“華龍一號(hào)”安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究

劉長(zhǎng)亮，朱京梅

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后其安全殼內(nèi)的壓力會(huì)逐漸升高，在安全殼冷卻系統(tǒng)失效的情況下，最終可能會(huì)因超壓而破壞安全殼的完整性，造成放射性物質(zhì)的外泄[1]。“華龍一號(hào)”安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)采用主動(dòng)卸壓方式降低安全殼內(nèi)壓力，從而使安全殼內(nèi)壓力不超過(guò)其承載限值，確保安全殼的完整性；同時(shí)為了防止排放氣體對(duì)環(huán)境造成放射性危害，在安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)的卸壓管線上設(shè)置過(guò)濾裝置對(duì)排放氣體中的放射性物質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾。

根據(jù)“華龍一號(hào)”堆型對(duì)安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，開(kāi)展了系統(tǒng)和設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作，本文主要針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備文丘里水洗器和金屬纖維過(guò)濾器的單獨(dú)過(guò)濾效率和整體串聯(lián)過(guò)濾效率開(kāi)展了試驗(yàn)研究和分析工作。

1 安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)

安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)在嚴(yán)重事故后確定需要開(kāi)啟時(shí)，排放氣體依次通過(guò)文丘里水洗器和金屬纖維過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾后排入大氣。金屬纖維過(guò)濾器下游設(shè)置一個(gè)限流孔板，在較大的系統(tǒng)壓力變化范圍內(nèi)，限流孔板處于臨界流動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)排放的體積流量基本保持不變，從而保證在排放過(guò)程中文丘里水洗器和金屬纖維過(guò)濾器內(nèi)部的流速基本恒定，進(jìn)而保證較高的過(guò)濾效率。

1.1 文丘里水洗器

文丘里水洗器是安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。需要根據(jù)文丘里管的除塵、除氣以及流動(dòng)性能合理選擇文丘里管數(shù)量，并設(shè)計(jì)最佳的布置方式，保證流量分配均勻和流動(dòng)穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)36 h的運(yùn)行要求，需要綜合考慮系統(tǒng)初始投入運(yùn)行階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段的溶液裝量變化規(guī)律，確定溶液初始裝量。根據(jù)溶液初始裝量計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合文丘里管布置方式，確定文丘里容器的總?cè)莘e以及外形尺寸。

系統(tǒng)初始溶液裝量需要考慮在12 h排氣過(guò)程中，初始階段內(nèi)由于蒸汽冷凝所導(dǎo)致的溶液冷凝量；同時(shí)，還要考慮溶液達(dá)到飽和溫度后，在高溫氣體顯熱和衰變熱的作用下的溶液蒸發(fā)量，再結(jié)合系統(tǒng)效率所要求淹沒(méi)深度等要求，以及實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中液位波動(dòng)和冗余量等因素來(lái)確定水裝量。

1.2 金屬纖維過(guò)濾器

金屬纖維過(guò)濾器是核電廠安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)中的第二級(jí)過(guò)濾設(shè)備，主要用于去除未被文丘里水洗器滯留的微細(xì)氣溶膠和隨氣流攜帶出的微米級(jí)霧滴。經(jīng)過(guò)金屬纖維過(guò)濾器過(guò)濾后，可以保證系統(tǒng)在較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)具有高效的液滴分離及氣溶膠去除能力。

1.3 系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)“華龍一號(hào)”機(jī)組，基于NUREG-1465的嚴(yán)重事故源項(xiàng)[2]，計(jì)算得到嚴(yán)重事故24 h時(shí)刻安全殼大氣中的核素質(zhì)量，作為最初的設(shè)計(jì)輸入。NUREG-1465說(shuō)明，安全殼中的碘95%以氣溶膠狀態(tài)的CsI存在，4.85%為元素碘，僅0.15%為有機(jī)碘。因此系統(tǒng)核心目標(biāo)是氣溶膠過(guò)濾效率不小于 99.9%，元素碘過(guò)濾效率不小于99%。

2 綜合試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證文丘里水洗器單獨(dú)的過(guò)濾效率以及和金屬纖維過(guò)濾器在串聯(lián)工作下的過(guò)濾效率，根據(jù)安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)并建造了安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。

該試驗(yàn)平臺(tái)由蒸汽供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、文丘里水洗器試驗(yàn)體、金屬纖維過(guò)濾器試驗(yàn)體、高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。為模擬嚴(yán)重事故條件下安全殼內(nèi)的大氣環(huán)境，該系統(tǒng)配備了氣溶膠、碘和有機(jī)碘的配送系統(tǒng)，能夠向試驗(yàn)回路內(nèi)配送一定壓力、濃度的氣溶膠、碘和有機(jī)碘。同時(shí)，該試驗(yàn)平臺(tái)還配備了氣溶膠、碘和有機(jī)碘的取樣測(cè)量系統(tǒng)，能夠保證過(guò)濾設(shè)備前后氣體的取樣和濃度的準(zhǔn)確測(cè)量，從而完成文丘里水洗器和金屬纖維過(guò)濾器的綜合過(guò)濾性能試驗(yàn)。

根據(jù)前期文丘里管流動(dòng)和過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果，文丘里管喉部氣速在220 m/s的條件下，其過(guò)濾效率最高，綜合性能最優(yōu)[3]。已知額定工況下系統(tǒng)排氣總流量為4 kg/s，計(jì)算所需文丘里管數(shù)量為 36根。36根文丘里管完全一致，且通過(guò)設(shè)計(jì)保證流量分配的均勻性，因此選擇一根文丘里管進(jìn)行試驗(yàn)即可，故試驗(yàn)在1/36排放流量條件下進(jìn)行測(cè)試。

圖1 安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 The flow chart of the test platform for the containment filtration and exhaust system1—空壓機(jī)；2—儲(chǔ)氣罐；3—截止閥；4—電鍋爐；5—截止閥；6—混合罐；7—調(diào)節(jié)閥；8—文丘里水洗器試驗(yàn)樣機(jī)；9—截止閥；10—金屬纖維過(guò)濾器試驗(yàn)樣機(jī)；11—截止閥；12—限流孔板

2.1 氣溶膠過(guò)濾性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)氣溶膠的過(guò)濾性能，需要將氣溶膠樣品配送至試驗(yàn)系統(tǒng)，然后在系統(tǒng)的上下游取樣測(cè)量，分析濃度變化計(jì)算過(guò)濾效率。

為了滿(mǎn)足不同氣溶膠濃度的測(cè)量需求，本試驗(yàn)中系統(tǒng)入口氣溶膠濃度采用濾膜稱(chēng)重法測(cè)量，而出口濃度采用粒子計(jì)數(shù)法測(cè)量。以此驗(yàn)證文丘里水洗器和整體過(guò)濾排放系統(tǒng)對(duì)氣溶膠的過(guò)濾效率。

2.2 碘過(guò)濾性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)單質(zhì)碘的吸收性能，需要將碘蒸氣配送至試驗(yàn)系統(tǒng)，然后在系統(tǒng)的上下游取樣測(cè)量，分析濃度變化計(jì)算吸收效率。

碘檢測(cè)系統(tǒng)分別設(shè)置在文丘里水洗器的進(jìn)、出口，用以監(jiān)測(cè)進(jìn)、出口碘的濃度，以此驗(yàn)證文丘里水洗器的碘過(guò)濾效率。

3 文丘里水洗器樣機(jī)單獨(dú)試驗(yàn)結(jié)果

文丘里水洗器試驗(yàn)樣機(jī)用于測(cè)試文丘里水洗器的過(guò)濾效率，內(nèi)部安裝有文丘里水洗器的一個(gè)文丘里管樣件，樣件尺寸參數(shù)與原型機(jī)相同，運(yùn)行參數(shù)以及流動(dòng)參數(shù)也與原型機(jī)中所使用的文丘里管相同。

將空氣與蒸汽按照一定配比通入文丘里水洗器試驗(yàn)樣機(jī)，使溶液的溫度升高，并最終穩(wěn)定在相應(yīng)分壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，然后通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)濾排放系統(tǒng)出口閥門(mén)的開(kāi)度，來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。

在額定入口壓力和溫度條件下，文丘里水洗器樣機(jī)對(duì)氣溶膠的過(guò)濾效率在 99%以上，滿(mǎn)足水洗器的單級(jí)過(guò)濾效率要求。

試驗(yàn)中在額定溫度和壓力條件下對(duì)文丘里水洗器樣機(jī)的碘吸收效率進(jìn)行測(cè)試，碘過(guò)濾效率在額定入口參數(shù)條件下，去除效率達(dá)到99.5%以上，滿(mǎn)足過(guò)濾排放系統(tǒng)的技術(shù)要求。

4 金屬纖維過(guò)濾器樣機(jī)試驗(yàn)方法和結(jié)果

4.1 金屬纖維過(guò)濾器的組成

金屬纖維過(guò)濾器主要用于去除未被文丘里水洗器滯留的微細(xì)氣溶膠和隨氣流攜帶出的微米級(jí)霧滴，要求同時(shí)滿(mǎn)足除濕、除塵和容塵三方面性能要求。經(jīng)過(guò)理論分析和初步試驗(yàn)，金屬纖維過(guò)濾器采用預(yù)過(guò)濾單元和精過(guò)濾單元兩級(jí)過(guò)濾的方式。預(yù)過(guò)濾單元主要起除濕和容塵的作用，精過(guò)濾單元進(jìn)一步提高過(guò)濾效率，以保證能對(duì)亞微米級(jí)的氣溶膠微粒進(jìn)行有效去除。預(yù)過(guò)濾單元選用絲徑為約20 μm的不銹鋼纖維為濾層材料，精過(guò)濾單元選用約6 μm的不銹鋼纖維。

4.2 試驗(yàn)方式簡(jiǎn)介

除濕性能試驗(yàn)主要采用稱(chēng)重法測(cè)量經(jīng)過(guò)被測(cè)預(yù)過(guò)濾單元時(shí)過(guò)濾下來(lái)的液體質(zhì)量，將這部分液體質(zhì)量與輸入的總的液體質(zhì)量進(jìn)行比較，就可以獲得預(yù)過(guò)濾單元的除濕效率。

在對(duì)纖維過(guò)濾器容塵性能研究時(shí)，參考目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的容塵標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合金屬纖維過(guò)濾器的容塵量要求，確定容塵終止條件，并通過(guò)試驗(yàn)分析不同絲徑的纖維組合結(jié)構(gòu)及氣溶膠濃度的改變對(duì)金屬纖維過(guò)濾器容塵量及阻力特性的影響。在此基礎(chǔ)上，確定滿(mǎn)足容塵量技術(shù)指標(biāo)要求的金屬纖維過(guò)濾器纖維濾層組合結(jié)構(gòu)。

除塵效率試驗(yàn)采用高效空氣過(guò)濾器的性能試驗(yàn)方法，首先對(duì)平均粒徑大約0.3 μm的氣溶膠過(guò)濾效率開(kāi)展試驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高金屬纖維過(guò)濾器的過(guò)濾效率，又繼續(xù)開(kāi)展了對(duì)最易穿透粒徑0.1～0.3 μm氣溶膠的過(guò)濾效率檢測(cè)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及說(shuō)明

本項(xiàng)目研究了不同纖維組合工況下濾層厚度對(duì)除濕效率和阻力的影響，以及迎面風(fēng)速變化對(duì)除濕效率的影響。通過(guò)除濕性能試驗(yàn)篩選，初步確定預(yù)過(guò)濾單元的濾層纖維組合。通過(guò)容塵性能試驗(yàn)研究，適當(dāng)調(diào)整了預(yù)過(guò)濾單元部分濾層的厚度。通過(guò)除塵效率試驗(yàn)研究確定精過(guò)濾單元的濾層組合。試驗(yàn)結(jié)果表明除濕、容塵和除塵三個(gè)方面的性能均滿(mǎn)足技術(shù)要求。對(duì)平均粒徑大于 0.3 μm 氣溶膠的過(guò)濾效率可達(dá)到99.7%以上；當(dāng)氣溶膠平均粒徑大于0.5 μm時(shí)，其過(guò)濾效率可達(dá)到 99.9%以上；當(dāng)迎面風(fēng)速為0.25 m/s時(shí)，即使在最易穿透粒徑 0.1～0.3 μm的范圍內(nèi)，過(guò)濾效率可達(dá)到99.9%以上。

5 水洗液穩(wěn)定性試驗(yàn)

安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)采用的是質(zhì)量濃度0.5%的NaOH與0.2%的Na2S2O3的水洗溶液。水洗溶液的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性是影響水洗效率的關(guān)鍵指標(biāo)。0.5%的 NaOH與 0.2%的Na2S2O3的水洗溶液在常溫下具有很好的穩(wěn)定性。在溶液被加熱到 180 ℃的情況下，水洗溶液放置 15天，除碘能力是新溶液除碘能力的98.9%。將 0.5%NaOH + 0.2%Na2S2O3的標(biāo)準(zhǔn)水洗溶液放入恒溫爐，并將溫度控制在 160 ℃，放入鈷源房中進(jìn)行輻照。“華龍一號(hào)”堆型嚴(yán)重事故后水洗液可能遭受的輻照累積劑量約為3 × 105Gy，試驗(yàn)表明在累積劑量約 4 × 105Gy時(shí)，水洗液仍然保持著較高的濃度，在高溫下表現(xiàn)出較好的耐輻照性能。

6 整體試驗(yàn)方案和結(jié)果

在串聯(lián)條件下對(duì)系統(tǒng)的氣溶膠、碘和有機(jī)碘的過(guò)濾性能以及氣溶膠和碘的再懸浮性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)中以文丘里管喉部流速和金屬纖維截面表觀流速作為參考量，在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)改變系統(tǒng)溫度和壓力，驗(yàn)證不同條件下系統(tǒng)的過(guò)濾性能。驗(yàn)證試驗(yàn)分為常溫常壓和高溫高壓兩種工況。

6.1 氣溶膠過(guò)濾性能驗(yàn)證

6.1.1氣溶膠過(guò)濾效率驗(yàn)證

在常溫空氣介質(zhì)和高溫空氣—水蒸氣介質(zhì)條件下，安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)的氣溶膠過(guò)濾效率均達(dá)到了99.99%以上。

6.1.2氣溶膠再懸浮率驗(yàn)證

為了研究溶液中氣溶膠的再懸浮特性，試驗(yàn)中采用電加熱的方法來(lái)模擬衰變熱功率，并對(duì)系統(tǒng)出口的氣體進(jìn)行取樣，測(cè)量氣流中氣溶膠的濃度，進(jìn)而獲取氣溶膠的再懸浮率結(jié)果。

根據(jù)三次測(cè)量結(jié)果所得濃度的平均值，作為系統(tǒng)靜置過(guò)程中再懸浮氣體中的氣溶膠濃度平均值，根據(jù)試驗(yàn)中的加熱功率下液體蒸發(fā)攜帶出氣溶膠的總量，計(jì)算得到氣溶膠的再懸浮率為0.001%，該再懸浮率低于試驗(yàn)技術(shù)要求的懸浮率0.003 4%。

6.2 碘過(guò)濾性能驗(yàn)證

6.2.1碘過(guò)濾效率驗(yàn)證

文丘里水洗器與金屬纖維過(guò)濾器在串聯(lián)條件下對(duì)碘的去除效率試驗(yàn)主要包括常溫常壓和高溫高壓兩部分，在文丘里水洗器和金屬纖維過(guò)濾器串聯(lián)后碘的過(guò)濾效率同樣維持在 99.5%以上。

6.2.2碘再懸浮性能驗(yàn)證

與氣溶膠的再懸浮試驗(yàn)相同，測(cè)量氣流中碘的濃度，進(jìn)而獲取碘的再懸浮率結(jié)果。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在測(cè)量?jī)x器檢測(cè)限范圍內(nèi)，出口碘濃度為 0。為了進(jìn)一步保守計(jì)算，假設(shè)出口碘吸收液的吸光度為分光光度計(jì)的檢測(cè)限0.001，由此計(jì)算碘的再懸浮率約為 0.06%。該再懸浮率遠(yuǎn)小于試驗(yàn)技術(shù)要求懸浮率0.1%。

7 結(jié)論

針對(duì)文丘里容器和金屬纖維過(guò)濾器的過(guò)濾性能所開(kāi)展的研究工作表明，試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過(guò)程合理有效，試驗(yàn)結(jié)果可以接受，設(shè)備的配置和設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足“華龍一號(hào)”核電機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

前期文丘里管流動(dòng)和過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果表明文丘里管喉部流速約220 m/s時(shí)，過(guò)濾效率最高，綜合性能最優(yōu)。對(duì)于金屬纖維過(guò)濾器，供貨商按照金屬纖維過(guò)濾器規(guī)格書(shū)要求進(jìn)行金屬纖維的組合，無(wú)需再進(jìn)行性能試驗(yàn)。因此對(duì)于下一個(gè)華龍項(xiàng)目而言，僅需要對(duì)文丘里管的流速進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證，而不需要再進(jìn)行其他性能試驗(yàn)，測(cè)量文丘里管喉部速度是否滿(mǎn)足要求即可。