF功能，定义了与当地地貌环境更接近的近地面大气风速剖面函数，并将速度入口条件通过UDF接口导入至Fluent软件中，模拟得到了主厂房周围及其表面的风压分布状况。然后运用雷诺平均法(RANS)中的Realizable k-ε湍流模型和DO辐射模型对典型工况下常规岛主厂房内的气流组织进行数值模拟，得到了主厂房的通风量、速度场及温度场。在此基础上通过对主厂房各层的通风量、工作面平均温度及排风温度等参数的分析，得到室内的气流分布状况；通过对比试验，对影响主厂房通风换气效果的因素(如：室外风速和方向、湍流度、空气温度、风机大小和数目及通风口大小和位置等结构参数等)进行了探讨，并提出改善出室内气流组织效率的措施。最后将数值模拟的结果与试验测量的数据进行比较，验证运用数值法模拟结果的准确性，由此说明采用数值法预测常规岛主厂房室内热环境是可行的。
　　 计算结果表明：风压和热压对自然通风的影响效果显著核电；站常规岛主厂房采用自然进风、机械排风模式或多元通风模式时均能满足人员热舒适性和生产工艺的要求，其中主厂房各层工作面的平均温度及屋顶排风温度能同时达到设计的标准。
　　 本论文研究成果填补了该领域的技术空白，不仅可以指导类似工程通风换气方案，也为将来相关设计标准的编写提供重要的参考依据。