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核电空调设备的开发研制

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  • 发布日期:2009-12-08 13:43
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高登琛

(哈尔滨空调股份有限公司,哈尔滨 150018)

  哈尔滨空调股份有限公司是国家机械部骨干企业,是工业及民用空调暖通设备的专业生产厂。20世纪80年代,先后圆满完成了国家一批重点火电工程急需的空调设备的配套任务,这些项目主要有山东石横电厂、安徽平圩电厂、广东沙角电厂、湖北阳逻电厂等。其中石横电厂(300 MW)空调设备获国务院颁发的国家重大技术装备特等奖和国家"七五"期间重大技术攻关成果奖。通过大型火电空调设备的研制,锻炼稳定了一批科技开发人员,使公司科研、设计及工艺制造水平有了较大的提高,增强了承制电站成套空调设备的能力,为后来开发研制核电空调设备打下了坚实的基础。

  进入90年代以来,公司承担了巴基斯坦恰西玛300 MW核电站和秦山二期2×600 MW核电站空调设备的开发研制任务。核电空调设备根据应用系统的不同要求,其安全级别亦不尽相同,一般属核安全3级设备,其技术性能指标要求高,尤其对设备的可靠性、安全性有着极高的要求。因此,技术设计及工艺制造过程难度大,其中关键的性能指标需经大量的试验和技术攻关才能实现。另外,为确保核电设备的设计、制造质量,必须建立一整套符合核电设备要求的完整而有效的质量保证体系,在这些方面,普通火电空调设备是无法满足要求的。因此可以说,核电空调设备的开发研制是一项开创性的工作。

  无论是为国内还是国外核电站研制核级大型空调设备,对于公司来说都是一项新事物,因此,研制工作能否成功将直接影响核电空调设备的发展。为了确保核电设备研制成功,公司同原机械部重大装备司和业主等部门签订了科技攻关合同。公司领导班子极其重视核电空调设备的开发研制工作,成立了以总经理为总指挥、质保总工、生产副总、经营副总、总设计师和总工艺师为副总指挥的核电工程指挥部。遵循HAF0400核电厂质量保证安全规定及其相应的导则建立了一整套设计、采购、制造和服务质量保证体系,制定了核电空调设备工程质量保证大纲及其34个支持性程序文件,以使产品在形成的全过程中,对影响质量的诸多要素予以控制,确保产品质量。核电工程指挥部多次召开专项研究协调会,统一思想、统一认识、大力宣传,使全公司员工都了解核电工程的重要性,生产核电空调设备是国家的需要,是公司发展的需要,也是造福子孙后代的需要。

  针对核电空调设备供货合同、规格书以及攻关项目合同,参与开发研制的工程技术人员认真理解其中各项要求,熟悉相关国内外标准和资料,了解国内外核电空调设备的发展现状,并采取走出去请进来的办法,先后同俄罗斯原子能动力研究院、韩国LG公司和美国爱华公司的专家学者进行广泛技术交流,获得了许多宝贵的技术资料。在这个基础上,工程技术人员同心协力,提出了多种设计方案。经过论证,这个方案基本满足了规格书提出的抗震性能、密封性能、寿命、绝热等主要指标要求。

  1993年10月到1994年3月,经过150多天的日日夜夜,参与工程设计的人员共完成施工图3500多张和多项设计计算。与此同时,根据规格书和科研攻关合同的要求,认真研究确定了冷却器和加热器的热工性能试验、过滤器的性能试验、消声器的性能试验、密封性能试验、蒸发冷却填料热工性能试验和机组及主要部件抗震性能试验研究项目。其中密封性能试验、蒸发冷却填料热工性能试验和机组主要部件抗震性能试验都属于科研攻关课题。

  在诸多试验研究项目中,最重要的而且工作量最大的试验项目是机组的抗震试验研究。对我们来说,这是一项全新的课题。按照规格书提出的要求,机组为抗震I类(SSE)。机组中的设备、部件和支撑件均应在规定的地震响应谱下能保持它们结构整体的完整性,在地震力和其它所指定的力的综合作用下,所有设备和材料的变形不应导致设备和材料整体的破坏及功能性的损害。要满足这样的要求,机组就必须进行抗震试验和计算分析。为了给实验样机的设计提供依据,进而提高试验样机的可靠性,先制造了一台试验小样进行先行的抗震试验和分析。试验小样的截面尺寸按试验样机1:1设计,长度相当机组的一个功能段。试验小样的抗震试验于1994年8月进行,试验按规定的楼板响应谱分别进行了5次OBE和1次SSE试验。从试验结果分析,冷却器和机组箱体的连接结构偏弱,据此及时修改了试验样机的设计,使问题得以解决。试验样机的抗震试验于1995年1月进行。由于试验样机整体长度和震动台架的限制,试验时将机组分成两部分分别进行试验,一部分是过滤段和回风机段,另一部分是冷却段和送风机段。考虑到机组实际运行工况,在规定的响应谱下,机组静止状态分别进行了5次OBE 和1次SSE试验,然后在机组 运行状态下,又分别进行了5次OBE和1次SSE试验,试验结果显示机组的各部分结构都完好无损,试验后运行状况完全正常。为了更进一步验证机组的可靠性,在正常试验完成后,在机组结构最薄弱的方向上(气流方向),分别进行了1.4倍和1.8倍SSE地震载荷下的超载试验,试验时让风机处于运行状态,这种试验实际上属于破坏性试验,但在试验结束后,设备各部分完好无损,而且风机运行状态也未发现任何异常现象,这些都显示了样机结构的可靠性。

  在试验样机抗震试验的全过程中,为了监测试验时和试验后风机性能的变化,始终有仪表监测电动机的电流、电压和转速的变化,监测结果显示没有产生大的波动,因此说明在地震工况下,风机可正常运转且性能是稳定的。风机的抗震计算分析主要验证在地震力和其它力综合作用下机壳及边界处是否会失效,风机的叶片和机壳是否会发生碰撞。在应力评定时,考虑到风机是运动部件,把D级工况的评定指标提高了两个级别,即采用了B级工况指标。从计算分析的结果看,风机的应力值和变形都在规定的允许值范围以内。

  试验样机的计算分析工作是在抗震试验的基础上进行的。虽然试验样机经台架振动试验显示了可靠性,但在计算分析过程中依然发现样机有薄弱点。为此,设计人员同有关专家一起,进行了充分的研究,既要考虑结构的合理性,又要考虑制造安装的可行性,在机组的内框架上进行了结构加强处理。其后,对其加强后的试验样机又重新进行了计算分析,计算结果证明加强处理后的样机其结构强度满足要求。

  核级空气处理机组的抗震试验和计算分析所依据的主要标准是ASME第III卷中NCA分卷和ND分卷及相应的材料技术标准。其工况种类的划分、载荷的组合、应力的取值以及应力的评定方法全部与ASME标准中规定的要求相符合。

  核级空气处理机组的抗震试验和计算分析鉴定会于1995年9月13日召开。鉴定会与会专家来自国家科委核安全中心、核工业第二研究设计院、上海核工程研究设计院、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、上海核电器材公司等11个单位。会上,哈尔滨空调股份有限公司和中国地震局工程力学研究所就核级空气处理机组的抗震试验和计算分析工程情况向专家评委作了详细介绍。评委们对核级空气处理机组和核级风机的抗震试验及计算分析报告及相关资料进行了认真审查和讨论,一致认为,哈尔滨空调股份有限公司做了大量细致的科研工作,积累了丰富的资料和经验。鉴定结果确认,核级空气处理机组满足了科研攻关合同和规格书中有关抗震的要求。抗震试验和计算分析方法可靠、正确,计算分析模型合理,计算步骤清晰,结果可信。此项抗震试验及计算分析技术研究工作达到了国内先进水平,为我国核电站用大型空调设备的国产化做出了贡献,填补了国内空白。

  1993年至1994年,公司还进行了蒸发冷却填料热工性能试验的研究。试验工作的主要内容为:(1)在进风参数和迎风速度不变的情况下确定喷水系数和热湿交换效率的关系。(2)在喷水系数不变的情况下确定热湿交换效率与迎风速度的关系。(3)确定风量和阻力的关系。(4)填料不同厚度时的热湿交换效率。试验开始先进行了填料的研究。填料对热湿交换效率产生影响的主要指标是吸湿系数,对于这个问题我们进行了长时间的研究工作,先后多次对填料进行了改进,现在用于P300工程蒸发冷却式空气处理机组的填料是最新产品,经黑龙江省检测研究所测试,吸湿率达到96%,高于美国同类产品的水平。其次,我们对蒸发冷却试验小样进行了多次改进和试验,其中包括改变喷孔布置方式,由一排改为交错两排;改变孔径;改变喷水方向;增设导流板;改变喷管位置,由中心位置水平移向进风端;等等。这些改进和试验为最终改善蒸发冷却式空气处理机组的性能提供了可靠的依据。

  本项试验于1995年12月通过了专家鉴定。鉴定结果表明,本项试验研究工作完成了科研攻关合同确定的内容。为蒸发冷却式空气处理机组设计提供了可靠的依据,为顺利完成P300工程在高温条件下,蒸发冷却式空气处理机组的研制创造了条件为我国核电大型蒸发冷却式空气处理机组国产化做出了贡献。

  在完成科研攻关项目的同时,公司还相继完成了冷却器和加热器热工性能试验,过滤器性能试验和消声器性能试验。

  至此,核电空调工程确定的科研试验项目全部完成。1995年12月由上海核电器材公司、上海核工程研究设计院和华东电力设计院组成的验收组对这些科研项目进行了验收。验收结果表明,科研攻关项目的试验研究达到了合同和规格书所规定的要求,所提供的文件资料齐全,内容完整有效。验收组一致同意,核级空气处理机组和蒸发冷却式空气处理机组可用于核电工程。

  1996年,哈尔滨空调股份有限公司为巴基斯坦恰西玛核电站配套的空调设备开始安装,随即投入运行,目前运行情况良好。为秦山二期配套的空调设备目前正处于调试阶段。

  回顾几年来哈尔滨空调股份有限公司开发研制核电空调设备的历程,充满了困难和艰辛,但是这些困难也锻炼和考验了我们的科研队伍,增强了攻克难关的勇气。可以相信,通过核电大型空调设备的研制取的成果和经验,已经使公司承制大型核电设备具备了坚实的制造能力,核电空调设备的开发研制使公司空调产品的发展进入一个崭新的阶段。
 

 
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