核电站安全壳通风冷却系统采用组合式空气空调机组, 对核电站安全壳内设备区域的空气进行置换和冷却。空调机组由冷却盘管、冷冻水供应部分、风机和冷凝水排水系统组成。空调机组在正常运行工况下, 多个机组存在冷凝水排水不畅的情况, 导致冷凝水在空调机组内底板上聚积, 溢出到厂房内和机组电机部分, 严重情况下会导致设备锈蚀和损坏。

　　 通过对空调机组的排水系统现场进行检查, 对冷凝水排水不畅的原因进行了分析, 以其中部分空调机组实际运行参数进行定量分析, 运用Fluent软件对空调机组排水管线进行模拟仿真, 优化冷凝水排水管线布置方案, 并应用于现场, 解决了空调机组冷凝水排水不畅的问题, 为该类型设备的排水管线布置和设计提供了参考依据。

　　 空调机组内风机将室内空气经空调进风口吸入, 经冷却盘管表冷器之后, 温度低于露点温度, 便有冷凝水产生, 冷凝水聚积在积水盘内, 经排水管线排出, 空调机组示意如图1所示。

　　 核电站内空调机组排水系统需经过排水管线最终排入到核电站废水收集系统, 由于废水收集系统内收集多种不同性质的疏水, 为防止废水收集系统内的废气通过排水管道返回至设备区, 影响空气品质, 在排入废水收集系统之前会设置1个“U”型水封^[1];为了监测冷却水的流量, 在U型水封的出口一侧设置了一个流量计, 如图2a所示。空调机组内由于冷却盘管在机组内处于负压区域, 因此设计单位根据设计规范为空调机组增加了1个U型水封用来保持负压^[2], 如图2b所示。空调机组的排水系统将上述两部分设备连接, 再根据设备实际安装位置现场布置, 如图2c所示。

　　 两部分设备均按照设计规范进行设计, 理论上满足设计要求。然而在空调机组投运时, 发现该排水系统无法排出冷却盘管上产生的冷凝水。为了便于表述该排水系统, 将图2c简化为如图3管路, 管线1与空调机组底板相连, 废水排出系统和空调机组设备在管线4和5之前通过焊接连接。由图3可知空调机组排水系统由2个U水封, 分别由管线2、管线3、管线4和管线6、管线7、管线8组成。根据目前空调机组排水不畅的现象, 排除下游管道堵塞的情况下, 可能主要有以下几个方面原因导致排水不畅: (1) 空调机组排水系统内水封设计不合理, 导致冷凝水渗漏; (2) 空调机组和排水点的落差无法克服整个管道阻力^[3]; (3) 空调机组运行过程中冷凝水产生过多, 超过排水管线的排放能力。

　　 根据文献[2]水封高度设计参考需满足图4所示。根据文献[4]中描述, 若空调机组滤网堵塞导致机组内负压增加, 则所需维持负压的高度A值增加, 可能会导致冷凝水溢流出积水盘, 发生冷凝水渗漏。

　　 拆开管线4和管线5连接处, 接上透明软管, 机组正常投运, 排水正常。测量空调机组内负压约200Pa, 水封设计值需满足H=200/10+50=70 (mm) , 实际测量水封高度为100 mm, 满足设计要求。拆开水封管线2、管线3、管线4, 用临时透明软管连接, 如图5所示, 机组正常投运, 排水正常。

　　 综合以上实际验证情况, 考虑到现场空调机组运行环境条件, 可将机组水封下游管线4和管线5直之间切除, 增加接水盘, 下游排水管道接至接水盘即可满足排水需求。或者采用新型浮球式空调凝结水水封^[5]也可作为解决当前排水问题的方法;若不考虑增加设备的方法, 需对目前现有排水系统冷凝水排水不畅原因进行分析并给出解决方案。

　　 根据实际管线的布置, 建立空调机组排水系统模型, 通过对冷凝水流动过程假设, 选取合适的力学模型和计算方法, 对排水管道进行模拟仿真分析。

　　 选取其中一台空调机组作为实例进行定量分析。已知空调机组冷负荷为125kW, 冷凝水排量每千瓦0.5~0.8L排水量^[6], 根据试验条件潜热负荷较高, 冷凝水排水量取较大值, 经验排水量为100L/h;根据设计工况, 进风口参数:T=30℃, 相对湿度40%RH;出口参数:出口温度T=15℃, 相对湿度70%RH;风量约25 000m³/h。查询湿空气焓湿图, 计算排水量约为101L/h, 与经验数据一致。实际测量空调机组进风口参数:温度T=26℃, 相对湿度70%RH;出口参数:温度T=16℃, 相对湿度80%RH;风量约27 000m³/h。查询湿空气焓湿图, 计算冷凝水约206L/h。冷凝水水温约15℃, 水在15℃时运动粘度为ν=1.146×10^-6m²/s, 管径DN25公称直径约d=25mm, 假设管道可以正常排水, 管道内水流速约为0.116m/s, 计算管道内流体的雷诺数Re=2 530, 因此正常排水时管道内流体为湍流。

　　 根据现场测量数据, 将管线8上的流量计根据实际布置情况简化为垂直上升管线, 利用Creo软件建立排水系统管线的三维模型如图6所示。

　　 将排水管线的Creo模型转换为STP格式, 导入到Workbench中, 对模型划分为四面体网络, 如图7所示。

　　 在空调机组启动阶段, 冷凝水排水水封建立过程可以分为水力驱气阶段、水力挟气阶段和稳定流阶段^[7], 从水封建立到稳定流动或者贴壁流动这一阶段管道内进行的是水气两相流动。在水封形成过程中, 管内冷凝水流态、管壁压力等随着时间的变化亦发生复杂的变化, 其形成过程受流体粘滞力、重力、表面张力、压力等的综合作用, 完全模拟其内部流运动状态存在很大困难。因此需要对仿真的流动过程进行假设和简化。冷凝水形成及排出过程, 可以看做是冷凝水通过底座慢慢充满水封, 然后随着冷凝水的增加, 水流在重力作用下, 慢慢在U型管内运动, 当聚集到一定程度, 水流会沿着顶部管道贴壁流流出。

　　 数值模拟中, 采用Fluent中多相流Mixture模型, 选择标准k-ε湍流模型, 设置两相为水和空气, 运用Fluent进行气液两相流介质运动方程求解;设置入口边界为速度入口, 出口为自由出流;采用Coupled方法求解。

　　 经过分析计算, 对气液两相流中的气体体积分数进行模拟仿真如图8所示。

　　 根据图8中空气体积分数分布可知:水封建立初期, 流体挤压出管道内空气阶段, 在竖直管线6内会产生空气聚集, 水封底部管线3和管线7充满液体, 导致管线6内的气体无法排出, 形成气塞, 管线1和管线5之间的高度差, 不足以产生足够的压力推动水封管线7内的流体, 因此造成空调机组内冷凝水无法排出。

　　 根据以上仿真分析, 若不存在水封管线3或者水封管线7, 气液两相流中的气体在浮力作用下可以通过上升管线, 经入口或出口排出。去除水封管线2、3、4, 用2D平面模型模拟仿真, 空气体积分数在管线内分布如图9, 空气可以通过入口管线排出, 与理论分析结果一致。

　　 根据现场情况修改模型, 采用气液两相流仿真分析如图10所示, 该布置形式可以避免产生气塞。

　　 文献[8]分析了弯管的压力场和速度场的变化规律及其影响因素, 管道内压力损失与管道管径和弯管的折弯半径、折弯角度相关。为了减少流动损失, 可增加水封弯折角度, 增加水封的弯曲半径。因此把U型水封进行修改为大弯折角度的“V”型水封, 一方面可以减少流动压力损失, 另一方面保证了水封的存在, 因此对空调机组排水系统模型进行修改, 并对修改后的模型进行仿真, 其模型及压力云图如图11所示。

　　 根据以上仿真分析, 实现良好排水可采取以下措施:

　　 (1) 增加空调机组积水盘底部与排水点落差。由于现场空调机组标高已确定, 因此只有降低管道7、管道8、管道9的位置。

　　 (2) 改变现场管线布置或管径, 减小管道流动损失。查看现场布置情况, 管道布置线路复杂, 弯头太多, 建议减小弯头数量, 优化弯曲半径, 减小流动局部损失;增加下游管道直径与空调机组排水管道一致, 减少管道变径, 减小流动沿程阻力损失;增加连接管线坡度布置, 增强排水能力。

　　 (3) 调整空调机组运行环境条件。改变机组工况, 调整风量, 调整冷却水流量, 减少冷凝水排出量。

　　 (4) 由于双U型水封的存在, 管道3、管道7优先满水, 导致管道4、管道5、管道6之间存在大量气体聚集, 无法排出, 形成气塞进而导致无法顺利排水。根据以上分析, 若根据现场实际必须保留双U型水封时, 可以在管道4、管道5、管道6之间增加排气阀, 在机组启动阶段打开排气阀, 当有凝结水排出时排气阀自动关闭, 管道内空气排出, 整个排水管道内充满液体, 即可顺利排水。

　　 综上, 根据空调机组现场的实际布置情况和下游系统设计要求, 对排水管线布置优化并仿真出压力云图如图12所示。

　　 为解决空调机组排水不畅问题, 可以取消或破坏空调机组自带水封, 只采用下游U型水封密封的方案, 调整下游流量计的布置形式, 同时增加U型水封入口坡度和出口坡度。取消空调机组自带水封虽然可以加快排水, 但目前该方法也存在缺陷:冷凝水排水管道设计应考虑到冷凝水杂质冲洗, 而当前这种修改缺少排污装置。同时U型水封应具备良好的水力能力, 不易堵塞和蒸发, 可以适当的在空调机组的排水口增加滤网, 减少冷凝水中的固体杂质。

　　 空调机组排水问题广泛存在, 也有相应的技术规范, 各设备均按照规范设计, 均满足设计要求, 而在设备间耦合为排水系统时出现水封叠加, 导致无法执行其排水功能的情况。因此对该类型设备排水系统设计时, 需综合考虑实际排水需求, 优化现场管道布置形式, 减少管道阻力, 增加排水能力。