核電空氣凈化機組工程設計解決方案

發布者:中建南方時間:2017-01-03

導讀

    核電空氣凈化機組工程設計解決方案

   在經歷日本大地震造成嚴重的核污染后,隨之而來的是全球對核電安全建設的大討論,同樣中國在經歷幾年的檢查和討論后再次把建設核電提上日程。目前,由于化石能源的過度消耗,人類正面臨著能源匱乏和環境污染的尷尬境地。在全球應對氣候變化減排CO2的緊迫形勢下,世界出現了能源變革和低碳發展的潮流,強化節能和能源結構低碳化已成為大國能源戰略的共同選擇。

而核電作為一種清潔高效能源,不僅能增加能源供應、優化能源結構,而且在應對氣候變化、實現低碳發展方面有獨特優勢。為此,各國爭相擴大核電新能源的開發和利用領域。我國作為能耗大國,發展核電新能源早已進入國家戰略布局。

然而日本福島核電站事故后,核電站安全問題受到了全世界的關注,并由此引發了一系列的討論,也把核電站應急指揮中心的設計要求提升到了一定高度。核電站的應急指揮中心屬于核電站專設應急響應系統,其中通風空調系統主要承擔以下功能:當核電站事故發生時,確保房間內部的溫濕度滿足設備正常運轉要求,保證現場指揮人員所受的放射性劑量在允許的范圍內。

核電凈化工程方案

應急指揮中心的通風空調系統一般包括兩臺組合式空氣處理機組和一臺空氣凈化機組。當核電站事故不斷擴大時,廠區環境空氣中存在大量放射性物質,此時空氣凈化機組啟動,對室外新風和部分回風進行凈化處理,去除空氣中的放射性氣溶膠及放射性碘,以保證應急指揮中心內的人員可居留性。

核電站應急指揮中心空氣凈化機組的結構設計過程如下。  

1、空氣凈化機組設計條件

核電站應急指揮中心空氣凈化機組的主要功能是“對新鮮空氣進行加熱、過濾及碘吸附,以凈化空氣中放射性氣溶膠(放射性微塵)和放射性碘,并提供氣流通過電加熱器、過濾器和碘吸附器的通道。” 機組的主要性能參數及等級為:額定風量:4800m3/h;制熱量:30KW;安全等級:NC;質量等級:Q3 ;設計規范等級:NA ;清潔度等級:C

2、空氣凈化機組結構設計

ANSI/ASME N509-2002 Nuclear Power Plant Air-Cleaning Units And Components》對空氣凈化機組的功能設計提出了以下總要求:

①如果入口粒子濃度和尺寸可導致高效空氣粒子過濾器過早失效,則在機組中應設置預過濾器,而在其它空氣凈化機組中,僅在希望延長高效空氣粒子過濾器壽命的時候推薦使用預過濾器。

②當入口粒子物質要求過濾效率最低位99.97%時(粒徑等于0.3微米),則在所有空氣凈化裝置中均有求設置高效空氣粒子過濾器。

③當所設計的空氣凈化裝置要求去除碘和碘化合物時,則要求設置碘吸附器。

④當攜帶水滴的濃度在1700m3/h氣流中大于0.45Kg時,則要求設置除霧器。

⑤在氣象參數中有1%(當地)的相對濕度超過7%時,則在有吸附器的空氣凈化機組中宜采用電加熱器。對不受室外氣象條件影響的核空氣凈化設施,當在一次事故會導致氣流的相對濕度高于70%超過1小時時,也宜設置電加熱器。

⑥如在ESF空氣凈化裝置中使用吸附器,則應設置后置過濾器來過濾碳粒子。對于非ESF空氣凈化裝置,如果排氣進入到有人的空間,在這種情況下,空氣中不允許攜帶碳粉,所以也宜考慮設置后置過濾器。

基于上述總體要求,核電站應急指揮中心空氣凈化機組應包括以下功能段:電加熱段、預過濾段、前置高效過濾段、碘吸附段、后置高效過濾段。

3、機組主體功能段設計

3.1電加熱段

電加熱段分為殼體和電加熱器元器件,電加熱器殼體為電加熱器元器件的安裝提供了密閉環境,同時與機組殼體通過法蘭與通風系統和碘吸附機組本體連接。電加熱器元件的主要作用是對流動空氣加熱,降低空氣的相對濕度,保證碘吸附器在要求濕度范圍內工作。

3.2預過濾段

由于系統額定風量為4800m3/h,根據過濾器的國家標準模數(3400 m3/h),預過濾段設置了兩臺預過濾器,用以去除空氣中粒徑在5μm以上的大顆粒微塵,同時有效保護前置高效過濾段。預過濾器的主要性能參數為:規格尺寸:610×610×50㎜ ;額定風量:3400m/h;效率:≥85%(重量法);初阻力:≤50Pa;型號:核凈ZC03;數量:2臺。

3. 3 前置及后置高效過濾段

前置凈化設備高效過濾段的功能主要是去除空氣中粒徑在0.3μm以上的大顆粒微塵,也是整個機組中起凈化作用的重要功能段,通過在此功能段設置兩臺高效過濾器,可使流出的氣流達到99.99%的放射性微塵被凈化的效果。

后置高效過濾段的功能主要是去除空氣從碘吸附器經過時所攜帶的活性碳碳粉或顆粒,以保證從機組流出的空氣徹底凈化,不形成二次污染。理論上講,后置高效過濾段可以設置亞高效過濾器,但為了統一高效過濾器的型號,減少未來采購人員的工作量,并于管理人員管理,后置高效過濾段也設置兩臺高效過濾器,且型號及技術參數與前置高效過濾器相同。高效過濾器器主要性能參數為:

規格尺寸:610×610×292㎜;額定風量:3400m/h;效率:≥99.99%(鈉焰法);初阻力:≤325Pa;型號:核凈VM02;數量:前置、后置2臺。

3.4碘吸附

碘吸附段的主要功能是去除空氣中的放射性碘和碘化合物,起核心作用的元件為碘吸附器。目前,我國正在使用的主要有三種類型的碘吸附器:

①型碘吸附器,其外形尺寸與高效過濾器相同,其處理風量一般為1200 m/h,即1臺額定風量為3400m/h高效過濾器可與3I型碘吸附器匹配。由于此類型碘吸附器只能豎直安裝,如果系統風量較大,可能導致碘吸附段比過濾段在垂直尺寸上高出很多,使整個機組呈“凸”型布置。

②型碘吸附器,其外形尺寸較I型小,且可以水平安裝,但其處理風量一般為567 m/h,即1臺額定風量為3400m/h的高效過濾器需與6II型碘吸附器匹配。如果系統風量較大,可能導致整個機組水平方向尺寸過長,不利用設備加工、包裝、運輸和安裝。

③型碘吸附器,主要應用于AP1000技術的核電站堆型,此類型碘吸附器可實現自動換碳,但不適用于本文機組設計,因此不作過多論述。

由于系統風量為4800m/h,碘吸附段設置了兩級共8I型碘吸附器。其中,每4I型碘吸附器并聯為1級,兩級碘吸附段串聯以提高放射性碘的吸附效果。碘吸附器主要性能參數為:規格尺寸:610×610×292㎜;額定風量:1200m/h;效率:≥1000(甲基碘);初阻力:≤360Pa ;型號:I型 數量:8

4、機組重要零部件設計

4.1 預過濾器壓緊機構

預過濾器采用核凈公司生產的T/GJ122型壓緊裝置,這種壓緊裝置結構簡單,工作可靠,。T/GJ122型壓緊裝置焊接在排架上,通過調節壓緊把手的位置來裝卸過濾器。注意在安裝過濾器時要先將把手開啟,將過濾器有密封墊一側對著密封排架,濾芯的折疊方向按垂直方向放到壓緊托盤上,平放推入到位,然后將把手按壓到位即可。

4.2 高效過濾器、I型碘吸附器壓緊機構

高效過濾器壓緊裝置和Ⅰ型碘吸附器壓緊裝置均采用核凈公司生產的T/GJ121型壓緊裝置,通過調整壓緊把手來裝卸高效過濾器、后置高效過濾器和Ⅰ型碘吸附器。安裝時先將把手扳到開啟位置,再將高效過濾器、后置高效過濾器和Ⅰ型碘吸附器有密封墊一側對著密封排架,另一面放在壓緊托盤上,平放推入到位。然后將把手扳到關閉狀態,即完成安裝。 3.2.3 消防噴淋系統

碘吸附過濾機組配有大水量噴淋系統,留有與外部消防系統連接的接口。當機組火災探測系統探測到機組內不正常的溫度升高或燃燒生成物時,可手動啟動噴淋系統滅火。噴淋系統主要性能技術參數為:設計壓力:0.3-0.7MPa;設計流量:505-770L/min;接口形式:G2〞外螺紋

4.3儀表

機組設置3臺差壓變送器,分別用來測量預過濾器、前置高效過濾器、后置高效過濾器的壓差,并輸出遠傳信號,用以判定何時更換過濾器。遠傳信號與核電站儀控室專業設備連接后可實現過濾器壓差遠程監控,還可以預設警戒值并實現聲控報警。

機組在碘吸附段上游設置1臺濕度變送器,下游設置1臺溫度變送器,用以控制電加熱器的啟停。在濕度達到40%時電加熱器啟動,溫度達到80℃時,電加熱器停止工作。

4.4 排氣溢流口

當碘吸附器起火時,消防噴淋系統開啟,開始向機組內注入消防水。但由于機組內部溫度不斷升高,壓力逐漸增大,可能導致消防水無法順利注入,因此,需要在機組頂部設置排氣口以確保在注入消防水時空氣被排出。同時,當消防水注滿時,水從頂部排氣口流出,此時可判斷水已注滿整個機組,可立即停止注水。因此,該排氣口肩負著排氣和溢流兩個功能。

4.5 排水口

機組底部設置若干排水口,并與排污管道連接。當火被湮滅后,機組內消防水通過排水口排出。

5、機組設計改進

5.1 電加熱器設計改進

在以往的電加熱器設計時,設計者習慣將電加熱段放在前置高效過濾段和碘吸附段之間,氣流從電加熱器流出后直接進入碘吸附段。這種設計方法存在的弊端是:氣流通過電加熱段時的通風截面積較大,當系統額定風量較大時,前置高效過濾段和碘吸附段通風截面積可能更大,這將使通過電加熱器的氣流流速降低,加熱效果不理想。如果希望通過電加熱器的氣流流速提高,就需要在電加熱段進行通風管路變徑,這將使整個主體內部結構變的十分復雜或導致外觀效果不美觀。因此,將電加熱段設置在整個機組最前端,并將電加熱器元件設置在一尺寸較小的殼體內,殼體兩端采用法蘭分別于上游風管和空氣凈化機組相連。這種設計使氣流通過電加熱段時的通風截面積大大減小,并使得氣流流速和加熱效果得以保證,同時也使整個機組外觀更加流暢。

5.2碘吸附段設計改進

常規的碘吸附器布置為單列垂直布置,機組要求的系統額定風量為4800m3/h,兩級碘吸附段均至少需要垂直布置4I型碘吸附器,這樣碘吸附段的縱向最高尺寸可能將達到3米以上,這對于安裝、運輸、檢修、更換碘吸附器等工作將帶來諸多不便。為此,機組將碘吸附段設計為雙列雙層布置碘吸附器,有效地降低了機組的碘吸附段的高度。

但隨之而來的另一個問題是,這種布置雖然解決了高度問題,但如需位于機組內側的碘吸附器時,需要至少預留1.82米的檢修通道。而機組的安裝位置正好在房間中部,沒有緊靠墻壁,如預留1.82米的檢修通道將干擾其他設備的安裝。為此,機組又設計了雙側開門型密封門(即機組正面和背面均設置密封門),以便檢修人員從機組兩側更換碘吸附器,這種方案僅需在機組兩側均預留1米左右的檢修通道即可。

6、結論

應急指揮中心空氣凈化機組是核電站通風系統的重要設備,通過在機組內設置各功能段,可實現事故狀態下對空氣的凈化處理,從而使應急指揮中心具備人員可居留性。中建南方是凈化行業唯一標準化的系統解決方案供應商,經ISO9001體系認證。主要為用戶提供凈化設備,潔凈工程,凈化工程,無塵車間,潔凈室,空氣過濾器等凈化領域權威服務。

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