核电站安全壳大气监测系统ETY风机设计.docx

核电站安全壳大气监测系统风机设计ETY吴兴刚1 ，韩志秋1 ，郭小佳1 ，李吉贵2( 1 佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002;2 佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯 154005)摘 要 针对安全壳内大气监测系统( ETY) 在核反应堆中的功能，提出了 ETY 风机的两种设 计方案: 一种方案采用屏蔽式电动机，电动机定子内径有不锈钢屏蔽套保护绕组不受腐蚀; 另一种 方案采用三相异步电动机外罩密封腔，电动机轴中心有泄压孔以保证润滑脂不流失，绕组绝缘材 料具有耐酸碱腐蚀能力。关键词 安全壳; 大气监测系统( ETY) ; ETY 风机doi: 10 3969 / j issn 1008-7281 2013 04 04中图分类号: TM315 文献标识码: A 文章编号: 1008-7281( 2013) 04-0011-03Design of ETY Fan for Atmospheric Monitoring System ofNuclear Power Plant Containment ShellWu Xinggang，Han Zhiqiu，Guo Xiaojia，and Li JiguiAbstract In this paper，two design schemes of ETY fan are proposed according to the function of atmospheric monitoring system inside safety shell of the nuclear reactor One scheme adopts the canned motor，the internal surface of stator adopt stainless steel canned sleeve to pro- tect the winding from corrosion The other adopts three-phase induction motor with cover，a dis- charge hole in shaft center of the motor could guarantee the grease from losing，and insulation material of the winding has abilities of acid and alkali corrosion resistanceSafety shell; atmosphere monitoring system ( ETY) ; ETY fanKey words( 1) 用来降低安全壳内裂变惰性气体的放射性并达到限定水平，确保工作人员进入安全壳内。( 2) 避免空气外漏，维持安全壳内微小的负 压。( 3) 在失水事故后用来净化安全壳空气，使 安全壳内大气的放射性水平降低到允许的范围 内，并进行排放。( 4) 保证对安全壳内大气进行取样、混合。 对安全壳内空气进行再循环，防止氢气积累，保持 安全壳内氢气的浓度在允许的范围内。引言国家核电自主化工作领导小组提出的关于中 国核电发展的最新目标是: 2020 年在运行核电装 机容量 4 000 万千瓦，占总装机的 4% ; 在建核电 装机容量 1 800 万千瓦。核电厂为了防止发生反应堆严重事故，或者 即使在堆芯严重损坏的情况下，也能防止安全壳 超压失效、减轻事故后果而设置了燃料包壳、一回 路承压边界和安全壳三道屏障。同时还设计了安 全注入系统( IS) 、安全壳喷淋系统( EAS) 、辅助 给水系统( ASG) 、安全壳内大气监测系统( ETY) 和安全壳隔离系统( EIE) 等专设安全设施和应急 供电系统及设备。0ETY 风机设计ETY 风机运行环境ETY 风机设计的主要难点之一在于失水事故22 1ETY 系统的功能核电站 ETY 系统的主要功能如下1后苛刻的运行环境。以某核电站为例，失水事故后的运行环境条件如下: 每天 24 小时连续工作112013!4#48$%&173#(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )6 个月，输送介质为含放射性空气。空气最高温度: 80 ; 空气最高绝对压力: 0 15MPa; 空气中包键技术需要解决: 一是密封腔电气贯穿位置的密封; 二是绝缘结构的耐酸碱腐蚀能力( 见图 2) 。3 6g / m3 ;含 最 大 氢 气 浓 度:4 1% ;硼 酸:NaOH: 0 71g / m3 ; 空 气 PH 值: 9 25; 相 对 湿 度:10 100% ; 气体最大密度: 1 48kg / m3 ; 累积剂 量: 1 0 104 Gy。由以上失水事故后风机运行环境可以看出， ETY 风机输送介质为高温高压潮湿且带腐蚀及辐 射的气体，ETY 风机风轮与电动机轴一体，电机法 兰端盖作为风机腔的一部分。当高温高压气体经 过风机腔时使电机腔与风机腔产生压力差，会将 轴承润滑脂移出，导致轴承在无润滑或少润滑的 状态下运行，连续运行 6 个月会因轴承损坏而使 风机无法工作。另外，带腐蚀、辐射及潮湿的空气 直接进入电机腔与电机定子绕组直接接触，也将 导致定子绝缘电阻降低及匝间破坏。图 2 方案二示意图电气贯穿位置的密封，其关键是电气贯穿件 的密封。考虑到尽量减少风机机座的维护和检 修，电气贯穿件最好有和机组相同 的 使 用 寿 命( 40 年) ，以往采用非金属材料无论如何也无法 达到。近年来，国内已经研制成功了具有气密性 的陶瓷绝缘、陶瓷焊接密封电气贯穿件，并在振动 台架上通过了抗震试验，其电气性能、绝缘性能、 密封性能和可靠性均能满足核电站 40 年使用要 求。绝缘结构方面，聚酰亚胺类绝缘材料具有良 好的耐酸碱性能，可以在此基础上开发 ETY 风机 的绝缘系统。有关试验表明，聚酰亚胺漆包铜圆 线在经过强酸强碱( 盐酸、硫酸、氢氧化钠) 24 小 时浸泡后，仍然具有很高的绝缘强度。电动机的 槽绝缘和相间绝缘采用复合材料经过 VPI 浸漆处 理，其耐酸碱能力还会进一步提高。ETY 风机设计方案从上述情况分析，ETY 风机设计的另一个难 点在机组的电动机上。为解决以上两个问题，提 出如下两个方案。方案一: 采用屏蔽式电动机，电动机定子内径 有不锈钢屏蔽套保护绕组不受腐蚀，在电机与风 机间加隔热屏来保护电机不被加热，同时在电机 轴上开泄压孔来保护轴承润滑脂不流失。由于屏 蔽式电机没有动密封，泄漏量为零( 见图 1) 。2 22 3ETY 风机设计方案对比采用第一种方案即屏蔽式电动机时加工制造比较复杂，相对成本较高，但是由于屏蔽电机本身无泄漏的特点，可靠性更高。采用第二种方案即三相异步电动机外罩密封 腔结构，加工制造相对简单，成本降低，但是对于 电气贯穿件结构及绝缘要求比较严格。结语秦山二期 1、2 号机组的 ETY 风机是进口的，4 台共 30 多万美元。而 3、4 号机组外资企业的 报价是 200 万美元，是原来的7-8 倍。备件和现 场服务也受到相应的限制，在通风系统中，除了 ETY 风机，所有的风机设备已经实现了国产化。3图 1 方案一示意图方案二: 采用三相异步电动机外罩密封腔，电 动机轴中心有泄压孔以保证润滑脂不流失，绕组 绝缘材料具有耐酸碱腐蚀能力。此方案有以下关122013!4#48$%&173#(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )如果 ETY 风机也国产化，那么核电站所有的通风系统都可以自主制造。为了提高设备的国产化，加快核电自主化建 设，用第一种方案为巴基斯坦恰希玛核电站设计 生产了消氢风机，为秦山核电站设计生产了氦气参考文献方胜良，徐建锋，郑慧敏，等 核电站 ETY 系统风机1设计浅谈 风机技术，2011 42 李俊校，周淑娟 秦山二期扩建工程 ETY 风机的研 制与国产化 中国核电，2009 1。3 王胜，向文元，赵月扬，等 1E 级电气贯穿件设备鉴 定 机电信息，2011 4鼓 风 机，其 性 能 指 标 风量 1 500m3 / h、风(压 550daPa) 与 ETY 风机类似，工作环境和条件更为恶劣( 介质压力最高 16MPa、含酸、含碱) 。机 组使用已经超过 13 年，从未发生过任何故障。用第二种方案生产的 ETY 风机，已经为中广 核方家山 1、2 号机组、福清 1、2、3、4 号机组成功 供货数批，运行质量良好。两种设计方案均可行， 可以根据具体情况有针对性选择。4欧阳予 世界核电发展历程与中国核电发展之路中国核电，2008 3作者简介: 吴兴刚 男 1984 年生; 毕业于哈尔滨理工大学电机设计专业，现从事屏蔽电机设计工作收稿日期: 2013-3-27櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒以上 Maxwell 2D 有限元分析软件计算的仿真值与样机实测值比较接近，误差都在 6% 以内， 验证了本电机设计方案的合理性和可行性。( 上接 7 页)在永磁无刷直流电机中，永磁体与有槽电枢 相互作用产生齿槽转矩，导致转矩波动引起电机 振动，产生噪声。结语本文 利 用 Ansys / Maxwell 软 件 设 计 了 一 款150W 8p 600r / min 的三相永磁无刷直流电机，建 立了该电机的二维仿真模型，并对其相关性能进 行 2D 有限元分析计算以及样机的实验验证。该 电机目前已成功应用于一款家用设备中，并且批 量生产，节能效果明显，受到市场的认可和好评。 参考文献6样机制作与试验验证根据上述参数制作了样机，如图 9 所示。51李军丽 风机用单、三相永磁无刷直流电动机及其图 9给 电 机 施 加样机定转子图直 流 电 压，转 速 调控制技术D 上海: 上海交通大学，2010160V到 600r / min，用测功机对样机进行测试。Maxwell2D 有限元分析的仿真值与样机测试值进行比较， 如表 3 所示。表 3 仿真值和测试值234陈世坤 电机设计M 机械工业出版社，2000王秀和 永磁电机M 中国电力出版社，2007谭建成 永磁无刷直流电机技术M 北京: 机械工业出版社，20105 张洁琼 风机用单相无刷直流电动机设计J 微特 电机，2011，39( 4) : 4-7比较项目Maxwell 仿真值样机测试值误差电压( V)电流( A) 转速( r / min) 输出转矩(Nm) 输入功率( W) 输出功率( W) 效率( %