核电厂通风系统排烟挡故障改造研究与实践

引言

核电厂通风系统是确保反应堆安全运行、保持厂房环境参数平稳和保护人员生命安全的关键设施之一，通风系统可靠性的高低直接影响着核电厂安全和稳定运行，排烟挡是通风系统的一个重要组成部件，担负着火灾及其他紧急工况时隔离烟雾和阻止火势蔓延等核心作用。针对这一问题，本研究对排烟挡失效的根本原因进行了深入分析，提出了有针对性的改造策略，并进行了实践验证，目的在于增强排烟挡的运行性能，从而为核电厂的安全平稳运行提供技术支持。

一、核电厂通风系统排烟挡的作用及操作现状

核电厂通风系统排烟挡作为确保核安全最主要的设施之一，担负着正常工作和应急工况下的关键功能。排烟挡在正常工作阶段通过准确调整通风量来保持核电厂各区温、湿和压力平衡，以保证设备工作环境合适，同时对放射性气溶胶进行有效滤除，确保工作人员职业健康与安全，就目前运行情况而言，核电厂排烟挡在复杂苛刻环境下运行时间较长，面临着诸多挑战[1]。一方面，核电厂内高温、高湿和放射性辐射的特殊环境对排烟挡材料性能、密封结构及机械强度都有极高要求，长时间工作容易造成材料老化和密封件形变；另一方面，排烟挡需要经常启停和调整，其驱动机构、传动部件及控制系统长时间在高负荷下运行，容易发生机械卡滞和控制信号滞后或缺失的故障。

二、核电厂通风系统排烟挡故障改造的方法

（一）机械结构的优化设计

从传动机构上看，传统的排烟挡大多是由链条和皮带驱动的，长时间工作容易产生链条松弛和皮带打滑的现象，从而造成叶片动作缓慢甚至被卡住。在优化中可以使用高精度齿轮齿条传动系统进行传动，利用数控加工技术保证齿轮和齿条啮合精度，并结合伺服电机进行精准定位和稳定传动；通过结合直线导轨和滚动轴承的结构，成功地替代了传统的滑动摩擦部分，从而明显地增强了传动的效率和运行的稳定性[2]。对于叶片和转轴连接位置，使用高强度螺栓和防松垫圈相配合，同时增加扭矩监测装置对连接紧固情况进行实时监测，以免由于震动造成连接件松脱故障，在密封结构的优化方面，常规排烟挡多为单道橡胶封头，其在高温高辐射的环境下容易老化硬化而造成封头失效。改进后的方案可以采用多级复合密封的结构形式，内层选择耐高温和耐辐射硅橡胶材料以保证较好的弹性密封；外层增加金属波纹密封片构成刚性密封屏障，双重密封设计，可以使泄漏率减少到原来的五分之一以内。

（二）控制系统的升级方案

核电厂通风系统排烟挡控制系统的升级改造是智能化操作的重点。传统的控制系统大多采用继电器逻辑控制的方式，具有信号传输延迟较大、控制逻辑简单、故障诊断能力不强的特点。升级后的控制系统以可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS）为中心，通过编写模块化程序，实现了排烟挡的远程控制、自动调节和多系统联动。比如当火灾报警信号被触发后，该系统能以 1 秒钟时间完成优先级判断、有关地区排烟挡自动闭合、状态信息反馈给中央控制室等；同时支持与通风系统其他设备（如风机、防火阀）的联动控制，形成完整的安全防护网络，在信号传输方面，抛弃了传统电缆传输方式而使用工业级光纤通信网络[3]。光纤有抗电磁干扰能力强、传输速率高、信号衰减少等优点，能使控制指令传输延迟由几百毫秒减少到 10 毫秒内，保证排烟挡反应迅速。还构建了一个双冗余的通信链路，主备线路能够实时进行热切换。当主线路出现故障时，备用线路可以在 200 微秒内接管通信，确保控制信号的连续传输，智能化诊断功能的提出，是控制系统升级过程中的一个重大突破。在排烟挡关键位置布置位移传感器、扭矩传感器和温度传感器等监测装置，对叶片位置、驱动电机电流和轴承温度等运行参数进行实时采集。采用边缘计算技术对数据进行了初步处理，并与机器学习算法相结合，构建了一个故障预测模型。该模型能够提前 72 小时预警如部件磨损、电机过载等可能出现的故障，并能自动生成维修订单，将其发送到维护人员的设备上。另外，该系统还支持远程调试和程序更新等功能，工程师可以通过安全网络实现现场设备的参数调整和软件升级，显著提高运维效率和系统的灵活性。

（三）提高材料性能的措施

核电厂特殊的运行环境（高温、高辐射、腐蚀性介质）对排烟挡材料提出了严苛要求，在选择耐高温材料时，叶片可以使用碳化硅陶瓷基复合材料，其密度只有钢材的 1/3，但是高温强度是合金钢的两倍以上，能在 600^∘ °C 环境中长时间稳定工作，完全解决了传统金属叶片受火灾工况影响而产生变形的难题。框架结构选取镍基高温合金作为研究对象，加入铬和钼两种合金元素后抗氧化温度提高到 800^∘C ，抗蠕变性能得到了加强，考虑到辐射环境的影响，选择使用含硼聚乙烯复合材料来构建防护层，这种材料能够有效地屏蔽中子和 γ 射线，从而为内部的电子部件和机械部分提供了有力的保护。通过离子注入处理金属部件的表面，使材料表层产生纳米级耐辐射改性层以抑制辐射诱导晶格损伤和性能衰退。选择了改性氟橡胶作为密封材料，并通过加入辐射稳定剂和纳米填充物，与传统材料相比，其使用寿命增加了三倍。

三、结语

综上所述，通过核电厂通风系统排烟挡失效研究和改造实践，设备运行可靠性和安全性得到了成功解决。改造后排烟挡机械性能、控制精度和环境适应性等方面都得到显著提高，设备故障率得到有效减少，确保核电厂通风系统应急功能得以可靠发挥，今后，可以进一步与智能化运维技术相结合，不断对排烟挡设备的性能进行优化，从而为核电厂安全平稳运行提供更加扎实的保证。

参考文献：

[1]翟连付,魏砚学,李绪生,田鹏,赵润松.基于CFD 的某核电厂通风系统改造模拟验证[J].电工技术,2024(07):230-232.

[2]范翠丽,胡北,刘婧.核电厂失电工况下通风系统动态特性研究[J].暖通空调,2024,54(S1):344-346.

[3]范乐旺,刘超,彭永森.某核电厂蓄电池室通风系统设计及爆炸风险研究[J].暖通空调,2024,54(S1):350-352.