華龍一號DCL核級空氣處理機關鍵技術和研發(fā)

蔡喜波，姚如生

（廣東吉榮空調有限公司，廣東揭陽 515527）

0 前言

華龍一號是我國目前最新的具有完全自主知識產權的第三代核電技術，其中一個關鍵的技術點就是抗震設計基準從二代加核電廠的0.2g提升至0.3g，即抗震設計基準提高50%，目前CPR1000、EPR核電站使用的DVC核級空氣處理機均無法滿足要求，需要一種抗震能力特別強的核級空氣處理機，以滿足華龍一號核電站的使用要求。

1 安全分級

通風系統(tǒng)安全相關的功能包括如下：

1）通風系統(tǒng)起放射性包容作用的機械設備，對于這些設備，主要是考慮了正常工況和事故工況下的放射性控制排放功能；

（2）事故工況下保證執(zhí)行安全功能的物項運行環(huán)境。

因此，通風系統(tǒng)的設備設計同樣基于其功能分類和設計預防措施進行分級：

安全分級：F-SC1、F-SC2、F-SC3、B-SC2、B-SC3和Z-SC3。

華龍一號核級空氣處理機屬于F-SC2級通風系統(tǒng)和設備，即機械設備安全級為LS級，電氣設備安全級為1E級。

2 抗震要求

華龍一號核電廠的設計基準地震水平加速度為0.3g?？拐饤l件參考相應的設計樓層反應譜，并按照相關廠房的機組安裝層高。事故運行條件包括LOCA事故及安全停堆地震（SSE），核級空氣處理機組保證事故時及事故后的可運行性。

華龍一號核級空氣處理機為抗震I類[2]，即應能承受SL-2和SL-1地震動荷載，并保證在地震發(fā)生時和（或）地震后能履行安全功能。

3 華龍一號核級空氣處理機關鍵技術

針對EPR、CPR1000核電站使用的核級空氣處理機無法滿足華龍一號核電站的要求。華龍一號核電站需要一種抗震能力強、性能優(yōu)越、耐輻照、耐腐蝕、密封性好、便于維護、安全可靠、使用壽命長的核級空氣處理機。

華龍一號核級空氣處理機在順氣流方向，包括進風口和出風口，以及箱體內部依次設有初效過濾器、過濾器排架、高中效過濾器、表冷器、電加熱器、電加濕器、送風裝置、軟連接、止回閥，具體功能段詳見附圖1。

圖1 華龍一號核級空氣處理機功能段示意圖

DCL核級空氣處理機的主要性能參數如下：

安全等級：LS（機械設備）、1E（電氣設備）；

抗震類別：1F（非能動部件）、1A能動部件；

質保等級：Q2；清潔等級：C級；

機組型號：DCLZK40；風量：40 000 m3/h

機外靜壓：850Pa；箱體設計壓力：3 000 Pa；表冷器設計壓力：1.6MPa。

機組采用如下設計標準和規(guī)范：《核空氣和氣體處理規(guī)范設計和制造通用要求》（NB/T 20038）、《組合式空調機組》（GB/T 14294）。

3.1 過濾段

華龍一號核級空氣處理機的過濾段包括初效過濾器、過濾器排架、高中效過濾器。過濾器均為核級耐輻照過濾器，在累計劑量下(最低為8×105Gy)，材料仍能保持其性能，以保證其耐輻照性能。

初效過濾器和高中效過濾器共用一個過濾器排架，分別安裝在排架的迎風面和背風面，共用過濾器排架可減少機組長度，節(jié)約安裝空間。

過濾器排架為抗震型設計，包括排架、壓緊固定裝置等。專用的壓緊固定裝置方便維修人員更換過濾器，可減少甚至杜絕輻射，便于維護、安全可靠。過濾器排架上有取壓孔，可分別測量初效過濾器和高中效過濾器的阻力。

3.2 表冷段

大風量的空氣處理機，由于風速過高或者風速不均勻，一般需要配擋水板，但加裝擋水板之后，阻力增加，能耗也隨之增加，同時表冷器的清洗也變得困難。為解決這個問題，華龍一號核級空氣處理機的表冷器經嚴格控制迎面風速設計，配合前面兩級過濾器的均風作用，無需加裝擋水板，便于表冷器的清洗，同時減少機組的阻力，降低能耗。常規(guī)空氣處理機的表冷器一般放置在水盤上，不利于抗震，華龍一號核級空氣處理機的表冷器直接固定在箱體框架上，抗震性能大大提高；表冷器為側抽式設計，在必要時可通過拆除箱體側面板，從側面抽出進行維護保養(yǎng)。

表冷器下部配有干式側抽式水盤，表冷器與水盤不直接接觸，不用拆裝表冷器的情況下，只需拆除箱體的側面板，水盤就可以從側面抽出，方便對水盤進行清洗。干式水盤采用大斜坡設計，且坡向氣流方向，有利于排干積水，避免滋生細菌。

表冷器另外一個關鍵技術為翅片采用一體式雙垂直雙波紋翅片，整體強度遠優(yōu)于常規(guī)拼接式翅片表冷器。一體式翅片采用整體加工成型，沒有拼接縫，可以減少接縫處的接觸熱阻，提高換熱性能。另外，一體式翅片便于翅片表面的凝結水快速流入水盤，降低“飛水”風險并減少空氣阻力。表冷器豎直方向的波紋翅片與水流方向（橫向的疊片方向）垂直，兩者又同時與氣流方向垂直，翅片在豎直方向和橫向均有波紋，氣流在翅片表面形成紊流，提高換熱效率。

為解決不同材質之間焊接質量難保證的問題，表冷器的銅分流管和不銹鋼集管之間增加不銹鋼套管。

為解決排水放氣問題，表冷器的進出水管分別在最下和最上端，有利于停機時排干積水和開始運行時放氣。

3.3 加熱加濕裝置

3.3.1 核級電加熱器

電加熱器由外殼、橫梁、密封性端子盒、端子盒支撐及電加熱元件組成。外殼、橫梁、端子盒支撐采用厚鋼板，采用焊接結構以保證抗震性能；電加熱元件固定在外殼和橫梁上。

3.3.2 加濕器

加濕器壁掛在箱體側板上，特殊設計的固定裝置使加濕器滿足抗震的要求，壁掛在箱體側面，節(jié)省安裝空間。

3.4 送風裝置

送風裝置包括核級雙進口離心風機、核電站用低壓三相異步電動機、皮帶傳動機構、高阻尼柔性減震器、整體式臺座和抗震限位裝置。

核級雙進口離心風機為核安全級LS；電機為1E級；抗震類別為1A。風機滿足所處的環(huán)境要求，所用材料和環(huán)境條件相適應，符合ANSI/ASME AG-1中有關材料的要求。風機的潤滑油(脂)、密封圈(墊)、油漆、電纜等均進行耐輻照試驗或有耐輻照試驗報告，確保在規(guī)定的累積劑量下，材料仍能保證其功能。

皮帶傳動機構可根據實際要求調節(jié)風機轉速，皮帶和帶輪配防護罩，確保安全性。送風裝置配備高阻尼柔性減震器，可承受多個方向的應力，抗震性能優(yōu)越。

送風裝置其中一個關鍵技術是采用抗震限位裝置，當地震超過設計基準時，仍可保證風機不會傾倒而造成事故，極大地提高設備的抗震性能。

送風機出口配核級止回閥，止回閥安裝在空調箱內，節(jié)省空間。止回閥符合ANSI/ASME AG-1中有關材料的要求，止回閥和支撐件均應在所要求的樓面反應譜條件下均能保持它們結構完整性及地震后止回閥的良好運行性能。

3.5 箱體結構

箱體底座采用整體焊接、整體發(fā)泡結構，其設置有型鋼、下底板、上底板及裝設于下底板與上底板之間的高密度聚胺脂發(fā)泡料，具有良好的機械強度、防冷橋效果和密封性能；箱體底座的人行區(qū)域，設置有整體式防護墊板，帶有防滑花紋，安全性能高。

箱體檢修門采用連桿式單把手，具有多點鎖緊的功能，方便開啟關閉的同時，提高箱體的密封性能，降低漏風率，減低能效；所有檢修門配備觀察窗，方便運行維護；外轉角設計，密封性能好，機組外表美觀。

為滿足核電站特殊環(huán)境的要求，核級空氣處理機組的表冷器采用厚壁銅管和銅片，重要部件如換熱器框架、過濾器框架、水盤等采用316L不銹鋼，其他采用黑金屬的構件采用噴砂陶化處理，再用耐輻照復合涂層表面噴涂，以滿足核電站60年以上的使用要求。

3.6 節(jié)能技術

機組使用風機變頻技術、電加熱器分組控制技術、檢修燈集中控制技術，節(jié)能措施多樣化，實現(xiàn)機組節(jié)能運行。

4 核級空氣處理機鑒定

4.1 鑒定方法

鑒定方法可采用分析法、試驗法或者兩者的結合[3]。目前國內普遍采用抗震分析或風機段抗震試驗的方法來驗證抗震能力；本項目華龍一號核級空氣處理機采用更全面更有說服力的方法來驗證抗震能力，即不但采用整機抗震力學分析計算，而且采用整機上抗震臺進行抗震鑒定試驗。

華龍一號核級空氣處理機采用的反應譜[4]詳見表1。OBE試驗輸入要求反應譜（RRS）取表1中阻尼比為0.02對應譜值的一半，SSE試驗取表1中阻尼比為0.04對應譜值。

表1 華龍一號核島廠房樓層反應譜

4.2 抗震分析與評定

抗震分析[5]與評定采用ANSYS程序，采用譜分析方法，對華龍一號DCL核級空氣處理機進行了抗震分析，并根據ASME AG-1、RCC-M 2007及NB/T 20038-2011對計算結果進行應力了評定。

力學模型采用ANSYS程序的板殼單元（SHELL63）和管單元（PIPE16、PIPE18）建立有限元模型，機組框架和部件的有限元模型圖見圖2。

評定結果證明設備框架和設備部件、支撐、緊固件的應力均滿足規(guī)范的要求，華龍一號DCL核級空氣處理機滿足抗震的要求。

圖2 機組框架和部件的有限元模型圖

4.3 抗震試驗

抗震試驗[6]目的是考核核級空氣處理機的剛度、強度以及設備在地震荷載作用時和作用后的性能指標，以驗證其在規(guī)定的地震載荷作用下及作用后的結構完整性和功能完好性。

抗震試驗在中國核動力研究設計院6 m×6 m大型高性能地震模擬試驗臺上進行。該地震臺是國外成套引進設備，通過了國家核安全局組織專家驗收，其性能滿足核級設備抗震鑒定試驗要求。

華龍一號核級空氣處理機采用采用整機上抗震臺進行抗震鑒定試驗，抗震試驗安裝示意圖詳見圖3。

圖3 華龍一號核級空氣處理機抗震試驗安裝示意圖

4.3.1 動態(tài)特性探查試驗

在DCL核級空氣處理機樣機的三個正交軸向輸入加速度幅值不大于0.2 g的白噪聲進行激振，振動持續(xù)時間為120 s，測量設備的基階固有頻率和阻尼比。

4.3.2 OBE地震試驗

采用人工模擬加速度時程作為輸入波完成5次OBE試驗，每次試驗時間為30 s。OBE地震試驗前啟動機組，輸入地震載荷進行地震試驗，試驗中機組保持運行狀態(tài)，OBE地震試驗完成后停止機組。

4.3.3 SSE地震試驗

5次OBE地震試驗完成后，采用人工模擬加速度時程作為輸入波完成1次SSE試驗，試驗時間為30 s。SSE地震試驗前啟動機組，然后開始地震試驗，SSE試驗過程中機組保持運行狀態(tài)，地震試驗完成后停止機組。

在經歷5次OBE試驗、1次SSE試驗后，被試機組結構的完整性好，結構連接件無松動脫落、無裂紋和變形。被試驗機組在抗震試驗中和試驗后能正常運行。在國家壓縮機制冷設備質量監(jiān)督檢驗中心認可的實驗室在抗震試驗前后對機組進行性能試驗，結果表明抗震試驗前、后，機組的風量、風壓、盤管耐壓等性能一致。機組滿足《華龍一號DCL核級空氣處理機樣機抗震鑒定試驗大綱》的要求，機組通過抗震鑒定試驗。

5 結語

華龍一號是我國繼高鐵之后的又一張“國家名片”，華龍一號DCL核級空氣處理機是華龍一號核電站重要的暖通設備，為驗證設備抗震能力，采用抗震分析與評定和整機上抗震臺試驗相結合的方法，這也是目前最嚴苛、最有說服力的鑒定方法。通過抗震分析與評定和抗震試驗，證明華龍一號DCL核級空氣處理機滿足華龍一號核電站的使用要求。關鍵技術的研發(fā)也可為國內外同行的研究提供參考。