автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальное обоснование двухступенчатых аэрозольных фильтров применительно к вентиляционным системам ЯЭУ

На правах рукописи

Мельников Валерий Петрович

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВЕНТИЛЯЦИОННЫМ СИСТЕМАМ ЯЭУ

Специальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2004 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Физико-энергетическом институте имени А.И. Лейпунского

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

П.Н. Мартынов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник кандидат технических наук, доцент

С.М. Коломиец Ю.И. Аношкин

Ведущая организация: Федеральный научно-производственном центр ФГУП «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И.Африкантова»

диссертационного совета Д 212.165.03. в Нижегородском государственном техническом университете, 603600 Н. Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 3 " ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессс М. Дмитриев

Защита состоится

и

и

_2004г. в 10 час на заседании

ÇStLl

^ Ь*'*- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время все большее внимание уделяется проблемам радиационной безопасности ЯЭУ. Обеспечение экологической безопасности действующих ЯЭУ зависит от надежности защитных барьеров (герметичность контура с теплоносителем, оболочки ТВЭЛов) и работы соответствующих технологических систем по улавливанию и удалению радионуклидов, прошедших через защитные барьеры.

На сегодняшний день к вентиляционному оборудованию и фильтрационным системам 1 действующих ЯЭУ предъявляются повышенные требования по качеству очистки воздуха,

замене морально устаревшего оборудования на более совершенное, включая использование новых образцов высокоэффективных аэрозольных фильтров на основе стекловолокнистых материалов.

Применяемые на действующих АЭС одноступенчатые аэрозольные фильтры, оснащенные полимерными фильтроматериалами, при отклонении значений параметров очищаемой среды от режимов нормальной эксплуатации не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к системам очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей микронного и субмикронного размера, в частности, по эффективности, ресурсу, термостойкости, возможности работы во влажной среде.

В связи со сложившейся ситуацией потребовалось создание аэрозольных фильтров нового поколения, исключающие данные недостатки.

Целью работы являлось достижение следующих технических характеристик высокоэффективных аэрозольных фильтров:

- эффективность очистки воздуха фильтрами по наиболее проникающим частицам (включая условия повышенной влажности и температуры воздуха), не менее..........99,95 %

- термостойкость, до...............................................................................150°С

- относительная влажность среды, до..........................................................99 %

- ресурс работы фильтра, не менее...........................................................................1 года

Цель достигается на основе результатов проводимых расчетно-экспериментальных исследований и новых технических решений. Задачи исследований:

• разработка методик и создание специального стенда для проведения исследований аэрозольных фильтров; '

• оптимизация конструкции в условиях размерных ограничений с достижением улучшенных характеристик аэрозольных фильтров по параметрам:

- эффективности очистки для наиболее проникающих частиц,

- пылеемкости (ресурса),

- аэродинамическому сопротивлению.

• подтверждение эффективности созданных фильтров в испытаниях на лабораторных стендах и на действующих ЯЭУ.

Научная новизна. В диссертационной работе:

- применительно к вентиляционным системам действующих ЯЭУ обосновано применение 2-х ступенчатых фильтров с улучшенными характеристиками (по эффективности, термостойкости, ресурсу) с целью замены используемых 1-о ступенчатых;

- впервые разработаны новые методики исследований характеристик аэрозольных фильтров (эффективности, пылеемкости, сопротивления), основанные на совместном (комплексном) применении лазерной спектрометрии, аналитических фильтров, контроля сопротивления и 2-х генераторов аэрозольных частиц с медианным диаметром (масс.) 2+5мкм и 0,4-=-0,6мкм соответственно для материалов предварительной и тонкой очистки;

впервые расчетно-экспериментальным "»^"^л" """["чд» соотношения

между секциями предварительной и тонкой очф itMLjlMMfMMMMMfiepcHoro состава

¿rsg&gbi

(0,2-5 ,Омкм), концентраций аэрозолей (до 0,5мг/м3) и производительности фильтра (З500м3/час);

- впервые характеристики по пылеемкости секций предварительной (до 1,5кг/м2) и высокоэффективной (до 0,15кг/м2) очистки 2-х ступенчатого фильтра получены с учетом дисперсного состава и концентраций аэрозольных частиц, имеющих преимущественное значение для каждой секции;

- на основании полученных результатов создан высокоэффективный 2-х ступенчатый аэрозольный фильтр применительно к стандартным габаритам вентиляционных ячеек действующих ЯЭУ и имеющий улучшенные технические характеристики, соответствующие Федеральным нормам Госатомнадзора России.

Защищаемые положения:

1. Разработанные методики экспериментальных исследований и созданный стенд СИАФ-1 для испытаний аэрозольных фильтров позволяют оперативно и достоверно оценивать перспективность применения различных типов фильтров и фильтрующих материалов в обеспечение экологической безопасности ЯЭУ.

2 Разработанная конструкция двухступенчатого фильтра обеспечивает технические и эксплуатационные преимущества по сравнению с аналогами: при номинальной производительности обеспечивается увеличение ресурса работы фильтра более, чем в 2 раза при сохранении высоких значений эффективности очистки (не менее 99,95%) в течение всего периода работы фильтра, включая условия повышенной влажности и температуры очищаемого воздуха.

3. Разработанная методика аэродинамического расчета фильтра позволяет оптимизировать конструкцию на стадии ее проектирования с учетом конкретных условий эксплуатации и параметров фильтруемой среды на ЯЭУ. Практическое значение работы.

Комплекс выполненных научно-исследовательских работ позволил применительно к действующим АЭС создать высокоэффективный двухступенчатый фильтр ФАС-3500-Д с улучшенными техническими характеристиками. На созданный фильтр ФАС-3500-Д разработаны технические условия. Освоено серийное производство двухступенчатого фильтра. Фильтры в настоящее время проходят промышленную эксплуатацию в вентиляционных системах Курской АЭС, Калининской АЭС, Первой в Мире АЭС (г. Обнинск), на предприятиях приборостроительной и радиохимической промышленности (Приборостроительный завод, г. Трехгорный; Горно-химический комбинат, г Железногорск и др) На указанных предприятиях фильтры ФАС-3500-Д успешно эксплуатируются в течение более 2 лет. На основании позитивного опыта эксплуатации этих фильтров в условиях вентиляционных систем ряда атомных электростанций и промышленных предприятий имеются все необходимые предпосылки о полном переоснащении этих предприятий высокоэффективными двухступенчатыми фильтрами типа ФАС-3500Д

Фильтр ФАС-3500-Д и фильтроматериал защищены патентом РФ № 2200615 от 20.03.2003.

Апробация работы. Результаты и положения диссертационной работы оыли доложены'

- на Международном семинаре "Эффективные технологии для реализации природоохранительных программ и обеспечения экологической безопасности" (г.С-Петербург, 2000г.);

- на Международной конференции "Воздух-2001" (г.С-Петербург, 2001г.);

- на отраслевом научно-техническом семинаре "Очистка газовых сред на

предприятиях с ядерными технологиями" (г.Обнинск, 2003г.);

- на международной выставке "Неделя высоких технологий" (г.С-Петербург, 2003г.) Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16

печатных работах и сборниках докладов конференций. Структур" " работа состоит из введения, пяти глав и

заключения, излфкейнуизчс <4йЬ*сзраницАх, содержит 37 рисунков, 29 таблиц, список * }

4 4 *** М1 ЛО *

использованных источников из 118 наименований, а также включает 23 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Рассмотрены актуальность и научная новизна проведенных исследований. Представлены апробация и практическая значимость полученных результатов Определена цель диссертационной работы и основные положения, которые выносятся на защиту.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПО ОЧИСТКЕ ВОЗДУХА ОТ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА АЭС ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ Выполнен анализ работ применяемых аэрозольных фильтров в составе вентиляционных систем действующих ЯЭУ.

Используемые в настоящее время на атомных станциях аэрозольные фильтры типа Д-23, А-17, которые оснащены материалами ФП (фильтрами Петрянова), при отклонении значений параметров очищаемой среды от режимов нормальной эксплуатации не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к системам очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей, в частности, по эффективности очистки, ресурсу и термостойкости. В таблице №1 представлены характеристики применяемых фильтров Д-23, А-17 и требуемые.

Таблица №1

№ п/ п Параметр Требуемые характеристики Характеристики фильтров Д-23, А-17

1. Эффективность очистки, % 99,95 (стабильная в процессе эксплуатации) 99,9 в исходном состоянии (для ФПП-15-1,5); снижается до 90% при 100% относительной влажности, повышенных температурах, радиационном облучении, длительном хранении

2. Относительная влажность, % До 99 95

3. Термостойкость, "С 100 и 150 (кратковременно) 60 (для ФПП)

4. Горючесть фильтроматериала Не горюч или не поддерживает горение Горюч с выделением токсических веществ

5. Оцениваемый ресурс, год Не менее 1,0 0,5

Видно, что по основным параметрам - эффективности очистки, термостойкости, возможности работы во влажной среде, ресурсу фильтры Петрянова не отвечают данным требованиям.

Показано, что при эксплуатации данных фильтров в составе рециркуляционных и вытяжных вентиляционных систем действующих АЭС (Курской, Калининской,

Ленинградской и др.) величина эффективности очистки фильтров снижается на -1-5-2 порядка- с 99,9% до 90% и ниже; расчетный ресурс работы фильтров составляет - 0,5 года.

В связи с тем, что в последние годы ужесточились требования к системам вентиляции, важных для безопасности атомных станций (Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии НП-036-02), показана необходимость создания аэрозольных фильтров нового поколения, имеющих высокую эффективность (не менее 99,95%) и сохраняющих данные значения в течение всего срока эксплуатации, ресурс работы не менее 1 года, способных работать при повышенных температурах (до 150°С) и относительной влажности воздуха (до 99%), изготовленных из трудногорючих материалов.

Проведен анализ параметров очищаемых воздушных сред на действующих АЭС с ВВЭР и РБМК (Балаковской, Кольской, Ленинградской АЭС и др.). Представлены характеристики аэрозолей, присутствующих в воздухе в режимах нормальной эксплуатации АЭС, а также при планово-предупредительных ремонтах (ППР) и аварийных режимах. Установлено, что в режиме нормальной эксплуатации АЭС концентрации, дисперсный состав, удельная активность аэрозолей, температура и относительная влажность воздуха могут изменяться в достаточно широких пределах: С) = 60 + 110мкг/м3, у < 2,2-Ю'1 Бк/л, I < 60°С, относительная влажность < 90%, медианный диаметр частиц <11=0,3-5-0,8мкм, а при ППР до С2=360 мкг/м3, у < 6104Бк/л, 1< 150°С, отн. влажность < 99%, медианный диаметр частиц ё2=2,0-ь5,0мкм.

На рисунке 1 представлены результаты измерений дисперсного состава аэрозолей и их вклад в счетную концентрацию частиц в помещениях 1-й в Мире АЭС, характерные для режимов нормальной эксплуатации и других АЭС.

Рис.1. Измерения состава аэрозолей в рабочем помещении 1-й АЭС (№1, №2, №3).

Установлено, что основной вклад в счетную концентрацию аэрозолей (-94%) в условиях нормальной эксплуатации ЯЭУ вносят частицы размером 0,3-^0,бмкм. Массовая концентрация аэрозолей не превышает значений -ЗОмкг/м3, объемная активность составляет величину -Ю^Бк/л (нормальный режим эксплуатации) и достигает значений до ~102Бк/л при

разделке отработавших тепловыделяющих сборок (TBC) и систем управления защитой (СУЗ). При проведении ежегодных планово-предупредительных ремонтов на АЭС выброс радиоактивных аэрозолей составляет ~ 40+60% общего годового выброса, основной размер которых составляет уже 2,0+5,0мкм, а радиоактивность достигает до 6» 103 Бк/л.

Изложены теоретические основы по механизмам улавливания аэрозолей волокнистым фильтром при рассмотрении "веерной" модели Кирша-Стечкиной, которые позволяют сделать обоснованный выбор фильтрующих материалов для разрабатываемого фильтра с I определением их параметров - диаметров волокон, плотности упаковки, толщины

фильтроматериала и т.д.

С учетом результатов анализа характеристик воздушных сред действующих АЭС (в том числе и на 1-й в Мире АЭС), работа применяемых ФП-фильтров и вклада различных , механизмов улавливания аэрозолей были разработаны общие положения двухступенчатой

очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей микронного и субмикронного размера с использованием термостойких высокоэффективных материалов на основе стекловолокон. В заключение к первой главе формулируется цель и задачи исследований, указанные в разделе "Общая характеристика работы" автореферата.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕКЦИЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ И ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРА С ОБОСНОВАНИЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

Разработаны основные требования для секций предварительной и тонкой очистки в части необходимых характеристик фильтра по эффективности, пылеёмкости, сопротивлению и термостойкости.

Приведены результаты исследований основных характеристик перспективных фильтрующих материалов на основе полиэфирных и стекловолокон для секций предварительной и тонкой очистки фильтра.

Для получения наиболее достоверных результатов по определению характеристик фильтрующих материалов и фильтров автором разработаны методики исследований, основанные на использовании комплексного метода с применением лазерной спектрометрии, аналитических фильтров и разработанных генераторов полидисперсных аэрозольных частиц. По данным методикам были определены основные параметры секций фильтров: пылеемкость по субмикронным и микронным частицам, аэродинамическое сопротивление и эффективность очистки. Разработка методик выполнена с учетом отечественного и зарубежного опытов в области фильтрации в соответствии с новыми нормативными требованиями, предъявляемыми к аэрозольным фильтрам рециркуляционных и вытяжных систем вентиляции. Это касается в первую очередь ресурса, термостойкости, эффективности очистки воздуха по наиболее проникающим аэрозолям (d = 0,2+0,5мкм), > которая должна составлять не менее 99,95%.

В связи с данными требованиями и учитывая дисперсность, концентрации и значения радиоактивности аэрозолей, присутствующих в воздушных средах действующих ЯЭУ, для исследований таких основных характеристик, как эффективность очистки и пылеемкость высокоэффективных материалов автором был разработан генератор дыма, обеспечивающий образование аэрозольных частиц с медианным диаметром 0,4+0,6 мкм. Принцип работы генератора основан на подаче в воздушную среду аэрозоля в виде дыма, образуемого при горении специальной бумаги с определенным компонентным составом. Величины концентраций аэрозолей, которые позволяет получить данный генератор, составляют 0,5+300мг/м3, что обеспечило проведение сравнительных экспресс-исследований высокоэффективных фильтрующих материалов с определением их пылеемкостных характеристик и эффективности очистки по наиболее проникающим частицам.

Применительно к секции тонкой очистки предложен изготавливаемый по нашим рекомендациям Волжским НИИ ЦБП трехслойный материал фильтрующий

высокоэффективный (МФВЭ-3) из стекловолокон различного диаметра. Внешний фильтрующий слой выполнен из стекловолокон диаметром 2г = 0,8 мкм; средний слой из стекловолокон диаметром 2г = 0,4 мкм; замыкающий высокоэффективный слой из волокон диаметром 2г = 0,25 мкм. Данная компоновка слоев в стеклобумаге обеспечивает

последовательную очистку воздуха сначала от более крупных (0,5+0,8мкм), а затем и от более мелких (~0,2мкм) частиц, что позволяет увеличить пылеемкость фильтроматериала, а следовательно, и ресурс самого фильтра. Аэродинамическое сопротивление данного фильтроматериала при стандартной скорости фильтрации (V = 1см/с) составляет величину ДР = 30+50Па (ТУ 13-00281097-27-93). Проведены сравнительные исследования аэродинамических и пылевых характеристик отечественного материала МФВЭ-3 и зарубежных материалов компании НоШпд8\гогШ такого же класса (Н12/13, Н13). Результаты аэродинамических испытаний представлены на рис.2: сопротивление зарубежных материалов при стандартной скорости фильтрации (0,01м/сек) составляет величину ДР = 55+70Па, что как минимум в -1,3 раза выше, чем у отечественного материала МФВЭ-3.

* 450 В„ 400 350 к 300 1 250 1 200

3 150

I 100

& 50 0

0 2 - 4 6 8 10

Линейная скорость, см/с

А1 • спкло бумага НВ-6783 (фирма НоШпдажоПИ, кл. Н13); ■2-стоклобумага НС-4313 (фирма НоШпдаикоЛЬ кл. Н12/13); #3 - стмлобумага МФВЭ-3 (НИИ ЦБП, г. Волне* кл. Н13); 4 - рабочий диапазон скоростей в промышленных фильтрах.

Рис.2 Аэродинамические характеристики стекловолокнистых фильтроматерилов

Исследования фракционной эффективности очистки по наиболее проникающим частицам автором выполнены с использованием лазерного спектрометра (типа ЛАС) и аэрозольного счетчика (типа ПК.ГТА-0,3) по измеренным величинам счетной концентрации частиц размером 0,3+0,4мкм до и после исследуемого фильтроматериала (С=104-И0'ч/л). Результаты измерений показали, что значения эффективности очистки отечественного (типа МФВЭ-3) и зарубежных (типа НВ-5763, НС-4313) фильтроматериалов сопоставимы и составляют не менее Е = 99,96±0,01%.

Величину пылеемкости испытываемых материалов (у = 0,01+0,15кг/м2) определяли при возрастании сопротивления фильтроматериалов в два и более раз по сравнению с исходными

значениями. Исследования пылеемкости данных фильтрующих материалов проведены при запылении испытываемых образцов аэрозольными частицами размером 0,2*0,бмкм. На рис.3 приведены результаты этих сравнительных испытаний. Установлено, что при возрастании сопротивлений фильтроматериалов вдвое от исходных значений (от ~200Па до ~400Па) удельная пылеемкость отечественного материала МФВЭ-3 превосходит зарубежные аналоги фирмы HolIingswoгth не менее чем в 2 раза.

Таким образом, для секции тонкой очистки разрабатываемого двухступенчатого фильтра предложен к использованию отечественный стекловолокнистый фильтроматериал типа МФВЭ-3 толщиной ~ 0,5 мм с поверхностной плотностью ~50+100 г/м2.

у Г* .-Г -------

-у 1 / \ / Ь А г ✓ **

> / / > 1 X У У

/ / ✓ у

V - -1

• 2 4 * I 1* И М 1«

Мосса уловл сяных прнм ссей, г / кв.м.

эксперимент для частиц с размером 0,2 мкн (материал МФВЭ-3, кл. Н13) •2 - эксперимент для частиц с размером 0,6 мем (материал МФВЭ-3, кл. Н13) ■ 3 - эксперимент для частиц с размером 0,6 мкм (материал фирмы НоШпдашогФ, кл. Н13)

Рис. 3. Зависимость перепада давления от массы уловленных частиц фильтроматериалом.

Применительно к секции предварительной очистки фильтра были проведены испытания различных образцов фильтрующих материалов на основе полимерных и стекловолокон, имеющие различные поверхностные плотности (40-600Г/м2), толщины слобв (1-20мм), диаметры волокон (2-40мкм).

Автором исследованы аэродинамические характеристики, фракционная эффективность очистки, величины пылеемкости (у = 0,05+1,5107м2) фильтроматериалов предварительной очистки при запылении образцов аэрозольными частицами с медианным диаметром - 2+5 мкм, получаемых с помощью разработанного генератора полидисперсных частиц. На рис. 4 и 5 представлены полученные результаты исследований по аэродинамике и пылевым нагрузкам соответственно данных образцов материалов.

5

10

15 20

V, см/сек

Рис. 4. Аэродинамические характеристики фильтрующих материалов предварительной очистки.

1.- полиэфирный материал (ФЛ-150); 2 - стекловолокно (БМД-ФВ); 3 - стекловолокно (ТС); 4 - полиэфирное волокно (Текстиль); 5 - полиэфирное волокно (ФРНК).

0 SO 100 150 200 250 300 350

Масса уловлеааых примесей, гУм1

1 - полиэфирный материал ФЛ-150 (кл. 63); 2 - стекловолокнистый материал БМД-ФВ (кл. П); 3 - егекловолокннстый материал БМД-ФЮТС (кл. F6); 4 - полиэфирный материал ФРНК (кл. G4).

Рис. S. Зависимость аэродинамического сопротивлении от удельной пылевой нагрузки опытных образцов фильтроматериалов.

Показано, что полиэфирное полотно типа ФЛ-150 по аэродинамическим и пылевым характеристикам имеет преимущества в сравнении с другими материалами: при одинаковых значениях пылевых нагрузок, например, в 150 г/м1 сопротивление фильтроматериала ФЛ-150 как минимум в 2 раза ниже (ДР = 20Па), чем у других материалов (ДР = 4(Ы30Па), а при возрастании сопротивления до ~650Па удельная пылеемкость материала ФЛ-150 составляет не менее 1,5кг/уг.

Проведены термические испытания фильтрующих материалов в динамических условиях. Исследована термическая стойкость фильтроматериала типа ФЛ-150 в диапазоне температур от 100°С до 200°С. Установлено, что при кратковременном (до 5час.) воздействии горячего воздуха с температурой до160°С филыроматериал не разрушается; при повышении температуры начинается деструкция материала.

По результатам проведенных исследований для фильтров нового поколения выбраны следующие фильтрующие материалы:

- ФЛ-150 - для секций предварительной очистки;

- МФВЭ-3 - для секций тонкой очистки.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО 2-Х СТУПЕНЧАТОГО АЭРОЗОЛЬНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЯЭУ.

Выполнено обоснование двухступенчатой конструкции разрабатываемого фильтра в стандартных габаритных размерах (636x610x572мм) вентиляционных ячеек действующих АЭС.

Для оптимизации конструкций секций предварительной и тонкой очистки разработана методика по выполнению расчетов аэродинамического сопротивления при изменении различных параметров комплектующих элементов фильтра (глубин секций, высот сепараторов, площади фильтрации и т.д.).

Методика расчета сопротивлений 2-х секций очистки фильтра - предварительной и тонкой - идентична и включает определение сопротивлений фильтрующих материалов и сопротивлений конструкций секций (вход-выход из воздушных каналов, течение в воздушных каналах). Результаты расчетов сопротивлений элементов секции тонкой очистки фильтра представлены графически на рис.б.

Установлена общая тенденция снижения величин сопротивления секции тонкой очистки при увеличении длины секции (Ь) и уменьшении высоты используемых разделительных сепараторов (рис.б). Это обусловлено тем фактом, что снижение сопротивления фильтрующего материала секции воздушному потоку (за счет увеличения поверхности фильтрации) преобладает над ростом величин местных сопротивлений воздушных каналов секции. Анализ данных расчетов показывает, что наименьшие значения сопротивлений секция тонкой очистки имеет при длине Ь = 250+400мм. При этом высота сепараторов может иметь значения от Н=3,7мм до 6,0мм. Выбор конкретного сепаратора определяется необходимой величиной площади фильтрации, которая обеспечивает соответствующую пылеемкость секции тонкой очистки. Применение секции длиной менее 250мм и более 400мм нецелесообразно ввиду резкого роста сопротивления всего двухступенчатого фильтра (за счет сопротивления секции предварительной очистки).

800

а

Я

g 600

2

5

3 400 в

11 й

200 ' 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Длина секции, мм

1. Н|=3,7 мм (высота сепараторов секции); 2. Н2=4,3 мм; 3. Н3=б,0 мм.

Рнс. б. Аэродинамическое сопротивление секции тонкой очистки фильтра при номинальной производительности G=3500 м3/ч.

Результаты расчетов сопротивлений элементов секции предварительной очистки фильтра представлены на рис.7.

Установлена связь между ростом высоты сепараторов и снижением величин аэродинамического сопротивления секции предварительной очистки (рис.7). Определена область минимальных значений сопротивлений секции от 40Па до 100Па для рекомендуемых сепараторов высотой Н=10+20мм при глубине секции Ь=100+250мм.

3

2

у

j Расой« 1 1дуемая< область

1--г

500 450 400 С 350 § 300

v

I 250 ч

I 200

í 150 100 50 0

i _J

\5 1 i

f

3 2 ...

Л /

гая® немая .—....■.i.. > l-L -

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Длина секции, мм

1.- Н|= 20 мм (высота сепараторов секции); 2,- Hj= 15 мм; 3.- Нз= 10 мм; 4.- Н<= 7 мм; 5.- Н<= 5 мм

Ряс. 7. Аэродинамическое сопротивление секции предварительной очистки фильтра при номинальной пронзводительвоств G—3500 м3/ч.

Результирующая зависимость общего сопротивления двухступенчатого фильтра от параметров секций предварительной и тонкой очистки (НиЬ) представлена на рисунке 8. Установлен нелинейный характер этой зависимости, имеющей растянутый минимум в области значений длины секции тонкой очистки Ь = 250+400мм. Определена область автомодельное™ минимальных значений сопротивлений фильтра, в которой снижение величины сопротивления секции тонкой очистки (за счет увеличения поверхности фильтрации) компенсируется ростом сопротивления секции предварительной очистки. Границы этой области находятся в следующих пределах:

- длина секции предварительной очистки - Ь|= 100*250мм (высота сепараторов Н,=10+20мм);

- длина секции тонкой очистки соответственно - - 400+250мм (высота сепараторов Н2=3,7+4,3мм).

Результаты выполненных расчетов аэродинамических сопротивлений позволяют создавать высокоэффективные двухступенчатые фильтры для широкого применения: в зависимости от того какие частицы, крупные или мелкие) какой радиоактивности превалируют в очищаемых средах необходимо развивать соответственно либо секцию предварительной очистки, либо секцию тонкой очистки.

Длина секции грубой очистки, им

1000 900 (00

i 700 i

i600

c 500

400

300

3

2 ]

teste—- ■

обл® тъ

0 100 200 300 400 500

Длина секции тонкой очистки ,мм

1 - Hi=10 мм, Н2=4,3 мм; (Hi, Н2 - высоты сепараторов предварительной и тонкой очистки );

2 - Н|=10 мм, Н2=6,0 мм; 3-Н|=7 мм, Hj=4,3 мм; 4 - Н,=20 мм, Н2=3,7 мм.

Рис. 8. Аэродинамическое сопротивление 21 ступенчатого фильтра производительностью G=3500 м3/ч.

С учетом пылеемкости фильтрующих материалов (до Ьвкг/м2- предварительной очистки и до ИОг/м2- тонкой очистки) и реальных соотношений ~50:50% по вкладу аэрозолей субмикронного и микронного размеров в режиме нормальной эксплуатации действующих АЭС установлены оптимальные параметры секций предварительной и тонкой очистки двухступенчатого фильтра:

- Ь]= 150мм, Н1=20мм, Б^м2 (площадь фильтрации);

- Ь2= 350мм, Н2=3,7мм, 82=25м2

ГГри данных конструктивных параметрах аэродинамическое сопротивление фильтра не превышает значений ДР=450Па.

Разработан и изготовлен опытный образец фильтра ФАС-3500-Д с расчетными характеристиками.

В рамках данной работы для испытаний аэрозольных фильтров и определения их характеристик впервые создан и аттестован ГОССТАНДАРТОМ РФ стенд - СИАФ-1, принципиальная схема которого представлена на рис.9.

Стенд оснащен необходимым оборудованием и аппаратурой, обеспечивающей контроль следующих параметров: эффективности очистки (до 99,97*0,01%), аэродинамического сопротивления (до 4,0±0,2 кПа), расхода воздушной среды (до 4500м3/ч).

1 - вентагрегат ВВД-8; 2 - преобразователь частоты "Поток-15"; 3 - испытываемый фильтр; 4 -воздуховод; 5 - фильтр предварительной очистки; 6,7 - распределительные решетки, 8 -расходомерное устройство; 9 - генератор масляного тумана; 10,11 - измеритель перепада давление; 12 - измеритель абсолютного давления; 13 - фотометр ФАН, 14 - фильтрующая коробка, 15,16,17 -воздушные фильтры; 18,19 - газодувки; 20,21 - ротаметры; 22 - дозатор аэрозолей, 23 - трубка Пито, 24 - баллон с газом; 25 - измеритель влажности; 26 - измеритель температуры Рис. 9. Стенд испытаний аэрозольных фильтров СИАФ-1

Опытные образцы разработанного аэрозольного фильтра прошли комплексные испытания с определением основных его фильтрующих характеристик, а также испытания по сейсмостойкости, термостойкости, возможности работы во влажной среде.

Сравнительные испытания по пылеемкости разработанного 2-х ступенчатого фильтра и фильтра-аналога (Д-23) показывают, что разработанный фильтр имеет неоспоримые преимущества: хотя в исходном состоянии сопротивление нового фильтра больше, чем у аналога (~ на 100Па), в дальнейшем при запылении рост сопротивления до предельной величины 1500Па у фильтра-аналога происходит заметно быстрее (рис.10). Установлено, что ресурс разработанного двухступенчатого фильтра более чем в два раза (>1года) превосходит ресурс фильтра-аналога типа Д-23 (0,5 лет).

Определены величины эффективности очистки изготовленных опытных образцов фильтров по наиболее проникающим аэрозольным частицам размером 0,2-0,4 мкм и по стандартному масляному туману. Определено, что величина эффективности очистки воздуха фильтрами составляет не менее 99,96±0,01%.

Исследованы характеристики двухступенчатого фильтра в условиях кратковременного (4час.) повышения температуры очищаемого воздуха до 150°С. Показано, что фильтр при этом сохраняет свои фильтрующие характеристики: эффективность - 99,95%, сопротивление - 550Па. Выполнены испытания фильтра также во влажной воздушной среде (до 100%) на установке по уничтожению радиоактивных отходов натрия (реактор БР-10) и при дезактивации рабочих камер водными растворами Фильтр в течение времени эксплуатации (более месяца) периодически работал в двух режимах: режиме улавливания аэрозолей и режиме сушки фильтра. Установлено, что величина эффективности очистки воздуха при работе фильтра не снизилась и составляла значения 99,95+0,01%.

Сравнительная характеристика параметров нового двухступенчатого фильтра и фильтров-аналогов представлена в таблице № 3. По основным показателям (эффективности,

пылеемкости, ресурсу, термостойкости, работе во влажной среде) разработанный фильтр имеет существенные преимущества

Удельная лылевмкость, г/кв.м

1 - фильтр ФАС-3500-Д (1 ст. -ФЛ-150,8=5 м2; 2 ст. - МФВЭ-3, Э-20 м2);

2 - фильтр ФАС-3500-Д (1 ст. - Трокс+ФЛ-150, в=0,36 м2; 2 ст. - МФВЭ-3, 8-20 м2);

3 - фильтр Д-23КЛ (2 ст. • ФПП-15-3);

4 - фильтр ФАС-3500-Д (2 ст. - материалом фирмы На1Нпдоягог№).

Рис. 10. Зависимость сопротивления фильтров от удельной пылеёмкости.

Таблица №3

Характеристики 2-х ступенчатого фильтра ФАС-3500Д и его аналогов Д-23, А-17

№ п/п Параметр Фильтр ФАС-3500Д Фильтр Д-23КЛ(А-17)

1 Производительность, м3/ч 3500 3400(2500)

2 2.1 2.2 Фильтрующий материал: Ступень предварительной очистки Ступень тонкой очистки Полиэфирное полотно ФЛ-150 3-х слойная стеклобумага марки МФВЭ-3 Отсутствует Ткань Петрянова (ФПП)

3. Эффективность очистки, % 99,95 (стабильная в процессе эксплуатации) 99,9% - в исходном состоянии; 90-99% - при 100% влажности, 1>100°С, радиационном облучении

4. 4.1 4.2 Удельная пылеемкость, кг/м3: Ступень предварительно* очистки Ступень тонкой очистки 1,5* 0,15 0,08

5. Относительная влажность, % до 99 95

6 Термостойкость, °С до 100 (150-кратковременно) 70

7. Горючесть фильтроматериала Не поддерживает горение (ФЛ-150), негорюч (МФВЭ-3) Горюч с выделением токсических веществ

8. Оцениваемый ресурс, год Не менее 1,0 0,5

9 Габариты, мм 636x610*572 636x610x572

ГЛАВА 4 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ РАЗРАБОТАННЫХ ФИЛЬТРОВ.

Проведены промышленные испытания опытных образцов разработанного фильтра ФАС-3500-Д в составе вентиляционных систем действующих АЭС - 1-й в Мире АЭС, Курской АЭС, Калининской АЭС.

Отмечено, что условия испытаний фильтров на 1 -й в Мире АЭС по сравнению с другими станциями были экстремальными. Это связано с тем, что фильтры устанавливались в вентиляционную систему, обслуживающую помещения горячей камеры по разделке тепловыделяющих сборок (TBC), систем управления защитой (СУЗ) и облучательных каналов. При разделке стержней СУЗ и TBC в воздушную среду попадают ß-активные (^Со) и а-активные (Pu239+Pu240, Pu238+Am24') аэрозоли, объемная активность которых достигает значений до 10"8Ки/л, в то время как в режиме нормальной эксплуатации АЭС эта величина составляет 10'12 -10'14 Ku/л. В связи с этим критерием замены фильтров ФАС-3500-Д на новые являлось достижение фильтром предельно допустимых величин мощности дозы Y-излучения: до ~170-180мкР/сек (при исходных значениях ~2мкР/сек) Определены величины эффективности очистки воздуха (99,94-99,95%) фильтрами в данных условиях эксплуатации по измеренным значениям объемной активности аэрозолей (ОАА) ' ■

Результаты промышленных испытаний разработанных фильтров ФАС-3500-Д на Курской АЭС представлены в таблице № 4. Установлено, что значения эффективности очистки воздуха фильтрами на станции по измеренным величинам объемной активности аэрозолей составляют ~ 99,95%. Более низкие значения эффективности обусловлены погрешностью промышленного метода определения концентраций радиоактивных аэрозолей, основанного на использовании аналитических фильтров и соответствующей радиометрической аппаратуры.

Таблица №4

Результаты испытаний фильтров ФАС-3500-Д на Курской АЭС

Дата Давление Па Сопроти «пение Ар, Па Темпера тура 1, "С Расход воздуха, х10> м'/ч Активность долгоживущ их аэрозолей, Ки/п Эффективность очистки, Е, %

до ячейки после ячейки Факт до ячейки После ячейки

18.10 99 2900 2400 500 27 12,5 9,93-10"'4 <МДА* 99,98

28.10. 99 2950 2350 600 25 12,5 1,62-10-" <МДА 99,98

16.12. 99 3000 2400 600 23 14,1 1,6-1014 <МДА 99,99

13 03. 00 3150 2400 750 35 14,5 1,7-1(Г13 <МДА 99,98

12.05. 00 3200 2400 800 33 11,9 2,6 10" <МДА 99,99

Анализ результатов работы фильтров на Курской и Калининской АЭС показывает, что ресурс фильтров ФАС-3500-Д составляет более 1 года. Аэродинамическое сопротивление фильтров при нормальных условиях эксплуатации в составе вентиляционных систем АЭС в течение первых 8 месяцев возросло с исходной величины 500Па до 800Па (при рекомендуемых максимально- допустимых величинах 1500Па); эффективность очистки по радиоактивным аэрозолям - не ниже 99,98%.

ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ФИЛЬТРОВ

ДЛЯ АЭС НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ, РАДИОХИМИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Изложена концепция комбинированной очистки воздушных сред от различных радиоактивных аэрозолей, йода и его соединений с помощью фильтровальных установок (УФК), обеспечивающих предотвращение радиоактивного загрязнения окружающей среды и максимальную безопасной эксплуатации АЭС с ВВЭР нового поколения (Кольская АЭС-2, Ново-Воронежская АЭС-2).

Комбинированная установка на производительность З500м3/час, представленная на рисунке 11, включает в себя последовательно расположенные друг за другом отдельные фильтровальные секции: каплетуманоуловитель, электронагревательную секцию, секцию предварительной очистки, секцию тонкой очистки, секцию йодной очистки и завершающую секцию тонкой очистки. Установка снабжена необходимым контрольно-измерительным

оборудованием, позволяющим определять характеристики как отдельных фильтровальных секций, так и всего комплекса в целом.

Представлены результаты испытаний созданного макетного образца УФК-3500 , в состав которого входит разработанный 2-х ступенчатый фильтр. Исследования проведены на экспериментальной базе 1-й в Мире АЭС. Установка испытывалась в условиях, при которых в воздушной среде присутствовали р- и о- активные аэрозоли, образующиеся при разделке ОТВС и СУЗ, а также при загрязнении воздуха радиойодом и его соединениями. Показано, что применение 2-х ступенчатого аэрозольного фильтра ФАС-3500-Д в составе установки позволяет осуществлять высокоэффективную очистку воздуха от радиоактивных аэрозолей-значения эффективности очистки по а- и р- нуклидам составляют не менее Е=99,96%.

Рис. 11 Установка фильтровальная комбинированная УФК-3500

Комбинированная установка УФК-3500 поставлена на эксплуатацию в составе вентиляционной системы Калининской АЭС.

Двухступенчатый фильтр ФАС-3500-Д в качестве секции тонкой очистки применяется и в конструкциях создаваемых комбинированных установок УФК-7000, УФК-10500 на производительность соответственно 7000 и 10500м /ч.

В настоящее время высокоэффективные фильтры ФАС-3500-Д успешно эксплуатируются и на других радиохимических предприятиях: Приборостроительном заводе (г. Трехгорный Челябинской обл.); Горно-химическом комбинате (г. Железногорск Красноярского края).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны методики экспериментальных исследований и создан стенд испытаний аэрозольных фильтров и фильтрующих материалов - СИАФ-1, позволяющие определять основные фильтрующие характеристики - эффективность очистки, сопротивление и пылеемкость.

- Впервые предложен комплексный метод исследований, основанный на использовании лазерной спектрометрии, аналитических фильтров и разработанных генераторов

аэрозольных частиц йодистого свинца РЬЬ с медианным диаметром 0,4-0,6мкм (для высокоэффективных секций) и частиц из карбида кремния (в!С) с медианным диаметром 2-5мкм (да предварительных секций фильтров) с концентрацией до 100мг/м3. Применение разработанных методик по сравнению с ранее существующими позволяет оперативно и достоверно оценивать перспективность применения различных фильтров и фильтрующих материалов.

2. Впервые получены результаты по определению пылеемкости и эффективности очистки предварительной (у = 0,054-1,5кг/м2, Е=70-80%) и высокоэффективной (у - 0,01-т0,15кг/м2, Е=99,95%) секций фильтра с использованием материалов из полиэфирных и стеклянных волокон. С учетом полученных данных оценена одна из основных характеристик разрабатываемого фильтра - ресурс, который при нормальном режиме эксплуатации АЭС составляет не менее 1 года.

3. Обосновано использование двух секций аэрозольного фильтра для промышленной очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей в условиях АЭС с применением в секции предварительной очистки нетканого термоскрепленного полиэфирного полотна типа ФЛ-150 (класс очистки 03), а для секции тонкой очистки - трехслойной стеклобумаги типа МФВЭ-3 (класс очистки Н13).

4 Разработаны методики оценки аэродинамического сопротивления, пылеемкости и эффективности фильтра, которые позволили оптимизировать его конструкцию, что подтверждено при испытаниях промышленных фильтров.

- Впервые получены оптимальные соотношения между сопротивлением, пылеемкостью и эффективностью секций предварительной и тонкой очистки фильтра с учетом реальных величин дисперсного состава, концентраций, удельной радиоактивности аэрозолей, присутствующих в воздушных средах действующих ЯЭУ при нормальном режиме эксплуатации.

5. Создан в стандартных габаритах вентиляционных ячеек действующих ЯЭУ высокоэффективный двухступенчатый аэрозольный фильтр ФАС-3500-Д Высокие характеристики разработанных фильтров: эффективность очистки по радиоактивным аэрозолям - Е = 99,95 ±0,01%, ресурс работы - более 1 года, термостойкость до 150°С и другие подтверждены производственными испытаниями на Курской АЭС, Калининской АЭС, Первой в Мире АЭС и на раде предприятий радиохимической промышленности Фильтр и фильтрующий материал защищены патентом РФ.

Таким образом, совокупность выполненных исследований представляет собой решение важной научно-технической задачи: разработки инженерно-физических основ двухступенчатых фильтров нового поколения для вентиляционных систем ядерных энергетических установок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Мельников В.П, Мартынов П.Н., Паповянц А.К. Болтоев Ю.Д. Новые фильтры для очистки пищевых жидкостей.// Межотраслевой сборник ФЭИ «Теплофизика-94», Обнинск, 1994г.

2. Мельников В.П., Паповянц А.К., Мартынов П.Н., Орлов Ю.И., Ягодкин И.В. и др. Очистка тяжелого теплоносителя от взвешенных примесей.// Сб. отраслевого семинара «Проблемы технологии и теплогидравлики жидкометаллических теплоносителей», Обнинск, 2000г.

3. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К. и др. Аэрозольный фильтр и фильтровальный материал.// Патент на изобретение. № 2200615 от 20.03.2003

4. Мельников В.П., Кузин В.В., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К. и др. Разработка комбинированных фильтровальных установок для вентиляционных систем АЭС нового поколения. // Ж. "Ядерная и радиационная безопасность России", Информ. бюллетень, Вып.2 (5), М., 2002.

5. Мельников В.П., Ягодкин И.В., Паповянц А.К., Кушнарев P.A., Осипов В.П.и др. Новые технологии и фильтры очистки воздуха на АЭС// Ж.."Новые промышленные технологии", №3,2004.

6. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Паповянц А.К., Болтоев Ю.Д., Карлашова Н.В. Фильтрационный аппарат, способ фильтрации и фильтрующий элемент для пищевых жидкостей.// Патент на изобретение. № 2054299 от 20.02.1996.

7. Мельников В.П., Кушнарев P.A., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К., H.H. Шаньгин. Результаты расчета характеристик стекловолокнистых фильтрующих материалов для аэрозольных частиц различного размера.// Препринт. № 2768, Обнинск, 1999.

8. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Паповянц А.К., Болтоев Ю.Д., Кушнарев P.A. Исследование интенсивности образования аэрозолей в газовых установках с тяжелым теплоносителем.// Сб.отраслевой семинара «Проблемы технологии и теплогидравлики жидкометаллических теплоносителей», Обнинск, 2000г.

9. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К., Кушнарев P.A. и др. Исследование аэрозолей свинцового теплоносителя и фильтроматериапов применительно к газовому контуру реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО.// Сб. Российская межотраслевая конференция "Тепломассоперенос и свойства жидких металлов", Т.1, Обнинск, 2002.

10. Мельников В.П., Паповянц А.К., Мартынов П.Н., Орлов Ю.И., Ягодкин И.В. и др. Исследование фильтрации тяжелых теплоносителей свинца и свинца-висмута.// Сб. Международная конференция "Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях", Обнинск, 2003.

11. Мельников В.П., Ефанов А.Д., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Кушнарев P.A. и др. Разработка УФК для вентсистем АЭС с ВВЭР нового поколения.// 3-я Научно-техническая конференция "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР" . Подольск, 2003.

12. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К., Кушнарев P.A. и др. Разработка фильтрующих материалов для аэрозольных фильтров вентсистем АЭС. // 3-я Научно-техническая конференция "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР" . Подольск, 2003.

13. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К., Кушнарев P.A. и др Высокоэффективные аэрозольные фильтры для вентсистем действующих АЭС.// Сб. Четвертая Международная научно-техническая конференция "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики", М., ВНИИАЭС, 2004.

14. Мельников В.П., Кушнарев P.A., Мартынов П.Н., Осипов В.П., Паповянц А.К., и др. Экспериментальная база для сертификационных испытаний фильтрационного оборудования.// Сб. IV Международная конференция "Воздух 2004", С-Петербург, 2004.

15. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К.

Разработка фильтрующих материалов и фильтров применительно к газовому контуру РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО.// Сб. IV Международная конференция "Воздух 2004", С-Петербург, 2004.

16. Мельников В.П., Мартынов П.Н., Ягодкин И.В., Паповянц А.К.

Двухступенчатый аэрозольный фильтр для АЭС. // Сб. IV Международная конференция "Воздух 2004", С-Петербург, 2004.

Подписано в печать 30.10.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 682._

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

t-6739

РНБ Русский фонд

2006-4 5822

s