某核电站主控室空调系统设计改进及应用

中广核工程有限公司设计院 陈红军

0 引言

核电厂主控室是核电厂的控制中枢，机组运行指令的发出、设备运行状态的监控及事故的报警和处理都在其中完成。主控室内有大量仪控设备，对温湿度要求较高；主控室也是操作人员24 h持续工作的场所，所以主控室内的环境应考虑人的因素。

从M310机型运行经验反馈知，在夏季工况下，主控室内环境温度长期维持在19 ℃左右，相对湿度大于65%，温度低且相对湿度高的环境条件导致主控室人员感觉湿冷而不舒适。夏季工况下主控室内温度低的主要原因包括主控室空调系统的环境条件需求、系统配置及其控制、主控室内工艺设备运行散热量与系统设计工况偏差过大及设备容量二次补偿不足等。在新机型系统设计中，为防止主控室内温度条件偏离设计要求，尤其主控室内出现温度过低的情况，通过系统设计优化和采取多种设计措施确保主控室内环境要求。改进后的主控室空调系统已应用于工程中，其设计和控制方案成熟可靠，达到了设计预期。

1 M310机型主控室空调系统配置及控制原理分析

1.1 空调系统配置

M310机型主控室空调系统为定风量一次回风的全空气系统，空调系统配置及控制原理简图见图1。

1.2 空调系统控制模式

空调系统控制调节模式有4种，见表1。各控制模式工作过程如下。

1) 高温高湿。

该工况时，盘管冷水调节阀优先用于调节温度，当温度t<23 ℃时再判断湿度：

图1 M310机型控制室空调系统配置及控制原理简图

表1 空调系统控制模式

若相对湿度φ>49%，冷水调节阀转为调节湿度至设定值(目标值45%)，过程中若温度t<19 ℃时由电加热器升温(目标值22 ℃)；

若相对湿度φ<41%，冷水调节阀仍用于调节温度，加湿器加湿。

2) 高温低湿。

冷水调节阀起降温的调节作用，加湿器加湿。

3) 低温高湿。

冷水调节阀起除湿的调节作用，加热器升温。

4) 低温低湿。

冷水调节阀关闭，加湿器加湿，加热器升温。

1.3 主控室内过冷原因分析

1.3.1系统设计输入原因

首先，M310机型主控室空调系统设计采用了不利于人员舒适度的环境参数，主控室内设计参数见表2。

表2 主控室内设计参数

从表2可以看出，夏季工况下，主控室内温度维持在19 ℃，满足设计要求，但此时人并不舒适。因为设计参数范围较大，未完全考虑人员需求。人员长期停留区域舒适性空调室内设计参数见表3[1]。

其次，上游专业提供的设备散热量与实际运行散热量偏差较大，导致主控室内设计送风量远远大于所需送风量，从而导致房间温度低。

1.3.2系统配置原因

表3 长期停留区域舒适性空调室内设计参数

从系统配置看，温度传感器和相对湿度传感器安装在回风总管上，其测量值为回风空气状态参数，不能正确反映主控室内的环境条件。该设置可能会出现如下情况：来自主控室辅助房间温度高(如26 ℃)的空气与来自主控室房间温度低(如19 ℃)的空气混合后回风总管内空气温度高于设定值，处于高温工况，冷水调节阀会继续开大，导致送风温度更低，最终导致主控室房间温度低。

电加热器设置在总送风管道上，适用于系统服务的各房间设计温湿度相近、室内散热负荷稳定且变化趋势相同的情况；对于室内散热负荷不稳定、变化趋势相反的场所，该配置无法做到负荷精准补偿。

1.3.3系统控制原因

空调系统控制采用了温度优先相对湿度的控制逻辑，且二者控制相互依赖，控制逻辑过于复杂。该控制逻辑可能会导致冷却盘管调节水阀门全开、下游电加热器全功率运行也无法到达设计要求。运行经验反馈也证明，当主控室内温度很低时，空调系统送风温度并没有提高，反而始终是最低送风温度，冷水调节阀也始终处于全开状态。

2 改进主控室空调系统配置及控制方案

针对M310机型主控室空调系统出现的问题，空调系统优化后的配置及控制方案如图2所示。

图2 优化后主控室空调系统配置及控制原理简图

2.1 空调系统配置优化

1) 因主控室为空调系统主要服务对象，为准确反映主控室内的温湿度，将温度传感器MT2和相对湿度传感器MZ设置在主控室内。

2) 为准确了解系统送风状态参数，在风机下游增设温度传感器MT1。

3) 为使系统设计标准化，将一级电加热器设置在新风口，对新风进行加热，以维持系统的送风温度；为在主控室房间温湿度偏离设计值时直接对主控室温湿度进行补偿，将二级电加热器设置在主控室的送风管道上。

2.2 空调系统控制方案优化

系统控制原理见图2，主要控制策略简化，描述如下：

1) 定系统送风温度的闭环控制。主控室内的电仪设备散热量较大，其他辅助房间位于内区且周围房间温度高，在冬、夏季工况下都需要对服务区域供冷，所以以夏季工况确定适当的系统送风温度和风量，且冬季与夏季相同；用该设计参数对冬季工况下各房间的温度进行校核计算，对不满足设计温度要求的房间进行送风量调节或设置房间电加热器进行负荷补偿。

在冷却模式下，送风温度传感器MT1为冷水调节阀发出控制信号，将送风温度控制在设定范围内；同样，在加热模式下，送风温度传感器MT1也为电加热器提供控制信号，将送风温度控制在设定范围内。

2) 定主控室房间温度的闭环控制。为防止主控室内电仪设备散热或者围护结构传热变化大导致房间温度过低，主控室内单独设置温度传感器MT2，以准确体现主控室房间温度，MT2测量主控室房间温度并为送风管道上的电加热器提供控制信号，无论在冬季或者夏季工况，始终将主控室温度控制在设定范围内。

3) 主控室内设相对湿度仪表，仅对加湿器发出控制信号，在冬季工况下，将主控室内相对湿度控制在设定范围内。

3 温湿度控制措施及系统调节能力

3.1 防低温控制措施

为保证在工艺设备散热负荷与设计工况散热负荷出现偏差时，主控室房间温度仍然可以维持在设计要求的范围内，即补偿室内散热或者围护结构传热量的减少，对室内温度进行再次校正，在主控室的送风管道上安装电加热器，对主控室房间温度进行精确控制。为保证二级电加热器有足够的补偿能力，加热器选型考虑了如下不利工况：

1) 冬季房间设备散热量减少。

保守设计，在冬季工况下，即便房间内设备散热量仅为设计工况下散热量的30%、围护结构处于最大失热时，电加热器选择功率仍然可以维持主控室内温度22 ℃。

根据空气热平衡公式[2]可计算得到二级电加热器功率。

2) 夏季房间热负荷减少。

为防止夏季工况下因工艺设备散热量未达到设计工况下的散热量而送风量和送风温度不变导致主控室房间出现低温的情况，二级电加热器将会投入运行，以维持主控室环境条件。保守设计，即便主控室内设备散热量为设计工况下散热量的30%、通过围护结构得热为0，二级电加热器仍然能维持主控室温度在22 ℃。

综上且考虑一定不确定度和余量，确定主控室二级电加热器功率。

3.2 主控室相对湿度控制

通过校核计算主控室内含湿量，在冷却模式下，只要保证主控室内房间最低温度在22 ℃，相对湿度将不会超过60%。如上分析，主控室内不会出现低温高湿的情况。

3.3 系统调节能力

主控室空调系统在设计阶段就考虑了在不同工况下的适应和调节能力：在室外环境条件变化(通过新风温度和围护结构传热量体现)和室内设备运行散热变化(室内散热变化范围为30%～100%)时，仍然可以确保主控室温湿度在设计范围内。

4 结论及建议

1) 通过对主控室空调系统进行配置优化、设备选型、温湿度控制等进行多方面设计，具备有效防止主控室低温高湿的条件。

2) 改进后的主控室空调系统设计采取了多种手段防止主控室低温，即使在后期的运行阶段也可以对主控室的环境条件进行调节处理，可满足工艺设备及人员舒适性对环境的要求。

3) 改进后的主控室空调系统设计配置及措施能在系统运行工况与设计工况存在较大偏差时满足主控室环境设计要求，且具有较强的纠错能力，尤其对主控室内温湿度进行二次调节能有效防止主控室夏季温度过低的情况。

4) 在系统设计初期，建议精细化设计输入以便达到精细化系统设计和控制。考虑设备环境需求时，也应考虑人的需求，如对主控室环境条件分冬季、夏季工况且考虑人员舒适度提出，具体要求参见文献[3]。

5) 改进后的主控室空调系统配置和控制方案成熟，可供相关项目参考。