华龙一号DCL核级空气处理机关键技术和研发

蔡喜波，姚如生

（广东吉荣空调有限公司，广东揭阳 515527）

0 前言

华龙一号是我国目前最新的具有完全自主知识产权的第三代核电技术，其中一个关键的技术点就是抗震设计基准从二代加核电厂的0.2g提升至0.3g，即抗震设计基准提高50%，目前CPR1000、EPR核电站使用的DVC核级空气处理机均无法满足要求，需要一种抗震能力特别强的核级空气处理机，以满足华龙一号核电站的使用要求。

1 安全分级

通风系统安全相关的功能包括如下：

1）通风系统起放射性包容作用的机械设备，对于这些设备，主要是考虑了正常工况和事故工况下的放射性控制排放功能；

（2）事故工况下保证执行安全功能的物项运行环境。

因此，通风系统的设备设计同样基于其功能分类和设计预防措施进行分级：

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

华龙一号核级空气处理机属于F-SC2级通风系统和设备，即机械设备安全级为LS级，电气设备安全级为1E级。

2 抗震要求

华龙一号核电厂的设计基准地震水平加速度为0.3g。抗震条件参考相应的设计楼层反应谱，并按照相关厂房的机组安装层高。事故运行条件包括LOCA事故及安全停堆地震（SSE），核级空气处理机组保证事故时及事故后的可运行性。

华龙一号核级空气处理机为抗震I类[2]，即应能承受SL-2和SL-1地震动荷载，并保证在地震发生时和（或）地震后能履行安全功能。

3 华龙一号核级空气处理机关键技术

针对EPR、CPR1000核电站使用的核级空气处理机无法满足华龙一号核电站的要求。华龙一号核电站需要一种抗震能力强、性能优越、耐辐照、耐腐蚀、密封性好、便于维护、安全可靠、使用寿命长的核级空气处理机。

华龙一号核级空气处理机在顺气流方向，包括进风口和出风口，以及箱体内部依次设有初效过滤器、过滤器排架、高中效过滤器、表冷器、电加热器、电加湿器、送风装置、软连接、止回阀，具体功能段详见附图1。

图1 华龙一号核级空气处理机功能段示意图

DCL核级空气处理机的主要性能参数如下：

安全等级：LS（机械设备）、1E（电气设备）；

抗震类别：1F（非能动部件）、1A能动部件；

质保等级：Q2；清洁等级：C级；

机组型号：DCLZK40；风量：40 000 m3/h

机外静压：850Pa；箱体设计压力：3 000 Pa；表冷器设计压力：1.6MPa。

机组采用如下设计标准和规范：《核空气和气体处理规范设计和制造通用要求》（NB/T 20038）、《组合式空调机组》（GB/T 14294）。

3.1 过滤段

华龙一号核级空气处理机的过滤段包括初效过滤器、过滤器排架、高中效过滤器。过滤器均为核级耐辐照过滤器，在累计剂量下(最低为8×105Gy)，材料仍能保持其性能，以保证其耐辐照性能。

初效过滤器和高中效过滤器共用一个过滤器排架，分别安装在排架的迎风面和背风面，共用过滤器排架可减少机组长度，节约安装空间。

过滤器排架为抗震型设计，包括排架、压紧固定装置等。专用的压紧固定装置方便维修人员更换过滤器，可减少甚至杜绝辐射，便于维护、安全可靠。过滤器排架上有取压孔，可分别测量初效过滤器和高中效过滤器的阻力。

3.2 表冷段

大风量的空气处理机，由于风速过高或者风速不均匀，一般需要配挡水板，但加装挡水板之后，阻力增加，能耗也随之增加，同时表冷器的清洗也变得困难。为解决这个问题，华龙一号核级空气处理机的表冷器经严格控制迎面风速设计，配合前面两级过滤器的均风作用，无需加装挡水板，便于表冷器的清洗，同时减少机组的阻力，降低能耗。常规空气处理机的表冷器一般放置在水盘上，不利于抗震，华龙一号核级空气处理机的表冷器直接固定在箱体框架上，抗震性能大大提高；表冷器为侧抽式设计，在必要时可通过拆除箱体侧面板，从侧面抽出进行维护保养。

表冷器下部配有干式侧抽式水盘，表冷器与水盘不直接接触，不用拆装表冷器的情况下，只需拆除箱体的侧面板，水盘就可以从侧面抽出，方便对水盘进行清洗。干式水盘采用大斜坡设计，且坡向气流方向，有利于排干积水，避免滋生细菌。

表冷器另外一个关键技术为翅片采用一体式双垂直双波纹翅片，整体强度远优于常规拼接式翅片表冷器。一体式翅片采用整体加工成型，没有拼接缝，可以减少接缝处的接触热阻，提高换热性能。另外，一体式翅片便于翅片表面的凝结水快速流入水盘，降低“飞水”风险并减少空气阻力。表冷器竖直方向的波纹翅片与水流方向（横向的叠片方向）垂直，两者又同时与气流方向垂直，翅片在竖直方向和横向均有波纹，气流在翅片表面形成紊流，提高换热效率。

为解决不同材质之间焊接质量难保证的问题，表冷器的铜分流管和不锈钢集管之间增加不锈钢套管。

为解决排水放气问题，表冷器的进出水管分别在最下和最上端，有利于停机时排干积水和开始运行时放气。

3.3 加热加湿装置

3.3.1 核级电加热器

电加热器由外壳、横梁、密封性端子盒、端子盒支撑及电加热元件组成。外壳、横梁、端子盒支撑采用厚钢板，采用焊接结构以保证抗震性能；电加热元件固定在外壳和横梁上。

3.3.2 加湿器

加湿器壁挂在箱体侧板上，特殊设计的固定装置使加湿器满足抗震的要求，壁挂在箱体侧面，节省安装空间。

3.4 送风装置

送风装置包括核级双进口离心风机、核电站用低压三相异步电动机、皮带传动机构、高阻尼柔性减震器、整体式台座和抗震限位装置。

核级双进口离心风机为核安全级LS；电机为1E级；抗震类别为1A。风机满足所处的环境要求，所用材料和环境条件相适应，符合ANSI/ASME AG-1中有关材料的要求。风机的润滑油(脂)、密封圈(垫)、油漆、电缆等均进行耐辐照试验或有耐辐照试验报告，确保在规定的累积剂量下，材料仍能保证其功能。

皮带传动机构可根据实际要求调节风机转速，皮带和带轮配防护罩，确保安全性。送风装置配备高阻尼柔性减震器，可承受多个方向的应力，抗震性能优越。

送风装置其中一个关键技术是采用抗震限位装置，当地震超过设计基准时，仍可保证风机不会倾倒而造成事故，极大地提高设备的抗震性能。

送风机出口配核级止回阀，止回阀安装在空调箱内，节省空间。止回阀符合ANSI/ASME AG-1中有关材料的要求，止回阀和支撑件均应在所要求的楼面反应谱条件下均能保持它们结构完整性及地震后止回阀的良好运行性能。

3.5 箱体结构

箱体底座采用整体焊接、整体发泡结构，其设置有型钢、下底板、上底板及装设于下底板与上底板之间的高密度聚胺脂发泡料，具有良好的机械强度、防冷桥效果和密封性能；箱体底座的人行区域，设置有整体式防护垫板，带有防滑花纹，安全性能高。

箱体检修门采用连杆式单把手，具有多点锁紧的功能，方便开启关闭的同时，提高箱体的密封性能，降低漏风率，减低能效；所有检修门配备观察窗，方便运行维护；外转角设计，密封性能好，机组外表美观。

为满足核电站特殊环境的要求，核级空气处理机组的表冷器采用厚壁铜管和铜片，重要部件如换热器框架、过滤器框架、水盘等采用316L不锈钢，其他采用黑金属的构件采用喷砂陶化处理，再用耐辐照复合涂层表面喷涂，以满足核电站60年以上的使用要求。

3.6 节能技术

机组使用风机变频技术、电加热器分组控制技术、检修灯集中控制技术，节能措施多样化，实现机组节能运行。

4 核级空气处理机鉴定

4.1 鉴定方法

鉴定方法可采用分析法、试验法或者两者的结合[3]。目前国内普遍采用抗震分析或风机段抗震试验的方法来验证抗震能力；本项目华龙一号核级空气处理机采用更全面更有说服力的方法来验证抗震能力，即不但采用整机抗震力学分析计算，而且采用整机上抗震台进行抗震鉴定试验。

华龙一号核级空气处理机采用的反应谱[4]详见表1。OBE试验输入要求反应谱（RRS）取表1中阻尼比为0.02对应谱值的一半，SSE试验取表1中阻尼比为0.04对应谱值。

表1 华龙一号核岛厂房楼层反应谱

4.2 抗震分析与评定

抗震分析[5]与评定采用ANSYS程序，采用谱分析方法，对华龙一号DCL核级空气处理机进行了抗震分析，并根据ASME AG-1、RCC-M 2007及NB/T 20038-2011对计算结果进行应力了评定。

力学模型采用ANSYS程序的板壳单元（SHELL63）和管单元（PIPE16、PIPE18）建立有限元模型，机组框架和部件的有限元模型图见图2。

评定结果证明设备框架和设备部件、支撑、紧固件的应力均满足规范的要求，华龙一号DCL核级空气处理机满足抗震的要求。

图2 机组框架和部件的有限元模型图

4.3 抗震试验

抗震试验[6]目的是考核核级空气处理机的刚度、强度以及设备在地震荷载作用时和作用后的性能指标，以验证其在规定的地震载荷作用下及作用后的结构完整性和功能完好性。

抗震试验在中国核动力研究设计院6 m×6 m大型高性能地震模拟试验台上进行。该地震台是国外成套引进设备，通过了国家核安全局组织专家验收，其性能满足核级设备抗震鉴定试验要求。

华龙一号核级空气处理机采用采用整机上抗震台进行抗震鉴定试验，抗震试验安装示意图详见图3。

图3 华龙一号核级空气处理机抗震试验安装示意图

4.3.1 动态特性探查试验

在DCL核级空气处理机样机的三个正交轴向输入加速度幅值不大于0.2 g的白噪声进行激振，振动持续时间为120 s，测量设备的基阶固有频率和阻尼比。

4.3.2 OBE地震试验

采用人工模拟加速度时程作为输入波完成5次OBE试验，每次试验时间为30 s。OBE地震试验前启动机组，输入地震载荷进行地震试验，试验中机组保持运行状态，OBE地震试验完成后停止机组。

4.3.3 SSE地震试验

5次OBE地震试验完成后，采用人工模拟加速度时程作为输入波完成1次SSE试验，试验时间为30 s。SSE地震试验前启动机组，然后开始地震试验，SSE试验过程中机组保持运行状态，地震试验完成后停止机组。

在经历5次OBE试验、1次SSE试验后，被试机组结构的完整性好，结构连接件无松动脱落、无裂纹和变形。被试验机组在抗震试验中和试验后能正常运行。在国家压缩机制冷设备质量监督检验中心认可的实验室在抗震试验前后对机组进行性能试验，结果表明抗震试验前、后，机组的风量、风压、盘管耐压等性能一致。机组满足《华龙一号DCL核级空气处理机样机抗震鉴定试验大纲》的要求，机组通过抗震鉴定试验。

5 结语

华龙一号是我国继高铁之后的又一张“国家名片”，华龙一号DCL核级空气处理机是华龙一号核电站重要的暖通设备，为验证设备抗震能力，采用抗震分析与评定和整机上抗震台试验相结合的方法，这也是目前最严苛、最有说服力的鉴定方法。通过抗震分析与评定和抗震试验，证明华龙一号DCL核级空气处理机满足华龙一号核电站的使用要求。关键技术的研发也可为国内外同行的研究提供参考。