DVK系統(tǒng)碘吸附器及其配套保溫型電加熱器的匹配研究和改進(jìn)

鄧苑營(yíng)，周壯林，蔣 峰，吳智敏

(南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東,佛山528225)

DVK系統(tǒng)碘吸附器及其配套保溫型電加熱器的匹配研究和改進(jìn)

鄧苑營(yíng)，周壯林，蔣 峰，吳智敏

(南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東,佛山528225)

文章闡述了核電廠核燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)(DVK)碘吸附器及其配套保溫型電加熱器的技術(shù)要求和現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，介紹了兩者間性能匹配的研究試驗(yàn)情況和結(jié)果，結(jié)果表明改進(jìn)后的碘吸附器及其保溫型電加熱器可以滿(mǎn)足預(yù)期的加熱降濕要求，為設(shè)計(jì)改進(jìn)和改造提供了可行方案。

溫度；相對(duì)濕度；碘吸附器；保溫型電加熱器

應(yīng)用于核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中的碘吸附器，主要用于捕集通風(fēng)系統(tǒng)空氣中的碘及其有機(jī)化合物，從而保障在事故工況下主控室的可居留性和減少排風(fēng)的放射性水平。碘吸附器的吸附效率受溫度和相對(duì)濕度影響明顯，相對(duì)濕度太大或者溫度過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致吸附效率下降[1]。在碘吸附器箱體外敷設(shè)電加熱器(即保溫型電加熱器，下同，區(qū)別于管道式電加熱器)，可在碘吸附器停運(yùn)期間，為碘吸附器進(jìn)行必要的加熱降濕，以使碘吸附器的溫濕度維持在合理區(qū)間內(nèi)。

目前部分改進(jìn)型壓水堆(CPR1000)核電站在運(yùn)行的DVK系統(tǒng)電加熱器，其加熱降濕效果難以滿(mǎn)足碘吸附器所需的溫濕度要求，有可能造成碘吸附器不能以良好狀態(tài)投運(yùn)。為此，有必要對(duì)DVK系統(tǒng)碘吸附器及其配套電加熱器加以研究和改進(jìn)，以提高電加熱器與碘吸附器的匹配性，達(dá)到更好的加熱降濕效果，從而確保碘吸附器所需的環(huán)境條件而使其處于高效可投運(yùn)狀態(tài)。

1 設(shè)備現(xiàn)狀和系統(tǒng)工作原理

DVK系統(tǒng)碘吸附器與一組高效粒子空氣過(guò)濾器(HEPA過(guò)濾器)共同內(nèi)置于不銹鋼箱體。箱體分上下兩層，上層為HEPA過(guò)濾器排，下層為Ⅰ型碘吸附器排。氣流從箱體頂部法蘭流入經(jīng)由HEPA過(guò)濾器和碘吸附器兩級(jí)過(guò)濾后從左右兩側(cè)底部法蘭流出。在箱體的背面和左右兩側(cè)敷設(shè)有3.6kW電加熱器。電加熱器為鎧裝式，其電加熱元件安裝在不銹鋼多孔板，無(wú)加熱器元件外側(cè)為玻璃纖維保溫層，保溫層外包覆鋁板。圖1為箱體和電加熱器外形圖。

圖1 箱體和電加熱器Fig.1 Casing and electrical heater1—進(jìn)風(fēng)口；2—出風(fēng)口(兩側(cè))；3—電加熱器；4—HEPA過(guò)濾器排；5—碘吸附器排

碘吸附器正常運(yùn)行時(shí)，箱體上游的管道式電加熱器運(yùn)行，可保證流經(jīng)箱體內(nèi)的空氣溫度≤50℃，相對(duì)濕度≤40%。

碘吸附器不運(yùn)行時(shí)，箱體上、下游的止回閥處于關(guān)閉狀態(tài)，箱體外圍的電加熱器啟動(dòng)運(yùn)行，要求保證箱體內(nèi)的空氣≤50℃，相對(duì)濕度≤40%。系統(tǒng)配有溫度傳感器和濕度傳感器，當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，電加熱器停止運(yùn)行，當(dāng)相對(duì)濕度大于40%時(shí)，電加熱器啟動(dòng)加熱。目前存在相對(duì)濕度還沒(méi)降到40%以下時(shí)電加熱器已因溫度大于50℃而停止加熱的情況，影響了吸附效率。

2 技術(shù)要求及改進(jìn)要求

未運(yùn)行電加熱器時(shí)箱體內(nèi)部溫度約為7～40℃，夏季相對(duì)濕度≤70%；運(yùn)行加熱器后要求箱體內(nèi)部的相對(duì)濕度≤40%，溫度推薦≤50℃，優(yōu)先保證相對(duì)濕度。電加熱器保溫層外表面和箱體外表面溫度盡量不要超過(guò)50℃，以免對(duì)房間內(nèi)相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)造成影響。電加熱器通過(guò)系統(tǒng)配置的溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停控制。電加熱器功率大小按滿(mǎn)足要求考慮，不限于3.6kW。提高加熱效率，并盡可能不改變現(xiàn)有箱體結(jié)構(gòu)。

3 研究和改進(jìn)

下面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)測(cè)試、CFD分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，分析研究DVK系統(tǒng)碘吸附器及其電加熱器的匹配性和改進(jìn)方向。

圖2 溫濕度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Temperature and humidity testing point arrangement diagram1、2—箱體前面板內(nèi)壁；3、5—箱體背面板內(nèi)壁；4、6—電加熱器背面外壁；7—箱體左側(cè)面板內(nèi)壁；8—電加熱器左側(cè)面外壁；9、10—箱體背面板外壁；RH01、RH02—出風(fēng)口內(nèi)部；RH03—進(jìn)風(fēng)口內(nèi)部；1至10為溫度測(cè)點(diǎn)，RH01/RH02/RH03為相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)測(cè)試

對(duì)某一現(xiàn)役核電項(xiàng)目的DVK系統(tǒng)碘吸附器及其電加熱器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按圖2所示10個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)位置布點(diǎn)測(cè)試溫度，以了解其實(shí)際運(yùn)行性能，為后續(xù)改進(jìn)提供參考。測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖3所示。

3.2 CFD分析

采用ANSYS 14.5軟件CFD分析測(cè)定碘吸附器正常工作時(shí)箱體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度以及電加熱器輸入到碘吸附器內(nèi)部的功率，進(jìn)一步研究設(shè)備的熱量分布和加熱效率情況。

3.2.1 模型簡(jiǎn)化與信息輸入

去除對(duì)分析結(jié)果無(wú)影響的零件，并對(duì)箱體內(nèi)部流體域進(jìn)行封閉處理。

去除電加熱器不銹鋼多孔板上的孔洞。

電加熱器輸入功率為3.5kW，環(huán)境溫度為20.2℃；

數(shù)值方法：分析流體為理想氣體，Laminar模型和DO輻射模型。

3.2.2 模擬結(jié)果

溫度測(cè)點(diǎn)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3，電加熱器和箱體外部溫度云圖見(jiàn)圖4。

圖3 溫度測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和CFD分析結(jié)果Fig.3 Temperature site test value and CFD analysis result

圖4 溫度云圖Fig.4 Temperature cloud chart(a) 電加熱器外部溫度云圖;(b) 箱體外部溫度云圖

3.2.3 結(jié)果分析

基于目前仿真模型，大約有750W熱量用于加熱箱體內(nèi)空氣。

箱體內(nèi)部溫度場(chǎng)非常不均衡，整體上加熱溫度從箱體背面上部到箱體前面下部迅速遞減。

從模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出，兩者之間的偏差較大可達(dá)50%，其可能原因：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間不足，有可能整個(gè)箱體還未達(dá)到熱平衡，測(cè)試溫度不是最高溫度。

(2) 電加熱器各處與箱體之間的間隙不一致，如報(bào)告中5點(diǎn)和7點(diǎn)，從經(jīng)驗(yàn)判斷，箱體靠近電加熱元件中間5點(diǎn)的溫度應(yīng)高于邊緣7點(diǎn)的溫度而非實(shí)測(cè)顯示的7點(diǎn)溫度高于5點(diǎn)溫度，這可能是5點(diǎn)處與箱體間的間隙大于7點(diǎn)處與箱體間的間隙。

(3) 實(shí)際運(yùn)行中，原系統(tǒng)中箱體上、下游止回閥存在內(nèi)泄漏，箱體內(nèi)部空氣并非是自然對(duì)流。

(4) 仿真模型還需要進(jìn)一步優(yōu)化，如網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化，測(cè)試不同發(fā)射率等。

3.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)

原電加熱器向箱體內(nèi)部空氣熱傳遞共分四個(gè)階段三種形式：第一階段為電加熱元件與箱體壁之間的熱傳遞，主要方式為熱對(duì)流和熱輻射；第二階段為箱體壁內(nèi)部的熱傳遞，方式為熱傳導(dǎo)；第三階段為箱體壁與箱體內(nèi)部空氣之間的熱傳遞，主要方式為熱輻射和對(duì)流換熱；第四階段為箱體內(nèi)部空氣間的熱傳遞，主要方式為熱對(duì)流。下面在不改變電加熱元件的材質(zhì)和形狀、箱體的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的情況下，針對(duì)熱傳遞效率的幾大影響因素進(jìn)行改進(jìn)：

(1) 減小電加熱元件與箱體壁之間的間隙，以減少熱量在空氣中的耗散，提高加熱效率。具體做法為減小電加熱器在箱體轉(zhuǎn)角處電加熱絲的彎角，控制加熱絲與箱體的配合尺寸，確保加熱絲盡可能地貼緊箱體外壁。

(2) 增大原電加熱器的功率為8.4kW，后續(xù)試驗(yàn)時(shí)再通過(guò)功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)運(yùn)行功率來(lái)驗(yàn)證和確定實(shí)際所需加熱功率。

(3) 延伸電加熱器兩側(cè)翼長(zhǎng)度至箱體前面板，增加其覆蓋面積，并在底部增加電加熱器，使加熱更均衡。底部電加熱器可做成平板狀，從而可以使加熱元件緊貼在箱體底面直接進(jìn)行熱傳導(dǎo)。原側(cè)面電加熱器和底部電加熱器可分開(kāi)獨(dú)立控制。

(4) 箱體面板仍采用不銹鋼板，其表面粗糙度和顏色保持原鋼板出廠狀態(tài)。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)不考慮原系統(tǒng)中箱體上、下游止回閥的內(nèi)泄漏的影響，箱體各開(kāi)口用盲板封死。

試驗(yàn)前，按圖2布置了10個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和3個(gè)濕度測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)電加熱器額定功率(8.4kW)的10%(0.84kW)、20%(1.68kW)、30%(2.52kW)和42.8%(3.6kW)，通過(guò)功率調(diào)節(jié)器每間隔約15min調(diào)節(jié)一次加熱功率，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)60min后結(jié)束。標(biāo)記此次試驗(yàn)為試驗(yàn)1，測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明，在減小電加熱元件與箱體間的間隙、增大原有電加熱器的覆蓋面積后，接觸面處測(cè)點(diǎn)3至8的溫度迅速上升至50℃，局部小幅度超過(guò)50℃，同時(shí)RH03處相對(duì)濕度迅速下降到40%以下，表明電加熱器的加熱效率有了明顯提高，其功率3.6kW是足夠的，但箱體內(nèi)部溫度和相對(duì)濕度分布仍非常不均衡，如RH01、RH02處相對(duì)濕度下降幅度極小，滿(mǎn)足不了濕度要求。

圖5 試驗(yàn)1各測(cè)點(diǎn)溫濕度隨加熱時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 1

為此進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，在箱體底部增加一組3.8kW的電加熱器，以使加熱更均勻，并進(jìn)行了如下3個(gè)試驗(yàn)：

試驗(yàn)1：?jiǎn)为?dú)運(yùn)行底部電加熱器，按額定功率的50%(1.9kW)進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明，由在側(cè)面加熱改為底部加熱并減小加熱功率后，相對(duì)濕度仍能較迅速下降，而且溫升曲線(xiàn)變得較平緩，各測(cè)點(diǎn)之間的溫升曲線(xiàn)曲率和各相對(duì)濕度之間的下降曲線(xiàn)曲率較相近，箱體內(nèi)部溫度和相對(duì)濕度分布均衡性有了明顯改善。

圖6 試驗(yàn)2各測(cè)點(diǎn)溫濕度隨加熱時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 2

試驗(yàn)2：?jiǎn)为?dú)運(yùn)行底部電加熱器，按額定功率的25%(0.95kW)進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明，相比于按50%加熱的測(cè)試結(jié)果，在加熱功率減小后，各測(cè)點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度變化更加均衡，不存在局部溫度奇高的現(xiàn)象。

圖7 試驗(yàn)3各測(cè)點(diǎn)溫濕度隨加熱時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 3

試驗(yàn)3：同時(shí)運(yùn)行側(cè)面和底部電加熱器，按額定功率的30%(3.66kW)進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)濕度下降得較迅速，存在局部溫升如箱體背面壁溫(測(cè)點(diǎn)3和5)過(guò)快過(guò)高的情況，這可能是該處為兩組電加熱器同時(shí)加熱產(chǎn)生疊加效應(yīng)所致。

圖8 試驗(yàn)4各測(cè)點(diǎn)溫濕度隨加熱時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 4

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，如表1所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

(1) 3個(gè)試驗(yàn)均可在允許一定溫升的情況下降低相對(duì)濕度。在要求小幅降低相對(duì)濕度的情況下，3個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果其差別較小，但在要求大幅度降低相對(duì)濕度的情況下，以小功率、在底部加熱的方式其效果最理想。

(2) 在同部位以不同加熱功率加熱，降低同等的相對(duì)濕度時(shí)，加熱功率大時(shí)局部溫升大且分布懸殊，加熱功率小時(shí)局部溫升小且分布較均勻。

(3) 底部加熱的效果大于側(cè)面加熱的效果。

試驗(yàn)2、3和4由于初始溫濕度不一樣，不能通過(guò)試驗(yàn)直接證明其加熱降濕效果滿(mǎn)足所有工況下預(yù)期要求，但通過(guò)對(duì)比分析各試驗(yàn)的加熱位置、功率、溫濕度變化量及其耗時(shí),表明前述分析和改進(jìn)設(shè)想與試驗(yàn)結(jié)果基本相吻合，這也從側(cè)面驗(yàn)證了電加熱器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)是可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、CFD分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的相互印證，電加熱器的可行的改進(jìn)和改造方案如下：

(1) 優(yōu)化電加熱器結(jié)構(gòu)：盡可能縮小電加熱元件與箱體間的間隙，提高加熱效率，例如將電加熱器拆分成平板狀。

(2) 優(yōu)化加熱位置和加熱功率：對(duì)于新項(xiàng)目相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)，可將原側(cè)面電加熱器改為布置在箱體底部，功率可由原來(lái)的3.6kW降低到1～2kW，功率大小取決于現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件和時(shí)長(zhǎng)控制需要；對(duì)于在役運(yùn)行相關(guān)設(shè)備的改造，可增加底部電加熱器并且將兩組電加熱器分開(kāi)獨(dú)立控制，無(wú)需改動(dòng)原電加熱器。

(3) 增加絕熱層：在箱體外表面或電加熱器外表面局部溫度奇高的地方包覆絕熱層，防止因高溫對(duì)房間內(nèi)相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)造成影響。

(4) 優(yōu)化布置溫濕度測(cè)點(diǎn)：溫度測(cè)點(diǎn)宜布置在靠近加熱面的地方，相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn)宜靠近碘吸附器。

(5) 電加熱器啟、停條件：根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些關(guān)于碘吸附器凈化效率隨氣流相對(duì)濕度變化的研究顯示[2]，相對(duì)濕度小幅度超過(guò)40%基本不影響凈化效率，但為確保在相對(duì)濕度下降到40%前溫度不超過(guò)50℃，當(dāng)在線(xiàn)檢測(cè)到箱體內(nèi)部空氣相對(duì)濕度大于40%時(shí)，仍應(yīng)盡快啟動(dòng)電加熱器加熱。

以上雖是針對(duì)某個(gè)CPR1000核電站的DVK系統(tǒng)而言的，但對(duì)于同樣采用保溫型電加熱器來(lái)控制溫濕度的應(yīng)用，例如主控室空調(diào)系統(tǒng)(DVC，或稱(chēng)DCL)，其結(jié)論依然具有普適性。當(dāng)然，不同系統(tǒng)和不同地域的核電站由于其初始溫濕度條件不同，所需功率大小和加熱時(shí)長(zhǎng)會(huì)有所不同。

[1] 肖鈞，朱立新.碘吸附器在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 核安全,2011,2:53-55.

[2] 吳潞華，杜建興.碘吸附器凈化效率隨氣流相對(duì)濕度變化的研究[J]. 核科學(xué)與工程,2007, 27(4):344-348.

Study and Improvement on Matching Between DVK Iodine Absorber and its Matched Thermal Insulation Type Electrical Heater

DENG Yuan-ying, ZHOU Zhuang-lin, JIANG Feng, WU Zhi-min

(Nanfang Ventilator Co., Ltd., Foshan of Guangdong Prov. 528225, China)

Describes the technical requirements, current status and problems of iodine absorber and its thermal insulation type electrical heater for Fuel Building Ventilation(DVK) System of nuclear power station, as well as the research and test of performance matching between DVK iodine absorber and its electrical heater. The result shows that the improved absorber and its electrical heater meet the expected effects of heating dehumidification, which provides feasible solution for equipment design improvement and renovation.Key words: Temperature; Relative humidity; Iodine absorber; Thermal insulation type electrical heater

2016-09-27

鄧苑營(yíng)(1987—)，男，廣東陽(yáng)山人，工學(xué)學(xué)士，主要從事核電站曖通設(shè)備設(shè)計(jì)等工作

TK39；TH122

A

0258-0918(2016)06-0764-07