核電站安全殼大氣監(jiān)測系統(tǒng)ETY 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

吳興剛，韓志秋，郭小佳，李吉貴

(1 佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002;2 佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

國家核電自主化工作領(lǐng)導(dǎo)小組提出的關(guān)于中國核電發(fā)展的最新目標(biāo)是:2020 年在運(yùn)行核電裝機(jī)容量4 000 萬千瓦，占總裝機(jī)的4%;在建核電裝機(jī)容量1 800 萬千瓦。

核電廠為了防止發(fā)生反應(yīng)堆嚴(yán)重事故，或者即使在堆芯嚴(yán)重?fù)p壞的情況下，也能防止安全殼超壓失效、減輕事故后果而設(shè)置了燃料包殼、一回路承壓邊界和安全殼三道屏障。同時(shí)還設(shè)計(jì)了安全注入系統(tǒng)(RIS)、安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)、輔助給水系統(tǒng)(ASG)、安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)(ETY)和安全殼隔離系統(tǒng)(EIE)等專設(shè)安全設(shè)施和應(yīng)急供電系統(tǒng)及設(shè)備。

1 ETY 系統(tǒng)的功能

核電站ETY 系統(tǒng)的主要功能如下

(1)用來降低安全殼內(nèi)裂變惰性氣體的放射性并達(dá)到限定水平，確保工作人員進(jìn)入安全殼內(nèi)。

(2)避免空氣外漏，維持安全殼內(nèi)微小的負(fù)壓。

(3)在失水事故后用來凈化安全殼空氣，使安全殼內(nèi)大氣的放射性水平降低到允許的范圍內(nèi)，并進(jìn)行排放。

(4)保證對安全殼內(nèi)大氣進(jìn)行取樣、混合。對安全殼內(nèi)空氣進(jìn)行再循環(huán)，防止氫氣積累，保持安全殼內(nèi)氫氣的濃度在允許的范圍內(nèi)。

2 ETY 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 ETY 風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境

ETY 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)之一在于失水事故后苛刻的運(yùn)行環(huán)境。以某核電站為例，失水事故后的運(yùn)行環(huán)境條件如下:每天24 小時(shí)連續(xù)工作6 個(gè)月，輸送介質(zhì)為含放射性空氣?？諝庾罡邷囟?80℃;空氣最高絕對壓力:0.15MPa;空氣中包含 最 大 氫 氣 濃 度:4.1%;硼 酸:3.6g/m3;NaOH:0.71g/m3;空氣PH 值:9.25;相對濕度:10 ～100%;氣體最大密度:1.48kg/m3;γ 累積劑量:1.0×104Gy。

由以上失水事故后風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境可以看出，ETY 風(fēng)機(jī)輸送介質(zhì)為高溫高壓潮濕且?guī)Цg及輻射的氣體，ETY 風(fēng)機(jī)風(fēng)輪與電動(dòng)機(jī)軸一體，電機(jī)法蘭端蓋作為風(fēng)機(jī)腔的一部分。當(dāng)高溫高壓氣體經(jīng)過風(fēng)機(jī)腔時(shí)使電機(jī)腔與風(fēng)機(jī)腔產(chǎn)生壓力差，會(huì)將軸承潤滑脂移出，導(dǎo)致軸承在無潤滑或少潤滑的狀態(tài)下運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行6 個(gè)月會(huì)因軸承損壞而使風(fēng)機(jī)無法工作。另外，帶腐蝕、輻射及潮濕的空氣直接進(jìn)入電機(jī)腔與電機(jī)定子繞組直接接觸，也將導(dǎo)致定子絕緣電阻降低及匝間破壞。

2.2 ETY 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

從上述情況分析，ETY 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)在機(jī)組的電動(dòng)機(jī)上。為解決以上兩個(gè)問題，提出如下兩個(gè)方案。

方案一:采用屏蔽式電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)徑有不銹鋼屏蔽套保護(hù)繞組不受腐蝕，在電機(jī)與風(fēng)機(jī)間加隔熱屏來保護(hù)電機(jī)不被加熱，同時(shí)在電機(jī)軸上開泄壓孔來保護(hù)軸承潤滑脂不流失。由于屏蔽式電機(jī)沒有動(dòng)密封，泄漏量為零(見圖1)。

圖1 方案一示意圖

方案二:采用三相異步電動(dòng)機(jī)外罩密封腔，電動(dòng)機(jī)軸中心有泄壓孔以保證潤滑脂不流失，繞組絕緣材料具有耐酸堿腐蝕能力。此方案有以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決:一是密封腔電氣貫穿位置的密封;二是絕緣結(jié)構(gòu)的耐酸堿腐蝕能力(見圖2)。

圖2 方案二示意圖

電氣貫穿位置的密封，其關(guān)鍵是電氣貫穿件的密封?？紤]到盡量減少風(fēng)機(jī)機(jī)座的維護(hù)和檢修，電氣貫穿件最好有和機(jī)組相同的使用壽命(40 年)，以往采用非金屬材料無論如何也無法達(dá)到。近年來，國內(nèi)已經(jīng)研制成功了具有氣密性的陶瓷絕緣、陶瓷焊接密封電氣貫穿件，并在振動(dòng)臺架上通過了抗震試驗(yàn)，其電氣性能、絕緣性能、密封性能和可靠性均能滿足核電站40 年使用要求。

絕緣結(jié)構(gòu)方面，聚酰亞胺類絕緣材料具有良好的耐酸堿性能，可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)ETY 風(fēng)機(jī)的絕緣系統(tǒng)。有關(guān)試驗(yàn)表明，聚酰亞胺漆包銅圓線在經(jīng)過強(qiáng)酸強(qiáng)堿(鹽酸、硫酸、氫氧化鈉)24 小時(shí)浸泡后，仍然具有很高的絕緣強(qiáng)度。電動(dòng)機(jī)的槽絕緣和相間絕緣采用復(fù)合材料經(jīng)過VPI 浸漆處理，其耐酸堿能力還會(huì)進(jìn)一步提高。

2.3 ETY 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案對比

采用第一種方案即屏蔽式電動(dòng)機(jī)時(shí)加工制造比較復(fù)雜，相對成本較高，但是由于屏蔽電機(jī)本身無泄漏的特點(diǎn)，可靠性更高。

采用第二種方案即三相異步電動(dòng)機(jī)外罩密封腔結(jié)構(gòu)，加工制造相對簡單，成本降低，但是對于電氣貫穿件結(jié)構(gòu)及絕緣要求比較嚴(yán)格。

3 結(jié)語

秦山二期1、2 號機(jī)組的ETY 風(fēng)機(jī)是進(jìn)口的，4 臺共30 多萬美元。而3、4 號機(jī)組外資企業(yè)的報(bào)價(jià)是200 萬美元，是原來的7-8 倍。備件和現(xiàn)場服務(wù)也受到相應(yīng)的限制，在通風(fēng)系統(tǒng)中，除了ETY 風(fēng)機(jī)，所有的風(fēng)機(jī)設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。如果ETY 風(fēng)機(jī)也國產(chǎn)化，那么核電站所有的通風(fēng)系統(tǒng)都可以自主制造。

為了提高設(shè)備的國產(chǎn)化，加快核電自主化建設(shè)，用第一種方案為巴基斯坦恰希瑪核電站設(shè)計(jì)生產(chǎn)了消氫風(fēng)機(jī)，為秦山核電站設(shè)計(jì)生產(chǎn)了氦氣鼓風(fēng)機(jī)，其性能指標(biāo)(風(fēng)量1 500m3/h、風(fēng)壓550daPa)與ETY 風(fēng)機(jī)類似，工作環(huán)境和條件更為惡劣(介質(zhì)壓力最高16MPa、含酸、含堿)。機(jī)組使用已經(jīng)超過13 年，從未發(fā)生過任何故障。

用第二種方案生產(chǎn)的ETY 風(fēng)機(jī)，已經(jīng)為中廣核方家山1、2 號機(jī)組、福清1、2、3、4 號機(jī)組成功供貨數(shù)批，運(yùn)行質(zhì)量良好。兩種設(shè)計(jì)方案均可行，可以根據(jù)具體情況有針對性選擇。

［1］ 方勝良，徐建鋒，鄭慧敏，等.核電站ETY 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)淺談.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011.4.

［2］ 李俊校，周淑娟.秦山二期擴(kuò)建工程ETY 風(fēng)機(jī)的研制與國產(chǎn)化.中國核電，2009.1。

［3］ 王勝，向文元，趙月?lián)P，等.1E 級電氣貫穿件設(shè)備鑒定.機(jī)電信息，2011.4.

［4］ 歐陽予.世界核電發(fā)展歷程與中國核電發(fā)展之路.中國核電，2008.3.