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HTR-10备用主氦风机更换方案设计

床堆芯、石墨反射层和控制棒的反应堆压力容器,装有主氦风机和蒸汽发生器的蒸汽发生器压力壳及同心套管形热气导管构成。主氦风机的功能是在反应堆启动、停堆及正常功率运行时为堆芯提供足够的冷却剂(氦气),将堆芯的热量带走。

本文通过对HTR-10目前使用的主氦风机和即将安装的备用主氦风机之间的比较,结合长期冷停堆状态下对一回路舱室剂量场的测量结果,提出了蒸汽发生器舱室内拆装及舱室外拆装两种更换方案。以此为基础,采用三维数字模拟技术对上述两种拆装方案进行了仿真。通过对施工安全性、工作量、工作难度等方面的综合分析,作者认为蒸汽发生器舱室外拆装方案具有更强的可行性。

2两风机比较HTR-10对一回路氦气的纯度要求很高,因此对主氦风机轴承除承载能力、使用寿命、机械性能等基本要求外,最重要的是要求防止轴承润滑剂对-回路的污染。HTR-10目前使用的主氦风机为覆盖式结构(),风机与电机同轴,密封在一回路的压力边界内。风机-电机整体安装在蒸汽发生器压力壳上部,并与蒸汽发生器共用一个压力容器。其额定运行参数如表1.该风机选用结构简单、表1主氦风机额定参数Table参数名称量值介质纯氦气进口压力/MPa质量流量/kg-s-1压力升/kPa介质温度/°c调速范围/%额定转速/rpm驱动电机功率/kW油脂蒸发度低的油脂润滑滚动轴承。此外,采取了较为复杂的油供应与处理系统、密封系统及氦气缓冲系统等措施以保障氦气纯度。

为从根本上解决润滑问题,且不造成对一回路的污染,HTR-10准备采用装配电磁轴承的主氦风机取代原主氦风机。在大型高温气冷堆设计中,主氦风机采用电磁轴承方案,相对其他类型轴承具有明显的优点:①使用寿命长(无接触或摩擦表面);转子可以高速转动;③无润滑剂系统,无润滑剂污染,无需复杂的密封;④轴承磨损小;⑤动平衡校准简单;⑥转子状态便于连续监测;⑦维护工作量小。

装配有电磁轴承的备用主氦风机()将安装在原主氦风机的位置上,不改变原主氦风机的安装条件并提供相同的功能;备用主氦风机运行时,相同。

备用主氦风机与原主氦风机主要差别在于:备用主氦风机采用电磁轴承,在电机轴上自上而下有上辅助轴承、轴向推力电磁轴承、径向电磁轴承、下径向电磁轴承和下辅助轴承;原主氦风机电机轴上自上而下有轴向推力油脂滚动轴承(2个)和径向油脂滚动轴承(1个)。

备用主氦风机上有电磁轴承的动力线和控制线,原主氦风机上有轴承的油脂供给管、冷却水管及冷却器。

贯穿风机压力壳的冷却水管改为贯穿风机压力壳的电器贯穿件。

3安全性分析用Y剂量仪和中子剂量仪对回路舱室内的剂量分布情况进行了测量试验。试验条件:燃料元件存于堆芯中,HTR-10累计功率运行时间为415.34d,积分功率为191.597满功率天。试验结果见表2.表2―回路舱室剂量场pGy/h测点位置剂量值风机壳与蒸汽发生器壳连接法兰东侧Y剂量风机壳与蒸汽发生器壳连接法兰西侧Y剂量风机壳与蒸汽发生器壳连接法兰南侧Y剂量风机壳与蒸汽发生器壳连接法兰北侧Y剂量蒸汽发生器舱室保温层下1m处Y剂量蒸汽发生器人孔Y剂量热氦导管法兰(东侧法兰)Y剂量-2.43m标高通道东侧Y剂量蒸汽发生器壳底部表面Y剂量反应堆压力壳-2.0m标高处表面Y剂量反应堆压力壳-0.29m标高处表面Y剂量反应堆压力壳 0.3m标高处表面Y剂量反应堆压力壳 1.3m标高处表面Y剂量反应堆压力壳 3.5m标高处表面Y剂量反应堆压力壳 4.4m标高处表面Y剂量反应堆压力壳-4.5m标高处表面中子剂量从回路舱室剂量场分布可知在长期冷停堆工况下回路舱室放射性剂量水平最大值为205MGy/h,工作人员在受控状态下进行更换操作能够保证人身安全。

4拆装方案验证现场具备安全施工条件后,初步形成了舱室内拆装和舱室外拆装两种方案。

舱室内拆装方案基本步骤为:①吊装屏蔽混凝土盖板;断开风机压力壳端盖外连接:切断冷却水管、拆除电气连接件等;③胀拉并拆卸压力壳端盖螺栓,起吊压力壳端盖并支撑;④辐射剂量测量、放射性气溶胶分析与环境评价;⑤断开壳内接插件、进入壳内拆开动力电源线,吊移端盖;⑥拆除壳内、外构件:腔体冷却器、润滑油脂管、传感器、电机等;⑦安装电气贯穿件,安装备用主氦风机,连接电缆线;⑧压力壳端盖预安装,连接动力线,风机预试验;⑨端盖安装与焊缝检测,风机及电磁轴承性能试验;备用主氦风机正式安装,胀拉螺栓,清场收尾。

舱室外拆装方案基本步骤为:①吊装屏蔽混凝土盖板;断开风机压力壳端盖外连接:切断冷却水管、拆除电气连接件等;③胀拉并拆卸压力壳端盖螺栓,起吊压力壳端盖并支撑;④辐射剂量测量、放射性气溶胶分析与环境评价;⑤将压力壳顶盖复位并胀拉螺栓,吊移主氦风机压力壳至反应堆大厅预先设置的拆装操作区域,遮盖蒸汽发生器法兰敞口;⑥胀拉并拆卸压力壳端盖螺栓,吊移压力壳端盖至拆装操作区域内预设的端盖支架上,压力壳清污;⑦断开壳内接插件、进入壳内拆开动力电源线;⑧拆除压力壳内、外构件:腔体冷却器、润滑油脂管、传感器、电机等;⑨安装电气贯穿件,安装备用主氦风机,连接电缆线;连接临时动力线、风机预试验;端盖安装与焊缝检测,风机及电磁轴承性能试验;备用主氦风机正式安装,胀拉螺栓,清场收尾。舱室外拆装方案中,⑥步均在蒸汽发生器舱室外实施。

5三维数字模拟为了给方案设计提供,对更换过程中存在的潜在风险进行预估,也为最终方案评价提供真实依据,有必要对备用主氦风机更换的全部过程进行仿真模拟。HTR-10*回路蒸汽发生器三维模型采用CATIA软件完成,软件版本号V5R16.CATIA是法国DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM*体化产品,广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业。借助CATIA及其强大的CAD功能,从草图设计、零部件设计到装配设计,完成了包括HTR-10大厅、一回路包容体、一回路压力壳、蒸汽发生器及其它附属零部件等内容在内的完整三维全尺寸装配模型,所有零部件草图均采用1:1比例绘制。在此基础上,采用CATIA提供的独特的DMU功能模块定义装配过程,从水泥压块吊装路线、主氦风机压力壳端盖拆装方案,到新电气贯穿件安装方案,全部完成动画模拟,最终生成AVI文档。

6分析评价本文提出的两个方案中,很显然舱室外拆装方案由于需要将氦风机压力壳整体拆除到一回路包容体以外进行施工,随之而来的工作量较舱室内拆装方案有所增加;其次,由于主氦风机相关备件(例如密封环)存货较少,舱室内拆装不需更换备件,同时简化施工方案,有助于节省经费。

尽管舱室内拆装方案存在上述优点,但同时存在诸多不足:①主氦风机更换过程是对新旧主氦风机等一回路相关系统设计及设备性能进行验证的有利时机,HTR-10相关设计人员已经准备了包括备用主氦风机入堆前后性能验证、反应堆冷热态实验、一回路石墨粉尘分布实验等在内的大量实验内容,因此主氦风机压力壳打开后充分的实验时间是必须的;压力壳内操作空间狭小,可以预见到壳内接插件、动力电源线及腔体冷却器等构件的拆除需要较长的施工时间。根据对一回路舱室内放射性剂量的测量结果,在进行剂量控制与辐射防护的前提下进行操作,虽然可以保障施工人员在堆顶施工的安全,但如果能够在不明显增加工作量和工作难度的条件下,将主要工作区域尽量远离堆顶,创造相对较好的工作环境,无疑对减轻施工人员心理负担,提高工作质量具有积极作用;③如果更换过程涉及冷却水管、润滑油脂管的切割以及新电气贯穿件的焊接等过程操作在堆顶完成,需要额外设置防止铁削、铁末等污物落入壳内的保障措施;④根据维修经验,更换过程尚存在不可预见的困难,相应的工作量难以估计。综合以上因素,作者认为舱室外拆装方案更为可行。

7结束语根据HTR-10原主氦风机及备用主氦风机的结构特点,结合对一回路舱室剂量场的测量结果,本文提出了备用主氦风机的两种更换方案,并采用三维建模软件对更换过程进行动画模拟。通过对两种方案的分析评价,笔者认为,舱室外拆装方案可行性较强。