核电空气净化机组工程设计解决方案

   在经历日本大地震造成严重的核污染后，随之而来的是全球对核电安全建设的大讨论，同样在经历几年的检查和讨论后再次把建设核电提上日程。目前，由于化石能源的过度消耗，人类正面临着能源匮乏和环境污染的尴尬境地。在全球应对气候变化减排CO2的紧迫形势下，世界出现了能源变革和低碳发展的潮流，强化节能和能源结构低碳化已成为大国能源战略的共同选择。

而核电作为一种清洁高效能源，不仅能增加能源供应、优化能源结构，而且在应对气候变化、实现低碳发展方面有独特优势。为此，各国争相扩大核电新能源的开发和利用领域。我国作为能耗大国，发展核电新能源早已进入国家战略布局。

然而日本福岛核电站事故后，核电站安全问题受到了全世界的关注，并由此引发了一系列的讨论，也把核电站应急指挥中心的设计要求提升到了一定高度。核电站的应急指挥中心属于核电站专设应急响应系统，其中通风空调系统主要承担以下功能：当核电站事故发生时，确保房间内部的温湿度满足设备正常运转要求，保证现场指挥人员所受的放射性剂量在允许的范围内。

应急指挥中心的通风空调系统一般包括两台组合式空气处理机组和一台空气净化机组。当核电站事故不断扩大时，厂区环境空气中存在大量放射性物质，此时空气净化机组启动，对室外新风和部分回风进行净化处理，去除空气中的放射性气溶胶及放射性碘，以保证应急指挥中心内的人员可居留性。

核电站应急指挥中心空气净化机组的结构设计过程如下。 　

1、空气净化机组设计条件

核电站应急指挥中心空气净化机组的主要功能是“对新鲜空气进行加热、过滤及碘吸附，以净化空气中放射性气溶胶（放射性微尘）和放射性碘，并提供气流通过电加热器、过滤器和碘吸附器的通道。” 机组的主要性能参数及等级为：额定风量：4800m3/h；制热量：30KW；安全等级：NC；质量等级：Q3 ；设计规范等级：NA ；清洁度等级：C

2、空气净化机组结构设计

《ANSI/ASME N509-2002 Nuclear Power Plant Air-Cleaning Units And Components》对空气净化机组的功能设计提出了以下总要求：

①如果入口粒子浓度和尺寸可导致高效空气粒子过滤器过早失效，则在机组中应设置预过滤器，而在其它空气净化机组中，仅在希望延长高效空气粒子过滤器寿命的时候推荐使用预过滤器。

②当入口粒子物质要求过滤效率最低位99.97%时（粒径等于0.3微米），则在所有空气净化装置中均有求设置高效空气粒子过滤器。

③当所设计的空气净化装置要求去除碘和碘化合物时，则要求设置碘吸附器。

④当携带水滴的浓度在1700m3/h气流中大于0.45Kg时，则要求设置除雾器。

⑤在气象参数中有1%（当地）的相对湿度超过7%时，则在有吸附器的空气净化机组中宜采用电加热器。对不受室外气象条件影响的核空气净化设施，当在一次事故会导致气流的相对湿度高于70%超过1小时时，也宜设置电加热器。

⑥如在ESF空气净化装置中使用吸附器，则应设置后置过滤器来过滤碳粒子。对于非ESF空气净化装置，如果排气进入到有人的空间，在这种情况下，空气中不允许携带碳粉，所以也宜考虑设置后置过滤器。

基于上述总体要求，核电站应急指挥中心空气净化机组应包括以下功能段：电加热段、预过滤段、前置高效过滤段、碘吸附段、后置高效过滤段。

3、机组主体功能段设计

3.1电加热段

电加热段分为壳体和电加热器元器件，电加热器壳体为电加热器元器件的安装提供了密闭环境，同时与机组壳体通过法兰与通风系统和碘吸附机组本体连接。电加热器元件的主要作用是对流动空气加热，降低空气的相对湿度，保证碘吸附器在要求湿度范围内工作。

3.2预过滤段

由于系统额定风量为4800m3/h，根据过滤器的国家标准模数（3400 m3/h），预过滤段设置了两台预过滤器，用以去除空气中粒径在5μm以上的大颗粒微尘，同时有效保护前置高效过滤段。预过滤器的主要性能参数为：规格尺寸：610×610×50㎜ ；额定风量：3400m/h；效率：≥85%（重量法）；初阻力：≤50Pa；型号：核净ZC03；数量：2台。

3. 3 前置及后置高效过滤段

前置净化设备高效过滤段的功能主要是去除空气中粒径在0.3μm以上的大颗粒微尘，也是整个机组中起净化作用的重要功能段，通过在此功能段设置两台高效过滤器，可使流出的气流达到99.99%的放射性微尘被净化的效果。

后置高效过滤段的功能主要是去除空气从碘吸附器经过时所携带的活性碳碳粉或颗粒，以保证从机组流出的空气彻底净化，不形成二次污染。理论上讲，后置高效过滤段可以设置亚高效过滤器，但为了统一高效过滤器的型号，减少未来采购人员的工作量，并于管理人员管理，后置高效过滤段也设置两台高效过滤器，且型号及技术参数与前置高效过滤器相同。高效过滤器器主要性能参数为：

规格尺寸：610×610×292㎜；额定风量：3400m/h；效率：≥99.99%（钠焰法）；初阻力：≤325Pa；型号：核净VM02；数量：前置、后置2台。

3.4碘吸附

碘吸附段的主要功能是去除空气中的放射性碘和碘化合物，起核心作用的元件为碘吸附器。目前，我国正在使用的主要有三种类型的碘吸附器：

①型碘吸附器，其外形尺寸与高效过滤器相同，其处理风量一般为1200 m/h，即1台额定风量为3400m/h的高效过滤器可与3台I型碘吸附器匹配。由于此类型碘吸附器只能竖直安装，如果系统风量较大，可能导致碘吸附段比过滤段在垂直尺寸上高出很多，使整个机组呈“凸”型布置。

②型碘吸附器，其外形尺寸较I型小，且可以水平安装，但其处理风量一般为567 m/h，即1台额定风量为3400m/h的高效过滤器需与6台II型碘吸附器匹配。如果系统风量较大，可能导致整个机组水平方向尺寸过长，不利用设备加工、包装、运输和安装。

③型碘吸附器，主要应用于AP1000技术的核电站堆型，此类型碘吸附器可实现自动换碳，但不适用于本文机组设计，因此不作过多论述。

由于系统风量为4800m/h，碘吸附段设置了两级共8台I型碘吸附器。其中，每4台I型碘吸附器并联为1级，两级碘吸附段串联以提高放射性碘的吸附效果。碘吸附器主要性能参数为：规格尺寸：610×610×292㎜；额定风量：1200m/h；效率：≥1000(甲基碘)；初阻力：≤360Pa ；型号：I型 数量：8台

4、机组重要零部件设计

4.1 预过滤器压紧机构

预过滤器采用核净公司生产的T/GJ122型压紧装置，这种压紧装置结构简单，工作可靠，。T/GJ122型压紧装置焊接在排架上，通过调节压紧把手的位置来装卸过滤器。注意在安装过滤器时要先将把手开启，将过滤器有密封垫一侧对着密封排架，滤芯的折叠方向按垂直方向放到压紧托盘上，平放推入到位，然后将把手按压到位即可。

4.2 高效过滤器、I型碘吸附器压紧机构

高效过滤器压紧装置和Ⅰ型碘吸附器压紧装置均采用核净公司生产的T/GJ121型压紧装置，通过调整压紧把手来装卸高效过滤器、后置高效过滤器和Ⅰ型碘吸附器。安装时先将把手扳到开启位置，再将高效过滤器、后置高效过滤器和Ⅰ型碘吸附器有密封垫一侧对着密封排架，另一面放在压紧托盘上，平放推入到位。然后将把手扳到关闭状态，即完成安装。 3.2.3 消防喷淋系统

碘吸附过滤机组配有大水量喷淋系统，留有与外部消防系统连接的接口。当机组火灾探测系统探测到机组内不正常的温度升高或燃烧生成物时，可手动启动喷淋系统灭火。喷淋系统主要性能技术参数为：设计压力：0.3-0.7MPa；设计流量：505-770L/min；接口形式：G2〞外螺纹

4.3仪表

机组设置3台差压变送器，分别用来测量预过滤器、前置高效过滤器、后置高效过滤器的压差，并输出远传信号，用以判定何时更换过滤器。远传信号与核电站仪控室专业设备连接后可实现过滤器压差远程监控，还可以预设警戒值并实现声控报警。

机组在碘吸附段上游设置1台湿度变送器，下游设置1台温度变送器，用以控制电加热器的启停。在湿度达到40%时电加热器启动，温度达到80℃时，电加热器停止工作。

4.4 排气溢流口

当碘吸附器起火时，消防喷淋系统开启，开始向机组内注入消防水。但由于机组内部温度不断升高，压力逐渐增大，可能导致消防水无法顺利注入，因此，需要在机组顶部设置排气口以确保在注入消防水时空气被排出。同时，当消防水注满时，水从顶部排气口流出，此时可判断水已注满整个机组，可立即停止注水。因此，该排气口肩负着排气和溢流两个功能。

4.5 排水口

机组底部设置若干排水口，并与排污管道连接。当火被湮灭后，机组内消防水通过排水口排出。

5、机组设计改进

5.1 电加热器设计改进

在以往的电加热器设计时，设计者习惯将电加热段放在前置高效过滤段和碘吸附段之间，气流从电加热器流出后直接进入碘吸附段。这种设计方法存在的弊端是：气流通过电加热段时的通风截面积较大，当系统额定风量较大时，前置高效过滤段和碘吸附段通风截面积可能更大，这将使通过电加热器的气流流速降低，加热效果不理想。如果希望通过电加热器的气流流速提高，就需要在电加热段进行通风管路变径，这将使整个主体内部结构变的十分复杂或导致外观效果不美观。因此，将电加热段设置在整个机组最前端，并将电加热器元件设置在一尺寸较小的壳体内，壳体两端采用法兰分别于上游风管和空气净化机组相连。这种设计使气流通过电加热段时的通风截面积大大减小，并使得气流流速和加热效果得以保证，同时也使整个机组外观更加流畅。

5.2碘吸附段设计改进

常规的碘吸附器布置为单列垂直布置，机组要求的系统额定风量为4800m3/h，两级碘吸附段均至少需要垂直布置4台I型碘吸附器，这样碘吸附段的纵向最高尺寸可能将达到3米以上，这对于安装、运输、检修、更换碘吸附器等工作将带来诸多不便。为此，机组将碘吸附段设计为双列双层布置碘吸附器，有效地降低了机组的碘吸附段的高度。

但随之而来的另一个问题是，这种布置虽然解决了高度问题，但如需位于机组内侧的碘吸附器时，需要至少预留1.8～2米的检修通道。而机组的安装位置正好在房间中部，没有紧靠墙壁，如预留1.8～2米的检修通道将干扰其他设备的安装。为此，机组又设计了双侧开门型密封门（即机组正面和背面均设置密封门），以便检修人员从机组两侧更换碘吸附器，这种方案仅需在机组两侧均预留1米左右的检修通道即可。

6、结论

应急指挥中心空气净化机组是核电站通风系统的重要设备，通过在机组内设置各功能段，可实现事故状态下对空气的净化处理，从而使应急指挥中心具备人员可居留性。净化行业“唯一标准化”的系统解决方案供应商，经ISO9001体系认证。主要为用户提供净化设备，洁净工程，净化工程，无尘车间，洁净室，空气过滤器等净化领域权威服务。