蔡喜波，姚如生

（廣東吉榮空調(diào)有限公司，廣東揭陽(yáng) 515527）

0 前言

華龍一號(hào)是我國(guó)目前最新的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，其中一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)就是抗震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)從二代加核電廠的0.2g提升至0.3g，即抗震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提高50%，目前CPR1000、EPR核電站使用的DVC核級(jí)空氣處理機(jī)均無(wú)法滿足要求，需要一種抗震能力特別強(qiáng)的核級(jí)空氣處理機(jī)，以滿足華龍一號(hào)核電站的使用要求。

1 安全分級(jí)

通風(fēng)系統(tǒng)安全相關(guān)的功能包括如下：

1）通風(fēng)系統(tǒng)起放射性包容作用的機(jī)械設(shè)備，對(duì)于這些設(shè)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(xiàng)運(yùn)行環(huán)境。

因此，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計(jì)同樣基于其功能分類和設(shè)計(jì)預(yù)防措施進(jìn)行分級(jí)：

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

華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)屬于F-SC2級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備，即機(jī)械設(shè)備安全級(jí)為L(zhǎng)S級(jí)，電氣設(shè)備安全級(jí)為1E級(jí)。

2 抗震要求

華龍一號(hào)核電廠的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震水平加速度為0.3g?？拐饤l件參考相應(yīng)的設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜，并按照相關(guān)廠房的機(jī)組安裝層高。事故運(yùn)行條件包括LOCA事故及安全停堆地震（SSE），核級(jí)空氣處理機(jī)組保證事故時(shí)及事故后的可運(yùn)行性。

華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)為抗震I類[2]，即應(yīng)能承受SL-2和SL-1地震動(dòng)荷載，并保證在地震發(fā)生時(shí)和（或）地震后能履行安全功能。

3 華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

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

華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)在順氣流方向，包括進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，以及箱體內(nèi)部依次設(shè)有初效過(guò)濾器、過(guò)濾器排架、高中效過(guò)濾器、表冷器、電加熱器、電加濕器、送風(fēng)裝置、軟連接、止回閥，具體功能段詳見(jiàn)附圖1。

圖1 華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)功能段示意圖

DCL核級(jí)空氣處理機(jī)的主要性能參數(shù)如下：

安全等級(jí)：LS（機(jī)械設(shè)備）、1E（電氣設(shè)備）；

抗震類別：1F（非能動(dòng)部件）、1A能動(dòng)部件；

質(zhì)保等級(jí)：Q2；清潔等級(jí)：C級(jí)；

機(jī)組型號(hào)：DCLZK40；風(fēng)量：40 000 m3/h

機(jī)外靜壓：850Pa；箱體設(shè)計(jì)壓力：3 000 Pa；表冷器設(shè)計(jì)壓力：1.6MPa。

機(jī)組采用如下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：《核空氣和氣體處理規(guī)范設(shè)計(jì)和制造通用要求》（NB/T 20038）、《組合式空調(diào)機(jī)組》（GB/T 14294）。

3.1 過(guò)濾段

華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)的過(guò)濾段包括初效過(guò)濾器、過(guò)濾器排架、高中效過(guò)濾器。過(guò)濾器均為核級(jí)耐輻照過(guò)濾器，在累計(jì)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(guò)濾器和高中效過(guò)濾器共用一個(gè)過(guò)濾器排架，分別安裝在排架的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，共用過(guò)濾器排架可減少機(jī)組長(zhǎng)度，節(jié)約安裝空間。

過(guò)濾器排架為抗震型設(shè)計(jì)，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(guò)濾器，可減少甚至杜絕輻射，便于維護(hù)、安全可靠。過(guò)濾器排架上有取壓孔，可分別測(cè)量初效過(guò)濾器和高中效過(guò)濾器的阻力。

3.2 表冷段

大風(fēng)量的空氣處理機(jī)，由于風(fēng)速過(guò)高或者風(fēng)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(shí)表冷器的清洗也變得困難。為解決這個(gè)問(wèn)題，華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)的表冷器經(jīng)嚴(yán)格控制迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)，配合前面兩級(jí)過(guò)濾器的均風(fēng)作用，無(wú)需加裝擋水板，便于表冷器的清洗，同時(shí)減少機(jī)組的阻力，降低能耗。常規(guī)空氣處理機(jī)的表冷器一般放置在水盤上，不利于抗震，華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)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(cè)抽式設(shè)計(jì)，在必要時(shí)可通過(guò)拆除箱體側(cè)面板，從側(cè)面抽出進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

表冷器下部配有干式側(cè)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(cè)面板，水盤就可以從側(cè)面抽出，方便對(duì)水盤進(jìn)行清洗。干式水盤采用大斜坡設(shè)計(jì)，且坡向氣流方向，有利于排干積水，避免滋生細(xì)菌。

表冷器另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為翅片采用一體式雙垂直雙波紋翅片，整體強(qiáng)度遠(yuǎn)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(méi)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(jié)水快速流入水盤，降低“飛水”風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(zhì)之間焊接質(zhì)量難保證的問(wèn)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(wèn)題，表冷器的進(jìn)出水管分別在最下和最上端，有利于停機(jī)時(shí)排干積水和開(kāi)始運(yùn)行時(shí)放氣。

3.3 加熱加濕裝置

3.3.1 核級(jí)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(jié)構(gòu)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(cè)板上，特殊設(shè)計(jì)的固定裝置使加濕器滿足抗震的要求，壁掛在箱體側(cè)面，節(jié)省安裝空間。

3.4 送風(fēng)裝置

送風(fēng)裝置包括核級(jí)雙進(jìn)口離心風(fēng)機(jī)、核電站用低壓三相異步電動(dòng)機(jī)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高阻尼柔性減震器、整體式臺(tái)座和抗震限位裝置。

核級(jí)雙進(jìn)口離心風(fēng)機(jī)為核安全級(jí)LS；電機(jī)為1E級(jí)；抗震類別為1A。風(fēng)機(jī)滿足所處的環(huán)境要求，所用材料和環(huán)境條件相適應(yīng)，符合ANSI/ASME AG-1中有關(guān)材料的要求。風(fēng)機(jī)的潤(rùn)滑油(脂)、密封圈(墊)、油漆、電纜等均進(jìn)行耐輻照試驗(yàn)或有耐輻照試驗(yàn)報(bào)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(dòng)機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際要求調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，皮帶和帶輪配防護(hù)罩，確保安全性。送風(fēng)裝置配備高阻尼柔性減震器，可承受多個(gè)方向的應(yīng)力，抗震性能優(yōu)越。

送風(fēng)裝置其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是采用抗震限位裝置，當(dāng)?shù)卣鸪^(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)時(shí)，仍可保證風(fēng)機(jī)不會(huì)傾倒而造成事故，極大地提高設(shè)備的抗震性能。

送風(fēng)機(jī)出口配核級(jí)止回閥，止回閥安裝在空調(diào)箱內(nèi)，節(jié)省空間。止回閥符合ANSI/ASME AG-1中有關(guān)材料的要求，止回閥和支撐件均應(yīng)在所要求的樓面反應(yīng)譜條件下均能保持它們結(jié)構(gòu)完整性及地震后止回閥的良好運(yùn)行性能。

3.5 箱體結(jié)構(gòu)

箱體底座采用整體焊接、整體發(fā)泡結(jié)構(gòu)，其設(shè)置有型鋼、下底板、上底板及裝設(shè)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(jī)械強(qiáng)度、防冷橋效果和密封性能；箱體底座的人行區(qū)域，設(shè)置有整體式防護(hù)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(diǎn)鎖緊的功能，方便開(kāi)啟關(guān)閉的同時(shí)，提高箱體的密封性能，降低漏風(fēng)率，減低能效；所有檢修門配備觀察窗，方便運(yùn)行維護(hù)；外轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，密封性能好，機(jī)組外表美觀。

為滿足核電站特殊環(huán)境的要求，核級(jí)空氣處理機(jī)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(guò)濾器框架、水盤等采用316L不銹鋼，其他采用黑金屬的構(gòu)件采用噴砂陶化處理，再用耐輻照復(fù)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(shù)

機(jī)組使用風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)、電加熱器分組控制技術(shù)、檢修燈集中控制技術(shù)，節(jié)能措施多樣化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組節(jié)能運(yùn)行。

4 核級(jí)空氣處理機(jī)鑒定

4.1 鑒定方法

鑒定方法可采用分析法、試驗(yàn)法或者兩者的結(jié)合[3]。目前國(guó)內(nèi)普遍采用抗震分析或風(fēng)機(jī)段抗震試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證抗震能力；本項(xiàng)目華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)采用更全面更有說(shuō)服力的方法來(lái)驗(yàn)證抗震能力，即不但采用整機(jī)抗震力學(xué)分析計(jì)算，而且采用整機(jī)上抗震臺(tái)進(jìn)行抗震鑒定試驗(yàn)。

華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)采用的反應(yīng)譜[4]詳見(jiàn)表1。OBE試驗(yàn)輸入要求反應(yīng)譜（RRS）取表1中阻尼比為0.02對(duì)應(yīng)譜值的一半，SSE試驗(yàn)取表1中阻尼比為0.04對(duì)應(yīng)譜值。

表1 華龍一號(hào)核島廠房樓層反應(yīng)譜

4.2 抗震分析與評(píng)定

抗震分析[5]與評(píng)定采用ANSYS程序，采用譜分析方法，對(duì)華龍一號(hào)DCL核級(jí)空氣處理機(jī)進(jìn)行了抗震分析，并根據(jù)ASME AG-1、RCC-M 2007及NB/T 20038-2011對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力了評(píng)定。

力學(xué)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(jī)組框架和部件的有限元模型圖見(jiàn)圖2。

評(píng)定結(jié)果證明設(shè)備框架和設(shè)備部件、支撐、緊固件的應(yīng)力均滿足規(guī)范的要求，華龍一號(hào)DCL核級(jí)空氣處理機(jī)滿足抗震的要求。

圖2 機(jī)組框架和部件的有限元模型圖

4.3 抗震試驗(yàn)

抗震試驗(yàn)[6]目的是考核核級(jí)空氣處理機(jī)的剛度、強(qiáng)度以及設(shè)備在地震荷載作用時(shí)和作用后的性能指標(biāo)，以驗(yàn)證其在規(guī)定的地震載荷作用下及作用后的結(jié)構(gòu)完整性和功能完好性。

抗震試驗(yàn)在中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院6 m×6 m大型高性能地震模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該地震臺(tái)是國(guó)外成套引進(jìn)設(shè)備，通過(guò)了國(guó)家核安全局組織專家驗(yàn)收，其性能滿足核級(jí)設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)要求。

華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)采用采用整機(jī)上抗震臺(tái)進(jìn)行抗震鑒定試驗(yàn)，抗震試驗(yàn)安裝示意圖詳見(jiàn)圖3。

圖3 華龍一號(hào)核級(jí)空氣處理機(jī)抗震試驗(yàn)安裝示意圖

4.3.1 動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)

在DCL核級(jí)空氣處理機(jī)樣機(jī)的三個(gè)正交軸向輸入加速度幅值不大于0.2 g的白噪聲進(jìn)行激振，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為120 s，測(cè)量設(shè)備的基階固有頻率和阻尼比。

4.3.2 OBE地震試驗(yàn)

采用人工模擬加速度時(shí)程作為輸入波完成5次OBE試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間為30 s。OBE地震試驗(yàn)前啟動(dòng)機(jī)組，輸入地震載荷進(jìn)行地震試驗(yàn)，試驗(yàn)中機(jī)組保持運(yùn)行狀態(tài)，OBE地震試驗(yàn)完成后停止機(jī)組。

4.3.3 SSE地震試驗(yàn)

5次OBE地震試驗(yàn)完成后，采用人工模擬加速度時(shí)程作為輸入波完成1次SSE試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為30 s。SSE地震試驗(yàn)前啟動(dòng)機(jī)組，然后開(kāi)始地震試驗(yàn)，SSE試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組保持運(yùn)行狀態(tài)，地震試驗(yàn)完成后停止機(jī)組。

在經(jīng)歷5次OBE試驗(yàn)、1次SSE試驗(yàn)后，被試機(jī)組結(jié)構(gòu)的完整性好，結(jié)構(gòu)連接件無(wú)松動(dòng)脫落、無(wú)裂紋和變形。被試驗(yàn)機(jī)組在抗震試驗(yàn)中和試驗(yàn)后能正常運(yùn)行。在國(guó)家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室在抗震試驗(yàn)前后對(duì)機(jī)組進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明抗震試驗(yàn)前、后，機(jī)組的風(fēng)量、風(fēng)壓、盤管耐壓等性能一致。機(jī)組滿足《華龍一號(hào)DCL核級(jí)空氣處理機(jī)樣機(jī)抗震鑒定試驗(yàn)大綱》的要求，機(jī)組通過(guò)抗震鑒定試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

華龍一號(hào)是我國(guó)繼高鐵之后的又一張“國(guó)家名片”，華龍一號(hào)DCL核級(jí)空氣處理機(jī)是華龍一號(hào)核電站重要的暖通設(shè)備，為驗(yàn)證設(shè)備抗震能力，采用抗震分析與評(píng)定和整機(jī)上抗震臺(tái)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，這也是目前最嚴(yán)苛、最有說(shuō)服力的鑒定方法。通過(guò)抗震分析與評(píng)定和抗震試驗(yàn)，證明華龍一號(hào)DCL核級(jí)空氣處理機(jī)滿足華龍一號(hào)核電站的使用要求。關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)也可為國(guó)內(nèi)外同行的研究提供參考。