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

鄧苑營，周壯林，蔣 峰，吳智敏

(南方風(fēng)機股份有限公司，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

鄧苑營，周壯林，蔣 峰，吳智敏

(南方風(fēng)機股份有限公司，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)狀以及存在的問題，介紹了兩者間性能匹配的研究試驗情況和結(jié)果，結(jié)果表明改進后的碘吸附器及其保溫型電加熱器可以滿足預(yù)期的加熱降濕要求，為設(shè)計改進和改造提供了可行方案。

溫度；相對濕度；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濕度影響明顯，相對濕度太大或者溫度過高都會導(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)，可在碘吸附器停運期間，為碘吸附器進行必要的加熱降濕，以使碘吸附器的溫濕度維持在合理區(qū)間內(nèi)。

目前部分改進型壓水堆(CPR1000)核電站在運行的DVK系統(tǒng)電加熱器，其加熱降濕效果難以滿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。為此，有必要對DVK系統(tǒng)碘吸附器及其配套電加熱器加以研究和改進，以提高電加熱器與碘吸附器的匹配性，達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濾器(HEPA過濾器)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過濾器和碘吸附器兩級過濾后從左右兩側(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—進風(fēng)口；2—出風(fēng)口(兩側(cè))；3—電加熱器；4—HEPA過濾器排；5—碘吸附器排

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

碘吸附器不運行時，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運行，要求保證箱體內(nèi)的空氣≤50℃，相對濕度≤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，電加熱器停止運行，當(dāng)相對濕度大于40%時，電加熱器啟動加熱。目前存在相對濕度還沒降到40%以下時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)要求及改進要求

未運行電加熱器時箱體內(nèi)部溫度約為7～40℃，夏季相對濕度≤70%；運行加熱器后要求箱體內(nèi)部的相對濕度≤40%，溫度推薦≤50℃，優(yōu)先保證相對濕度。電加熱器保溫層外表面和箱體外表面溫度盡量不要超過50℃，以免對房間內(nèi)相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)造成影響。電加熱器通過系統(tǒng)配置的溫度傳感器和濕度傳感器實現(xiàn)自動啟?？刂啤ｋ娂訜崞鞴β蚀笮“礉M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

下面通過現(xiàn)場布點測試、CFD分析、設(shè)計改進和試驗驗證等環(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方向。

圖2 溫濕度測點布置圖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—進風(fēng)口內(nèi)部；1至10為溫度測點，RH01/RH02/RH03為相對濕度測點

3.1 現(xiàn)場布點測試

對某一現(xiàn)役核電項目的DVK系統(tǒng)碘吸附器及其電加熱器進行監(jiān)測，按圖2所示10個溫度測點位置布點測試溫度，以了解其實際運行性能，為后續(xù)改進提供參考。測試數(shù)據(jù)整理如圖3所示。

3.2 CFD分析

采用ANSYS 14.5軟件CFD分析測定碘吸附器正常工作時箱體各監(jiān)測點的溫度以及電加熱器輸入到碘吸附器內(nèi)部的功率，進一步研究設(shè)備的熱量分布和加熱效率情況。

3.2.1 模型簡化與信息輸入

去除對分析結(jié)果無影響的零件，并對箱體內(nèi)部流體域進行封閉處理。

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

溫度測點的模擬結(jié)果見圖3，電加熱器和箱體外部溫度云圖見圖4。

圖3 溫度測點的現(xiàn)場測試值和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)場測試結(jié)果對比可以看出，兩者之間的偏差較大可達50%，其可能原因：

(1) 現(xiàn)場試驗測試時間不足，有可能整個箱體還未達到熱平衡，測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，如報告中5點和7點，從經(jīng)驗判斷，箱體靠近電加熱元件中間5點的溫度應(yīng)高于邊緣7點的溫度而非實測顯示的7點溫度高于5點溫度，這可能是5點處與箱體間的間隙大于7點處與箱體間的間隙。

(3) 實際運行中，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流。

(4) 仿真模型還需要進一步優(yōu)化，如網(wǎng)格進一步細化，測試不同發(fā)射率等。

3.3 設(shè)計改進

原電加熱器向箱體內(nèi)部空氣熱傳遞共分四個階段三種形式：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，針對熱傳遞效率的幾大影響因素進行改進：

(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)試驗時再通過功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)運行功率來驗證和確定實際所需加熱功率。

(3) 延伸電加熱器兩側(cè)翼長度至箱體前面板，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行熱傳導(dǎo)。原側(cè)面電加熱器和底部電加熱器可分開獨立控制。

(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 試驗驗證

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

試驗前，按圖2布置了10個溫度測點和3個濕度測點。試驗時，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)，通過功率調(diào)節(jié)器每間隔約15min調(diào)節(jié)一次加熱功率，整個試驗過程持續(xù)60min后結(jié)束。標(biāo)記此次試驗為試驗1，測試數(shù)據(jù)整理如圖5所示。測試結(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，接觸面處測點3至8的溫度迅速上升至50℃，局部小幅度超過50℃，同時RH03處相對濕度迅速下降到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)部溫度和相對濕度分布仍非常不均衡，如RH01、RH02處相對濕度下降幅度極小，滿足不了濕度要求。

圖5 試驗1各測點溫濕度隨加熱時間變化曲線Fig.5 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 1

為此進行了進一步的改進，在箱體底部增加一組3.8kW的電加熱器，以使加熱更均勻，并進行了如下3個試驗：

試驗1：單獨運行底部電加熱器，按額定功率的50%(1.9kW)進行試驗。測試數(shù)據(jù)整理如圖6所示。測試結(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，相對濕度仍能較迅速下降，而且溫升曲線變得較平緩，各測點之間的溫升曲線曲率和各相對濕度之間的下降曲線曲率較相近，箱體內(nèi)部溫度和相對濕度分布均衡性有了明顯改善。

圖6 試驗2各測點溫濕度隨加熱時間變化曲線Fig.6 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 2

試驗2：單獨運行底部電加熱器，按額定功率的25%(0.95kW)進行試驗。測試數(shù)據(jù)整理如圖7所示。測試結(jié)果表明，相比于按50%加熱的測試結(jié)果，在加熱功率減小后，各測點溫度和相對濕度變化更加均衡，不存在局部溫度奇高的現(xiàn)象。

圖7 試驗3各測點溫濕度隨加熱時間變化曲線Fig.7 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 3

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

圖8 試驗4各測點溫濕度隨加熱時間變化曲線Fig.8 Temperature and humidity change with heating time for testing point in test 4

對測試數(shù)據(jù)進一步處理，如表1所示，對比發(fā)現(xiàn)：

(1) 3個試驗均可在允許一定溫升的情況下降低相對濕度。在要求小幅降低相對濕度的情況下，3個試驗的結(jié)果其差別較小，但在要求大幅度降低相對濕度的情況下，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，降低同等的相對濕度時，加熱功率大時局部溫升大且分布懸殊，加熱功率小時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2、3和4由于初始溫濕度不一樣，不能通過試驗直接證明其加熱降濕效果滿足所有工況下預(yù)期要求，但通過對比分析各試驗的加熱位置、功率、溫濕度變化量及其耗時,表明前述分析和改進設(shè)想與試驗結(jié)果基本相吻合，這也從側(cè)面驗證了電加熱器經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M是可以滿足設(shè)計要求的。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場測試、CFD分析、設(shè)計改進和試驗等環(huán)節(jié)的相互印證，電加熱器的可行的改進和改造方案如下：

(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：對于新項目相關(guān)設(shè)備的設(shè)計，可將原側(cè)面電加熱器改為布置在箱體底部，功率可由原來的3.6kW降低到1～2kW，功率大小取決于現(xiàn)場溫濕度條件和時長控制需要；對于在役運行相關(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獨立控制，無需改動原電加熱器。

(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)化布置溫濕度測點：溫度測點宜布置在靠近加熱面的地方，相對濕度測點宜靠近碘吸附器。

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

以上雖是針對某個CPR1000核電站的DVK系統(tǒng)而言的，但對于同樣采用保溫型電加熱器來控制溫濕度的應(yīng)用，例如主控室空調(diào)系統(tǒng)(DVC，或稱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長會有所不同。

[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(1987—)，男，廣東陽山人，工學(xué)學(xué)士，主要從事核電站曖通設(shè)備設(shè)計等工作

TK39；TH122

A

0258-0918(2016)06-0764-07