“华龙一号”安全壳过滤排放系统性能试验研究

刘长亮，朱京梅

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂发生严重事故后其安全壳内的压力会逐渐升高，在安全壳冷却系统失效的情况下，最终可能会因超压而破坏安全壳的完整性，造成放射性物质的外泄[1]。“华龙一号”安全壳过滤排放系统采用主动卸压方式降低安全壳内压力，从而使安全壳内压力不超过其承载限值，确保安全壳的完整性；同时为了防止排放气体对环境造成放射性危害，在安全壳过滤排放系统的卸压管线上设置过滤装置对排放气体中的放射性物质进行过滤。

根据“华龙一号”堆型对安全壳过滤排放系统的设计要求，开展了系统和设备的研发设计和试验工作，本文主要针对关键设备文丘里水洗器和金属纤维过滤器的单独过滤效率和整体串联过滤效率开展了试验研究和分析工作。

1 安全壳过滤排放系统

安全壳过滤排放系统在严重事故后确定需要开启时，排放气体依次通过文丘里水洗器和金属纤维过滤器进行过滤后排入大气。金属纤维过滤器下游设置一个限流孔板，在较大的系统压力变化范围内，限流孔板处于临界流动状态，系统排放的体积流量基本保持不变，从而保证在排放过程中文丘里水洗器和金属纤维过滤器内部的流速基本恒定，进而保证较高的过滤效率。

1.1 文丘里水洗器

文丘里水洗器是安全壳过滤排放系统中的关键设备之一。需要根据文丘里管的除尘、除气以及流动性能合理选择文丘里管数量，并设计最佳的布置方式，保证流量分配均匀和流动稳定性。根据系统36 h的运行要求，需要综合考虑系统初始投入运行阶段和稳定运行阶段的溶液装量变化规律，确定溶液初始装量。根据溶液初始装量计算结果，再结合文丘里管布置方式，确定文丘里容器的总容积以及外形尺寸。

系统初始溶液装量需要考虑在12 h排气过程中，初始阶段内由于蒸汽冷凝所导致的溶液冷凝量；同时，还要考虑溶液达到饱和温度后，在高温气体显热和衰变热的作用下的溶液蒸发量，再结合系统效率所要求淹没深度等要求，以及实际运行过程中液位波动和冗余量等因素来确定水装量。

1.2 金属纤维过滤器

金属纤维过滤器是核电厂安全壳过滤排放系统中的第二级过滤设备，主要用于去除未被文丘里水洗器滞留的微细气溶胶和随气流携带出的微米级雾滴。经过金属纤维过滤器过滤后，可以保证系统在较长的运行时间内具有高效的液滴分离及气溶胶去除能力。

1.3 系统和设备设计目标

针对“华龙一号”机组，基于NUREG-1465的严重事故源项[2]，计算得到严重事故24 h时刻安全壳大气中的核素质量，作为最初的设计输入。NUREG-1465说明，安全壳中的碘95%以气溶胶状态的CsI存在，4.85%为元素碘，仅0.15%为有机碘。因此系统核心目标是气溶胶过滤效率不小于 99.9%，元素碘过滤效率不小于99%。

2 综合试验平台

为了验证文丘里水洗器单独的过滤效率以及和金属纤维过滤器在串联工作下的过滤效率，根据安全壳过滤排放系统的相关参数，设计并建造了安全壳过滤排放系统试验平台，如图1所示。

该试验平台由蒸汽供给系统、空气供给系统、文丘里水洗器试验体、金属纤维过滤器试验体、高性能数据采集系统等组成。为模拟严重事故条件下安全壳内的大气环境，该系统配备了气溶胶、碘和有机碘的配送系统，能够向试验回路内配送一定压力、浓度的气溶胶、碘和有机碘。同时，该试验平台还配备了气溶胶、碘和有机碘的取样测量系统，能够保证过滤设备前后气体的取样和浓度的准确测量，从而完成文丘里水洗器和金属纤维过滤器的综合过滤性能试验。

根据前期文丘里管流动和过滤试验结果，文丘里管喉部气速在220 m/s的条件下，其过滤效率最高，综合性能最优[3]。已知额定工况下系统排气总流量为4 kg/s，计算所需文丘里管数量为 36根。36根文丘里管完全一致，且通过设计保证流量分配的均匀性，因此选择一根文丘里管进行试验即可，故试验在1/36排放流量条件下进行测试。

图1 安全壳过滤排放系统试验平台示意图Fig.1 The flow chart of the test platform for the containment filtration and exhaust system1—空压机；2—储气罐；3—截止阀；4—电锅炉；5—截止阀；6—混合罐；7—调节阀；8—文丘里水洗器试验样机；9—截止阀；10—金属纤维过滤器试验样机；11—截止阀；12—限流孔板

2.1 气溶胶过滤性能试验

为了验证系统对气溶胶的过滤性能，需要将气溶胶样品配送至试验系统，然后在系统的上下游取样测量，分析浓度变化计算过滤效率。

为了满足不同气溶胶浓度的测量需求，本试验中系统入口气溶胶浓度采用滤膜称重法测量，而出口浓度采用粒子计数法测量。以此验证文丘里水洗器和整体过滤排放系统对气溶胶的过滤效率。

2.2 碘过滤性能试验

为了验证系统对单质碘的吸收性能，需要将碘蒸气配送至试验系统，然后在系统的上下游取样测量，分析浓度变化计算吸收效率。

碘检测系统分别设置在文丘里水洗器的进、出口，用以监测进、出口碘的浓度，以此验证文丘里水洗器的碘过滤效率。

3 文丘里水洗器样机单独试验结果

文丘里水洗器试验样机用于测试文丘里水洗器的过滤效率，内部安装有文丘里水洗器的一个文丘里管样件，样件尺寸参数与原型机相同，运行参数以及流动参数也与原型机中所使用的文丘里管相同。

将空气与蒸汽按照一定配比通入文丘里水洗器试验样机，使溶液的温度升高，并最终稳定在相应分压力所对应的饱和温度，然后通过调节过滤排放系统出口阀门的开度，来控制整个系统的运行压力。

在额定入口压力和温度条件下，文丘里水洗器样机对气溶胶的过滤效率在 99%以上，满足水洗器的单级过滤效率要求。

试验中在额定温度和压力条件下对文丘里水洗器样机的碘吸收效率进行测试，碘过滤效率在额定入口参数条件下，去除效率达到99.5%以上，满足过滤排放系统的技术要求。

4 金属纤维过滤器样机试验方法和结果

4.1 金属纤维过滤器的组成

金属纤维过滤器主要用于去除未被文丘里水洗器滞留的微细气溶胶和随气流携带出的微米级雾滴，要求同时满足除湿、除尘和容尘三方面性能要求。经过理论分析和初步试验，金属纤维过滤器采用预过滤单元和精过滤单元两级过滤的方式。预过滤单元主要起除湿和容尘的作用，精过滤单元进一步提高过滤效率，以保证能对亚微米级的气溶胶微粒进行有效去除。预过滤单元选用丝径为约20 μm的不锈钢纤维为滤层材料，精过滤单元选用约6 μm的不锈钢纤维。

4.2 试验方式简介

除湿性能试验主要采用称重法测量经过被测预过滤单元时过滤下来的液体质量，将这部分液体质量与输入的总的液体质量进行比较，就可以获得预过滤单元的除湿效率。

在对纤维过滤器容尘性能研究时，参考目前国内外相关的容尘标准，并结合金属纤维过滤器的容尘量要求，确定容尘终止条件，并通过试验分析不同丝径的纤维组合结构及气溶胶浓度的改变对金属纤维过滤器容尘量及阻力特性的影响。在此基础上，确定满足容尘量技术指标要求的金属纤维过滤器纤维滤层组合结构。

除尘效率试验采用高效空气过滤器的性能试验方法，首先对平均粒径大约0.3 μm的气溶胶过滤效率开展试验。为了进一步提高金属纤维过滤器的过滤效率，又继续开展了对最易穿透粒径0.1～0.3 μm气溶胶的过滤效率检测。

4.3 试验结果及说明

本项目研究了不同纤维组合工况下滤层厚度对除湿效率和阻力的影响，以及迎面风速变化对除湿效率的影响。通过除湿性能试验筛选，初步确定预过滤单元的滤层纤维组合。通过容尘性能试验研究，适当调整了预过滤单元部分滤层的厚度。通过除尘效率试验研究确定精过滤单元的滤层组合。试验结果表明除湿、容尘和除尘三个方面的性能均满足技术要求。对平均粒径大于 0.3 μm 气溶胶的过滤效率可达到99.7%以上；当气溶胶平均粒径大于0.5 μm时，其过滤效率可达到 99.9%以上；当迎面风速为0.25 m/s时，即使在最易穿透粒径 0.1～0.3 μm的范围内，过滤效率可达到99.9%以上。

5 水洗液稳定性试验

安全壳过滤排放系统采用的是质量浓度0.5%的NaOH与0.2%的Na2S2O3的水洗溶液。水洗溶液的热稳定性和辐照稳定性是影响水洗效率的关键指标。0.5%的 NaOH与 0.2%的Na2S2O3的水洗溶液在常温下具有很好的稳定性。在溶液被加热到 180 ℃的情况下，水洗溶液放置 15天，除碘能力是新溶液除碘能力的98.9%。将 0.5%NaOH + 0.2%Na2S2O3的标准水洗溶液放入恒温炉，并将温度控制在 160 ℃，放入钴源房中进行辐照。“华龙一号”堆型严重事故后水洗液可能遭受的辐照累积剂量约为3 × 105Gy，试验表明在累积剂量约 4 × 105Gy时，水洗液仍然保持着较高的浓度，在高温下表现出较好的耐辐照性能。

6 整体试验方案和结果

在串联条件下对系统的气溶胶、碘和有机碘的过滤性能以及气溶胶和碘的再悬浮性能进行验证，试验中以文丘里管喉部流速和金属纤维截面表观流速作为参考量，在设计参数范围内改变系统温度和压力，验证不同条件下系统的过滤性能。验证试验分为常温常压和高温高压两种工况。

6.1 气溶胶过滤性能验证

6.1.1气溶胶过滤效率验证

在常温空气介质和高温空气—水蒸气介质条件下，安全壳过滤排放系统的气溶胶过滤效率均达到了99.99%以上。

6.1.2气溶胶再悬浮率验证

为了研究溶液中气溶胶的再悬浮特性，试验中采用电加热的方法来模拟衰变热功率，并对系统出口的气体进行取样，测量气流中气溶胶的浓度，进而获取气溶胶的再悬浮率结果。

根据三次测量结果所得浓度的平均值，作为系统静置过程中再悬浮气体中的气溶胶浓度平均值，根据试验中的加热功率下液体蒸发携带出气溶胶的总量，计算得到气溶胶的再悬浮率为0.001%，该再悬浮率低于试验技术要求的悬浮率0.003 4%。

6.2 碘过滤性能验证

6.2.1碘过滤效率验证

文丘里水洗器与金属纤维过滤器在串联条件下对碘的去除效率试验主要包括常温常压和高温高压两部分，在文丘里水洗器和金属纤维过滤器串联后碘的过滤效率同样维持在 99.5%以上。

6.2.2碘再悬浮性能验证

与气溶胶的再悬浮试验相同，测量气流中碘的浓度，进而获取碘的再悬浮率结果。根据测量结果，在测量仪器检测限范围内，出口碘浓度为 0。为了进一步保守计算，假设出口碘吸收液的吸光度为分光光度计的检测限0.001，由此计算碘的再悬浮率约为 0.06%。该再悬浮率远小于试验技术要求悬浮率0.1%。

7 结论

针对文丘里容器和金属纤维过滤器的过滤性能所开展的研究工作表明，试验方法、试验过程合理有效，试验结果可以接受，设备的配置和设计方案满足“华龙一号”核电机组的系统设计要求。

前期文丘里管流动和过滤试验结果表明文丘里管喉部流速约220 m/s时，过滤效率最高，综合性能最优。对于金属纤维过滤器，供货商按照金属纤维过滤器规格书要求进行金属纤维的组合，无需再进行性能试验。因此对于下一个华龙项目而言，仅需要对文丘里管的流速进行测量和验证，而不需要再进行其他性能试验，测量文丘里管喉部速度是否满足要求即可。