重力止回风阀在高寒地区核电厂应用的冬季开关特性研究

重力止回风阀在高寒地区核电厂应用的冬季开关特性研究

马星星腾飞管建易胜超

(中广核工程有限公司)

摘要:重力止回风阀结构简单、成本低、可靠性高，是核电厂常规岛常用的通风设备。在地处中国南部沿海地区的核电厂，这种风阀性能表现稳定。但该设备应用于中国第一座高寒地区核电厂时，在冬季大温差环境下，频繁动作，对室内温度控制能力下降。为定性分析风阀控制能力下降程度，以及控制能力下降对室内温度影响的情况，对约束条件进行了计算。根据考虑了余量的计算结果判断：在不同的工况及环境条件下，会导致不同的开关特性，不同的开关特性对厂房内室温的影响程度不同。

关键词风阀；冬季；温度；通风；

1概述

重力止回风阀是核电厂常规岛厂房（下称MX厂房）及联合泵站厂房（下称PX厂房）的重要通风设备，这些风阀被安装在厂房顶部，通过室内外温差引起的压力差，具有非能动自动调节室温的能力。该设备被广泛应用于南方核电厂，多年可靠运行。但该风阀应用于某东北高寒地区核电厂时，在冬季运行期间，由于室内外温差极端情况下达到48℃，造成该风阀频繁动作，在1月左右，该风阀会长期自动开启，导致厂房温度下降。对于在何种条件下温度下降多少，温度下降幅度对厂房内设备运行的影响如何，本文进行了详细的分析计算，过程如下。

2分析与计算

2.1分析方法说明

设Q0为室内净剩温度，Q1为室内设备总发热量，Q2为厂房对外的总散热量；Q3包括厂房墙体、窗体、门等建筑设备对外的热传导散热量，也包括风阀开启后通过对流造成的热量损失（设为）。有：

————————————（1）

若Q0满足MX厂房冬季设备运行的温度条件，则说明该风阀满足现场使用条件，若Q0小于设备运行的温度条件，则说明该风阀不能满足现场使用条件，应通过加强对风阀开启的人为干预，或通过其他方法补偿散热损失，来解决此问题。

2.2计算过程

2.2.1关于风阀的受力计算

重力止回风阀通常水平安装，所配风阀为重力止回风阀，当风阀上下面的压力差大于风阀自重时，风阀将被气流顶开；当压力差小于风阀自重时，风阀将处于关闭状态。

图1风阀结构

风阀上下面的压力差主要有两种来源：

1.风机开始工作，风阀至叶轮之间的空气被排出而产生负压，此时风阀下面即室内空气将风阀顶开；

2.风机没有工作，室内外由于温差过大导致内外气压差增加，当压差增加到一定量时风阀被顶开。

图2风阀结构示意图

图3风阀叶片受力分析模型

风阀受力分析如下：

式（3）中S为风阀叶片的迎风面积。

故ΔP=（0.68+1.96）/0.044*=59.9*（Pa）（4）

由式（4）可知：当θ=0°时，即风阀叶片处于关闭状态，如果此时要顶开风阀，压差ΔP≥59.9Pa。随着θ角增加，使风阀叶片处于开启状态需要的压差将随之较少。

故：此型号重力止回风阀开启压差至少为59.9Pa。

现场室内室外压差估算

由于现场测量风阀上下两侧各自的大气压力较为困难，根据现场温度寻检测量记录情况对风阀两侧的压差进行估算。

气体状态方程为：

标况下：P0=ρ0RT0

室内压力:P1=ρ1RT1，

室外压力:P2=ρ2RT2

两侧密度ρ1<ρ2，令ΔP=P1-P2

虽然室内外温差23-（-25）=48℃，因为风阀叶片为厚0.5mm的304不锈钢薄

板，根据不锈钢的导热属性和热辐射特性，设定风阀叶片上下两侧的温度差为

0.5℃，ρ1现场较难测量约取23℃时的干空气密度1.193kg/m³。

ΔP=1.193*0.5/(1.293*273)*101325=171Pa

估算可知：室内外温差导致的风阀叶片上下两侧的压差ΔP大于171Pa,而风阀

叶片的开启压差为59.9Pa，因此在没有启动风机时风阀就会自动被顶开。

2.2.2排风口耗热量计算

（1）对于MX厂房

MX厂房建筑高度41.7m，冬季供暖室外计算温度-15.2ºC。冬季总热负荷Q1=1072kW（该数据来源于设计规格书中厂房设计负荷），其中考虑30%的放大系数，附加的耗热量为Q30%=321.6kW。

30%的附加耗热量折合成的排风量按下式计算【1】：

式中：G----通风量（kg/h）

Q---附件耗热量（W）

cp---空气的定压低热熔，取1[kJ/(kg•℃)]

α---单位换算系数，取0.28

tp---排风温度（℃）

twf---冬季供暖室外计算温度（℃）

经计算得到，G30%=56860kg/h.

上述风量折算成的排风口面积按下式计算：

式中：S----排风口面积（m2）

G---排风量（kg/h）

hi---排风口中心与中和界的高度差（m）,取房间高度的一半

ρwf----冬季供暖室外计算温度下的空气密度（kg/m3）

ρnp----室内空气的平均空气密度（kg/m3），取厂房计算温度5℃密度

ξi---排风口局部阻力系数，取0.6

g---重力加速度，取9.81m/s2,

经计算S=1.6m2，即考虑附加的耗热量理论上可以抵消1.6m2开口的自然通风耗热量。

（2）补充说明

a)对MX厂房计算的前提条件是门窗关闭，如果门窗开启，门窗的开口面积也要考虑到上述计算出的开口面积中。因本文只考虑冬季工况，因此默认为该工况下，门窗关闭。

b)上述采用的热负荷是计算热负荷，计算热负荷中附加部分考虑因素是高度附加、大门开启附加等，如果附加负荷全部用于通风耗热量，存在热负荷不够风险。

3结论

（1）冬季环境下，室内外温差造成的压力，会使得重力止回风阀有开启的情况；可以通过调整风阀叶片的质量和面积，来影响风阀在高寒地区核电厂常规岛厂房的开关特征。

（2）在冬季气候条件下下，百万千瓦汽轮机组运行工况下MX厂房供暖负荷不得低于466千瓦；在冬季停机工况下，MX厂房供暖负荷不得低于1165千瓦。否则风阀在压差达到59.9Pa时将导致风阀全开，进而影响MX保温条件。

参考文献:

[1]李岱森，简明供热设计手册.1998版[J].第二章，热量的分析与计算角度

[2]李善化，《火力发电厂及变电所供暖通风空调设计手册》2001版[J].第10页