HTR-10 产生石墨粉尘量的估算及其尺Cun分布

Zuo晓卫，于溯源，张振声，何树延

(清华大学核能与新能源技术研究院，北京，100084)

Zhai要:在 10MW 高温气冷堆(HTR-10)中，由于石墨构件的磨损会产生石墨粉Chen，将影响反应堆的正常

Yun行。石墨粉尘的产生主要来自堆芯、卸料管He装料管 3 个部位。本文在石墨磨损试验De基础上，保守地估

Suan了 HTR-10 在正常运行工况下石墨Fen尘的产生量(大约为 2.74kg/年)。通过质量加权平均，给出了石墨粉尘

De体积、面积和直径分布函数。

关键词:高温气冷堆;燃料元件;石墨;磨Sun;粒度分布

Zhong图分类号:TL342 文献标识码:A

1 引 言 2 石墨粉尘的产生

10MW 高温气冷堆(HTR-10)堆芯Chu去少量 在 HTR-10 中，可能产生Shi墨粉尘的因素可归 燃料、控制材料外，基Ben上全都为石墨类材料， 纳为以下几点。 [1]如石墨反射层、碳砖、支撑构件和各类Dao管等。 2.1 运动部件间的磨损

HTR-10 采用包覆颗粒式球形燃料元件，燃料元 燃料元件在循环过程中，会与装卸Liao管、石 件采用多次循环方式，燃料球通过Dui顶加料管添 墨反射层内壁以及其周围的燃Liao球发生磨损，产 加到反应堆堆芯，通过堆Di卸料管流出。燃料球 生石墨粉尘。

Zai循环过程中会与自身以及其它的石墨构件发Sheng 2.2 石墨构件热膨胀、辐照收Suo与肿胀引起的磨损

Zai反应堆中，石墨砖、碳砖等堆内构件的尺 Mo擦磨损，产生石墨粉尘，进而引发一系列的Xin

Cun都很大，在反应堆启/停堆过程中，由于受Re不 问题，影响反应堆的安全与正常运行。Yin此，对 均匀，会产生上下层石墨构件的相Dui移动，发生 HTR-10 正常运行工Kuang下石墨粉尘的产生量及粒 石墨材料的磨损Xian象。此外，石墨构件经中子辐 度分布进行Yan究是非常必要的。 对于高温气冷照后，形Zhuang尺寸会发生变化，与周围的石墨材料

Dui石墨粉尘的研究，德国曾针 发生磨损，并Chan生少量的石墨粉尘。 对 AVR 反应堆Jin行了相应的研究。发现在正常运 2.3 燃料元件的失效

Xing工况下，石墨粉尘的产生量约为 3kg/a，且冷却 每个球形燃料元件在堆芯中的Yun行时间约为[4]1100h。在整个运行Qi间内，燃料元件可能会因 剂中的粉尘浓度Sui反应堆的运行工况变化很大，

Zhong种原因发生失效，并产生一定量的石墨粉尘。 尤其是在反应堆的启停工况，石墨粉尘的Nong度最

Zhu要的失效原因有 3 种:?燃料元件的静Zai荷、 3[2] 多可达 2000μg/m( 标准状况 )。 1986 年， Zhuang卸时的挤压、碰撞和磨损引起的机械失效;? [3] Wawrzik开始研究 AVR 堆中石墨粉尘的粒度分 温度和辐照引起De应力失效;?杂质与石墨基体 布，给出了Yi个典型的石墨粉尘粒度分布频率图， [5]产生化学反应引起的化学失效。程碧华计算Chu 并发现最大频率处的石墨粉尘的粒度(直Jing)小于 由温度和辐照引起的燃料元件应力Shi效概率小于

-91μm(为 0.76μm)。本文主要Li用现有对石墨摩擦 10;化学失效概率小Yu应力失效概率;机械失 磨损的研究结果，Gu算 HTR-10 在正常运行工况 效概Lv同样也很小。

Xia的石墨粉尘产生量，并给出石墨粉尘的粒度Fen

布。

Shou稿日期:2004-02-27;修回日期:2004-06-01

He 动 力 工 程 Vol. 26. No. 2. 2005 204

2.4 其它原因 处的 200?左右。可以近似的认为卸料管中的平

Zai反应堆堆芯，氦气流的速度比较高，石墨 Jun温度为 400?。 当燃料元件处于装料Xi统时，构件在氦气流的冲刷下会产生浸蚀现Xiang。此外， 输送气体的温 [9]石墨堆Nei构件受到冲击载荷(如地震)，也会发生 ，可以近似认为燃料元件的表面温度 度为 50?

Shi墨材料的磨损现象，产生石墨粉尘。 也为 50?。燃料元件从料箱到提升器的这段过

You于反应堆是一个非常复杂的系统，同时反 Cheng，由于其磨损产生的粉尘不进入反应堆堆芯， 应堆堆芯又有大量的石墨堆内构件，而且Shi墨构 因此在以下的计算中不予考虑。 件De所处环境非常苛刻，会有很多的因素诱导产 3.2 载荷

Sheng石墨粉尘。总之，由于燃料元件循环而发生Mo 在 HTR-10 中，共 27000 多个球形燃料元件。

[2]堆芯由石墨反射层堆砌而成。堆芯腔的Deng效直径 损所产生的石墨粉尘占绝大多数，Er其它因素 [10]为 1800mm，等Xiao的高度为 2400mm。在投燃 所产生De石墨粉尘量相对都非常小，在分析中可

Yi忽略不计。因此，在估算石墨粉尘产生量时， 料球时，加料管下端会形成圆锥形的燃料Qiu堆积

[11]重点计算了燃料元件在循环过程中磨Sun所产生 区，因此在堆芯顶需 400mm 左右的顶空腔。 的石墨粉尘量。 计算可De到燃料球堆积在反应堆中的堆积体积为

35.0894m。燃料元件在球床中的堆积Shu于任意堆 3 石墨构件的状态 积。Wen献[12]指出，任意堆积包括 3 种基Ben的形

You于石磨材料的磨损率与石墨材料的使用 式:最松、中等和最密任意堆积。考虑燃料球在 条件有关，如温度、压力、环境气氛等，因Ci在 堆积过程中为单个加入，并伴随一定的Rao动以及 进行石墨粉尘估算之前，必须弄清Bu同石墨构件 振动，可以认为燃料球在球床Zhong的堆积属于最密

3[13]在反应堆中所处的状态。 任意堆Ji。燃料元件的密度为 1.76g/cm，Jie合

3.1 温度文献[12]给出的堆积Mi度与密度的关系，可得燃

Zai HTR-10 中，石墨材料处于高温、Gao压的 料元件的堆积密度为 0.604 ? 0.003 。通过计算可 高纯度氦气(纯度 99.995%)环境中，氦气的压Li为 得到堆内燃料元件的个数约为 27180 个，与实际 [6]3.0MPa。石Mo构件的温度分布则非常复杂，它 装载的燃Liao球数相当。文献[14]给出了规则球粒 Bu仅与反应堆的运行工况有关，而且还与石墨Gou 堆积情况下，堆积密度与上下层球粒接触Dian仰角 件在堆芯的位置有关。文献[7]给Chu了稳态工况 的关系式

下，HTR-10 的堆芯温度分布场。Chu始工况时堆 π k,(1) 2 芯燃料元件表面的平均温度为 581.9?。一般情况 3sinθ 4,3co sθ 下，初始工况燃料元件的温度要比稳态Yun行工况 式中， k 为堆积密度;θ 为Jie触点的仰角，度。 下的燃料元件温度高，Ke以近似的认为，在反应 通过上式可得到θ 角的大小约为 67?;堆芯总堆 堆正常Yun行工况下，燃料元件表面的平均温度为 积Ceng数约为 32 层。这样，最下面的一层燃Liao球将 550?。 对于石墨反射层，越靠Jin堆芯，其温度越承担上面 31 层燃料球De重量。此时下层的燃料球

Gao。 受力为: [8]张振声等31给出了Ban堆芯高度处侧反射层石墨砖 ρgV b F, = 65.6 (2) 的温度Chang分布。其计算结果表明，温度在石墨砖 sinθ

Shi中， F 为燃料球间的作用力，N; ρ 为燃料元 高度方向上变化缓慢，因此可用Ping面温度场来说 32件的密度，kg/m; g 为重力加速度，m/s;V 为 明Kong间的温度场分布。由于石墨反射层和燃料元 b 3单个燃料球的体积，m。在这种最危Xian的堆积情 件的磨损发生在石墨砖的内侧面，因此我们更关

Kuang下，所有燃料球间的平均作用力为 32.8N。但 心石墨砖内侧面的温度分布情况。Cong文献中可看

Shi际的燃料球为任意堆积，每个燃料球基本上Du 出，石墨反射层内侧面的温度平均约为 480?。

Hui有一个以上的支撑点。所以燃料元件间的作Yong 在卸料管中，温度随高度方向的变化很快。

Li会减小很多，此处保守地认为燃料球间的平Jun 温度会由卸料管进口处的 800?多度Jian小到料箱

Zuo晓卫等:HTR-10 产生石墨粉尘量的Gu算及其尺寸分布 205

作用力为 30N。 燃料元件之间的磨损He燃料元件与侧面石墨反射

Ceng间的磨损两部分。燃料元件之间的磨损既有Gun 3.3 移动距离动磨损，又有滑Dong磨损。在此可保守的认为只有 燃料元件在Fan应堆堆芯的运动是非常复杂 滑动磨损，Qie近似地取滑动距离为燃料元件通过 [15]的，朱敦智等利用 5 个基本合理假设(Bao括连续 堆芯的平均距离。文献[18]模Ni了燃料元件在氦 介质假设、不可压缩性假She、定常性假设、轴对 气气氛中不同温度时De滑动磨损特性，给出了燃

Cheng假设和旋度模型)，计算给出了 HTR-10 球流流 料元件和石墨反射层在不同温Du下，不同时间段

Chang的等时线和流线。沿每一条流线对速度的倒Shu 内的平均磨损率以及石墨粉尘的粒度分布。由于

Shi验的温度最高为 400?(受试验设备的Xian制)， 进行积分，可以得到不同径向位置Chu燃料球在堆

Di于燃料元件表面的平均温度 550?，此Chu利用 芯的滞留时间。为了模拟燃料球的流Dong，将堆芯

300?和 400?磨损率外插获得 550?时的磨损 部分成 5 个径向流区;流Qu的半径由里向外依次 -3μg/m。同样De方法可以得到石墨 率，为 4.2×10Wei:293mm、456.8mm、596.6mm、743.2mm 和 -3 [16]反射层在 480?时的磨损率为 12.08×10μg/m。 900mm。从中心Xiang侧面方向,各流区内球的平均

Tong过计算可得到燃料元件在通过堆芯时，与燃Liao 停留时间比为:7?10?12?16?21。通过各流区内的 -3 元件间的磨Sun量为 8.65×10μg，石墨反射层的 平均滞留时间，可以计算得到燃料元件分属Ge个 -3磨损量为 0.99×10μg，Chan生石墨粉尘的总量约 流区的概率从里向外Yi次为:32.74,、22.92,、 -3 为 9.64×10μg。 19.10,、14.33%和 10.91,。根据各Liu区的流线，

4.2 燃料球在卸料管中的磨损可得Dao各流道的平均长度从里向外依次为:

Ran料元件在卸料管中的磨损量计算可根据 2005mm 、 2030mm 、 2062mm 、 2109mm 和

Xie料管管壁的材料分成两段进行计算。上段的Guan 2227mm。进而可以得到燃料元件通Guo堆芯的平

Bi为石墨材料，文献[18]给出，400?Shi燃料元件 均的移动距离为 2060mm。当燃料元件堆积在堆 -3 和石墨反射层De磨损率分别为:3.5×10μg/m 和 芯最外侧时，在流动的过程中，会与侧面的Shi墨 -3 10.4×10μg/m。计算Ke得到燃料球在卸料管上 反射层发生磨损。Ran料元件处于最外层的概率约 -3段的磨损Liang为 18.05×10μg。燃料元件在卸Liao管 为 3.85,，沿最外层流动时的流Xian长为 2317mm。

Xia段的磨损率可以借鉴文献[18]中燃料元Jian在装 燃料元件从堆芯流出后，进入到卸料Guan中，

Liao管中的磨损率，在 400 ?时磨损率为 9.7 × 卸料管到料箱出口的距离为 3760mm。在燃料元 -310μg/m，这样可得到燃料元件在卸料管下段的 件的Liu动过程中，外侧的燃料元件会与卸料管的 -3磨损量为 11.91×10μg。进而Ke得到在整个卸料 内壁发生磨损，其发生磨Sun的概率为 44.16,。根 -3管中产Sheng石墨粉尘总量为 29.96×10μg。Ru果保 据卸料管中的材料不同，可以将卸料Guan分成两段

Shou的认为有 50,的石墨粉尘随氦气流动进Ru反 考虑。上段卸料管的管壁材料为石墨材Liao，其长

Ying堆堆芯，其余的粉尘由料箱低的漏斗口流出Dui 度为 2230mm，下端管壁的材料为Bu锈钢，其长

Xin。这样进入堆芯的石墨粉尘量约为 14.98 × 度为 1530mm。 -310μg。 在燃料元件的装料系统中，装料管De直径为

4.3 燃料球在装料管中的磨损62mm，装料管的材料为不锈钢。从输送起点到 [17]在装料系统中的石墨粉尘主要来源Yu燃料 最高点管路总长度约为 23m，考Lv反应堆堆顶

Yuan件与装料管间的磨损。文献[18]模拟了Ran料元 上部的倾斜管道和竖直管道，可以近Si的认为整

Jian在装料管中的磨损情况，给出了在氦气环境Zhong 个装料管的管路长为 25m。

Bu同温度下的磨损率。试验发现，在温度不太Gao -3时(<200?)，石墨的磨损率均wei 2.1×10μg/m。="" 4="" 石墨粉尘gu算="">

Zhe样可以得到燃料元件在装料管中的磨损量为 根据燃料元件发生磨损的区域，可将整个的 -352.50×10μg。保守的考虑有 75,的粉尘会在脉 磨损分成 3 个区。

Chong氦气流的携带下进入堆芯，这样进入堆芯的Shi 4.1 燃料元件在堆芯的磨损

燃料元件在堆芯的磨损主要包括燃料元件与

He 动 力 工 程 Vol. 26. No. 2. 2005 206

-3墨粉尘量约为 39.38×10μg。 m 为不同 可以为石墨粉尘的直径、面积Huo体积;i 部位产从上面的计算可以得到，Ran料元件每循环一 生的石墨粉尘量，kg; f ( x) 为不同部位 产生i -3Ci，进入堆芯的石墨粉尘总量为 60×10μg。在 石墨粉尘的粒度分布函数。图 1 分别给出了 石

Zheng常运行工况，每天燃料元件的循环个数为 125， 墨粉尘的体积、面积和直径分布。Cong图 1 可以

Zhe样就可保守的计算得到反应堆在满功率工况 下运行一年所产生的石墨粉尘约为 2.74kg。 5 石墨粉尘粒度分布

Wei了能够仔细地研究石墨粉尘在氦气流中 的Ning并、一回路表面的沉积情况以及石墨粉尘的 导电性，必须清楚地了解石墨粉尘的粒度分Bu。 文献[18]中给出了氦气环境中，不Tong温度下(室温 到 400?)燃料元件与Shi墨反射层磨损以及燃料球 与不锈钢磨损的Mo屑粒度分布情况。

Zheng常运行时堆芯的平均温度略高于试验的 最Gao温度(400?)，考虑到石墨粉尘粒度随Wen度变 a 石墨粉尘的体积分布

Hua程度较小，且堆芯产生石墨粉尘量相对较小， 可以近似的利用 400?时试验测得的Li度分布代 替堆芯产生石墨粉尘的粒度分布。卸料管中的平 均温度为 400?，可以Zhi接利用文献中的试验数 据。装料管中的温Du为 50?，可选用试验中室温 下的粒度Fen布进行计算。文献[18]给出了 400?时 石墨与石墨磨损产生磨屑的面积自然对Shu平均值 和面积自然对数的标准偏差;面积Zi然对数平均 值为 0.886，面积自然Dui数的标准偏差为 1.221。 对于石墨Yu不锈钢材料间的磨损，在 400?时， Mo屑的面积自然对数平均值为 1.060，Mian积自然对 数的标准偏差为 1.398。Shi温时石墨和不锈钢磨损 石墨粉尘的面积分Bu b

Chan生磨屑的面积自然对数平均值为 1.760，面积的 自然对数标准偏差为 1.442。假设石墨粉尘为球 形，通过计算可得到Bu同磨损条件下石墨粉尘的 体积自然对数平Jun值和体积自然对数分布标准偏 差。对于燃Liao元件与石墨反射层在 400?的磨损， Qi值为 0.998 和 1.832;对于Ran料元件与不锈钢在 400?时的磨损，体Ji自然对数平均值和体积自然 对数分布标准Pian差为 1.305 和 2.098，在室Wen时分 别为 2.355 和 2.165。利用质量进行加权平均，可 得到整个反应Dui中磨损产生石墨粉尘的粒度分布 情况。质Liang加权平均公式为

c 石墨粉尘的直径分布 mf( x) i i (3) F ( x) = m i 石墨粉尘的尺寸分布 图 1

Fig. 1 Size Distribution of Graphite Dust 式中，F ( x) 为所有石墨Fen尘的粒度分布函数;x

Zuo晓卫等:HTR-10 产生石墨粉尘量的Gu算及其尺寸分布 207

式[6])。 看出，磨损产生石墨粉尘的Ti积、面积和直径的

Fen布仍符合对数正态分布。通过数据处理，可Yi

Can考文献: 得到石墨粉尘的体积、面积和直Jing分布自然对数 [1] 马绍川, 皱Yan文. HTR-10 堆用石墨材料的研究[J]. 核 平均值和自然对数标准偏差。

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(3)通过质量加权平均，得到了 HTR-10 中石 研究[R]. 清华大学核能Ji术设计研究院, 2003. 墨粉尘的体Ji、面积和直径分布函数式(式[4],

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Estimation of Graphite Dust Quantity and Size

Distribution of Graphite Particle in HTR-10

LUO Xiao-wei，YU-Su-yuan，ZHANG Zhen-sheng，HE Shu-yan

(Institute of Nuclear Energy Technology，Tsinghua University，Beijing，100084，China)

Abstract:In 10MW High Temperature Gas-cooled Reactor (HTR-10), the wear of graphite components generates the graphite dust to influence the normal working of the reactor. The graphite dusts come from three parts: core, unload pipe and load pipe. Based on the graphite wear experiments, we here estimated that the graphite generation under normal working condition is about 2.74kg/a. By the mass-weighted average, the distribution function of volume, area and diameter for graphite particle were obtained.

Key words:High Temperature Gas-cooled Reactor，Fuel element，Graphite，Wear，Size distribution 作者简介:

Zuo晓卫(1977—)，男，博士研究生。1999 年毕业于西安交通大学能源与动力Gong程学院。现从事颗粒学与石墨氧化 性能研Jiu。

Yu溯源(1965—)，男，研究员。1997 年毕业于戴维斯加州大学机械系，获博Shi学位。现从事机械结构设计和颗粒 学研究。

Zhang振声(1935—)，男，研究员。1960 年毕业于哈尔滨工业大学动力机械系。从Shi反应堆结构分析与设计。

(责任编辑:查刚菊)

(上接第198

页)

Key words:Digital power plant，Nuclear power plant，Reactor upper head replacement，Spatial

arrangement，Dynamic management

作者简介:

Wang百众(1966—)，男，高级工程师。1993 年毕业于清华大学工程物理系反应Dui工程与安全专业，获博士学位。现 从事核Dian厂工程管理及核电厂信息化的工作。

Luo亚林(1972—)，男，工程师。1995 年毕业于吉林大学环境工程专业，大学Ben科学历。现从事核电站数字电厂的 应用及Kai发

Fang 昊(1970—)，男，工程师。1993 年毕业于上海同济大学建筑系建筑学专Ye。现从事三维模型建设和应用工作。

(责任编辑:刘胜吾)

(上接第 202 页)

作者简介:

Lin孝工(1962—)，男，副教授。1985 年毕业于哈尔滨船舶工程学院计算机系。现执教于哈尔滨工程大学动力与核 能工程Xue院。

Jiang兴伟(1977—)，男，硕士研究生。现Jiu读于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业。

Liu 涛(1975—)，男，2004 年Bi业于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业，Huo硕士学位。

(责任编辑:查刚菊)

【doc】放顶煤工作面粉尘产生量与煤物理性质关系分析

Fang顶煤工作面粉尘产生量与煤物理性质关

系分析

.灭耕西//尘/垛,

Di22卷第l】期煤炭科学技术1994年l】月/ 放顶煤工作面粉尘产生量

Yu煤物理性质关系分析

Zhong国矿业大学北京研究生部付贵谢华]7f午?-一—_—一?

1采煤工作面煤尘产生方式

Zong采放顶煤工作面尘源的产生环节主要 有煤Ji落煤,放煤,移架,装煤和运煤5大 工序.从微观方面分析,煤尘产生可分为摩 擦,Pao落和摩擦与抛落相结合的三种方式. 1.1摩擦

Mo擦产尘发生在煤与煤,煤与岩石之间, 也Fa生在煤与截齿及其它机械设备之间.采 煤Ji截煤时,其截齿与煤体接触给煤以挤压 力,推动煤体破坏移动,截齿首先与煤接触, Bu可避免地在两者之间产生摩擦产生煤尘; Tong时,煤体被挤压部分要产生破坏移动,在 Po坏移动过程中,同煤体其它部分及煤块产

,在放煤,移架,装 生摩擦产生粉尘.类似De

Mei和运煤过程中,也发生这种煤与煤,煤与 Ji械设备之间的摩擦产尘现象

1.2抛落

Ji械割煤时,煤块在滚筒动力作用下发 生抛Luo现象,抛落时煤块要发生破碎产尘.顶

Mei在放落和运输,移架过程中,这种抛落产 Chen也是普遍情况.

1.3抛萍与摩擦结台

Mei块在斜向抛落于其它物体之上时,既 与该Wu体产生摩擦.也伴有破碎,此时即抛 落与Mo擦相结合的产尘方式.事实上,严格 意义Shang的垂直抛落是不存在的,总是在抛落 时伴You摩擦.

2煤的有关物理性质

Yu煤尘产生量有关的物理性质有煤的械 械强Du,硬度,粉碎性(可磨性),脆度和弹 塑Xing等.它们分别从不同方面影响采煤过程 中Mei尘的产生量和煤尘的分散度. 2.1机械Qiang度

Mei的机械强度有几种测定方法,应用比 较普Bian的落下试验法是根据煤块在运输,装 卸过Cheng中落下,互相撞击而破碎等特点拟定 的.Ce试方法为:选取60,100mm的煤块1O 块,称重,然后逐块从2m高的地方自由Luo到 厚度为15ram的金属板上,这样自You跌落三 次后,用25ram的方孔筛筛分,以大于25mm 的块煤重量占总重量的百Fen数表示煤的机械 强度.

Hu体上的压力不是同心压缩,这样就把支护 Ti压向,折断(图4),支护体没有发挥整体 强度就破坏架上骨架后,u型钢可缩性支 Jia可对支护体缩变起约束作用,基本上按半 Yuan形同心缩变.缩变后的支护体处于良好的 Cheng压状态.所谓支护体缩变,对料石碹而言,

Mei块料石的强度可认为是相同的,但在半圆 50

Sui盘图4碹体压扁折断

Di22卷第l1期煤炭科学技术1994年l1月 煤的机械强度与煤的煤化程度关系是: 从褐煤到无烟煤,机械强度有渐强趋势.机 械强度大,表明煤不易破碎.

2.2硬度

Mei的硬度决定煤的破碎程度,它可用许 多方Fa测定,主要有划痕硬度(莫氏硬度)和 显Wei硬度.前者是用标准矿物刻划煤所测定 的Xiang对硬度;显微硬度则是在静载荷下测定 金Gang石锥对煤光片单位实际接触面积的载荷 量,再用下面公式计算煤的显微硬度,即 H=2詈嘻

Shi中H——煤的显微硬度,N/m.} n——金钢石方形锥锥体压头两相对 锥面夹角,Du;

——

Fu荷除去后压痕对角线之长,

I'D-;

Hu——加在压头上的负荷,N.

Ying度与煤化程度有如图1所示的趋势曲 线.

2.3粉碎性(可磨性)

Mei被粉碎的难易程度通常用可磨性指数 表示,可磨性指数大,则容易粉碎.可磨性 在实Yan室条件下测定的方法很多,目前使用

Zui广泛的是Hardgrove法(H.G.Fa).该 攥化程厦

图1

Fa是以美国某矿区易磨碎烟煤作标准煤,其 Ke磨性为100,并以此来比较被测煤的相对 可磨性或破碎的难易程度.测定时,使煤样 在规定条件下在小磨碎机中经受一定的破碎 功,再以筛分法测定煤的新增表面积,最后 算出可磨性指数.可磨性指数与煤化程度的 关系趋势如图2.

图2

2.4脆性

Mei的脆性是表征煤被粉碎的难易程度, 即机Xie坚固性指标.E.M.泰茨用全苏矿物 拱Zhong的位置不同,其受力状态是不同的,观 察Fa现,半圆拱中墙和拱交接处料石受力条 件Te殊,最先破坏.破坏形式以片状剥落,剥 Luo后的料石并不破坏,还是一块料石,不过 Xiao一点,剥落本身是一种压缩,压缩虽然不 Da.但足以满足岩石在支护体离壁后的压缩 Bian形.

3离璧骨架支护效果

Li壁骨架支护是一种适应性强,性能全 面的Ruan岩巷道支护形式,离壁支护体及骨架 的有Ji配合,发挥出它们的综合效果,整个 支护Guo程是柔性(离壁)一刚性(支护体发挥 作Yong)一强柔性(骨架和支护体共同发挥作 用)一稳定(离壁骨架式支护),既发挥了高抗 力作用,又体现无级缩变.在整个缩变过程

Zhong抗力不减,这是其它联合支护做不到的.城 西煤矿在建设过程中,逐步摸索出这种方法, 并在实际中应用.井底车场1987年采Yong这种 支护方法施工了500m,至今完好.

(责任编辑赖应得)

51

Di22卷第l1期煤炭科学技术

Yuan料研究所的微分散计对库兹涅茨煤田的煤 Jin行了试验.

Ce定方法:用若干个圆筒(转速9Or/ rain)将4,5网目的煤粒与6个钢球装入Qi 中,转动一定转数之后,测定大于2.36ram 的各级煤的产率多少来作为韧性(Yu脆性相 反)指标.脆性与煤化程度的关系Qu势如图 3所示.

煤化程度

囝3

2.5弹塑性

Mei的弹性和塑性是相反的两种性质,能 衡量Mei的破碎程度及煤的产尘量大小. 测定方法You多种,如可测定煤的载荷弯 曲度等.弹性Yu煤化程度的关系趋势如图4. o褐煤烟煤Wu蝈攥

煤化程度

图4

3煤的物理性质与放顶煤采面主要工序煤 尘Chan生量分析

Shang述几种衡量煤的破碎性的物理性质与

Cai煤过程中煤尘产生量的关系需由实验确 定.总的趋势是,破碎性强,则煤尘产生量 大.放顶煤工作面工序不同,产尘机理不同, Fen尘产生量与粉尘分散度就不同,现具体分 Xi如下:

52

3.1割煤

Ge煤过程中,煤尘的产生以摩擦为主,煤 的Ke磨性(粉碎性),机械强度和硬度是煤尘 Quan尘产生量的主要衡量指标.其中硬度是呼 Xi性粉尘产生量的主要指标.可磨性,机械 Qiang度越大,则全尘产生量越大}而硬度越大, 则呼吸性粉尘产生量相对越大.在工艺上应 尽力使用尖税截齿,减小齿与煤的摩擦面积, 以减少全尘(特别是呼吸性粉尘)的产生Liang. 一

Ban而言,从煤到半煤岩到岩石,机械

Qiang度渐强,粉碎性渐弱,硬度渐增,采掘机 Xie破煤,半煤岩及岩石时,总的产尘量减少, 但呼吸性粉尘比例增大.此结论可由表11] 的实测数据证实

衰1

3.2放煤

Fang煤煤尘主要来源于抛落,煤的机械强 度与Mei的脆度应是全尘产生量的主要衡量指 标.Ji械强度低,脆度高则全尘产生量大.而 硬Du是呼吸性粉尘产生量的主要指标,因为 放Mei过程中亦存在摩擦产尘,因此硬度大则 呼Xi性粉尘产生量大.

3.3装煤与运煤

Dang煤板装煤产生机理主要是抛落,而运 煤过Cheng中的产尘方式主要是摩擦. 3.4综采放Ding煤工作面与普通综采产尘的 不同点

Biao2和表3是两个矿井综采放顶煤工作

Di22卷第1I期煤炭科学技术1994年I1月 面采出煤的0.5,Ornm自然级小Shai分试验 结果,表4是普通综采面采出煤的0.5, Ornm自然级小筛分试验结果.Jie果表明,在 煤的物性基本相同条件下,一Ban综采面采下 的煤中,一60目煤粉占采落Mei的903,而 放顶煤综采面采下的煤中,Yi60目煤粉占采 落煤的7.28和5.355,这表明放顶煤综 采工艺采煤产生的小Ke粒(O,0.5ram)比用 一

Ban综采产生的少.由此可以初步推断出如 下Jie论:综放开采工艺的产尘强度(吨煤产 尘Liang)有所减少.原因是放煤(其产量不小 于Ge煤量)过程中,煤破碎的主要机理是摔 落,而机械割煤产尘的主要机理是摩擦,且 后Zhe产生的微细粉尘所占比例较大,这与本 寰2

Wen开始时的分析是吻合的.

Quan面分析采煤工序,煤的机械强度,脆 度,Fen碎性,弹性四种物性对全尘产生量影 响较Da,而硬度对呼吸性粉尘产生量影响较 大.

4注水对煤尘产生量的影响

Shui对煤的作用机理主要有两点:?湿润 煤体Zhong原生粉尘和次生粉尘,使尘粒间增加 粘结Xing,利于在其自由时凝聚沉降}?改变 煤的Wu理性质,降低机械强度,脆性,弹性, 硬Du等.

You前面分析可知,对粉尘产生量有影响 的煤De物理性质有多种,而注水对这些物理 性质Jun有影响(表5口).因此,煤层注水对 于Jiang尘的作用进一步得以肯定.但水对煤的 各Zhong物理性质的影响程度,不同物理性质的 煤De注水量及注水方式,水对粉尘分散度的 影Xiang程度均依赖于大量实验,煤的物理性质 对Mei尘产量的影响也有待于深入研究.从目 前Guo内外的研究看,这项基础研究明显不足, Er该研究对取得良好的降尘效果,预测粉尘 Chan生量,制定高效合理的防尘措施意义重大. 寰S

5结语

(1)本文是对煤的物理性质与煤尘产生 量De关系的初步分析,旨在对影响全尘和呼 吸Xing粉尘产生量的物理性加以明确. (2)各Zhong物理性质与煤化程度关系用的 是趋势图,Zhe对这方面的基础研究尚无统一 结论时期设Ji采煤工作面防尘措施可提供定 性参考.

53

@们

一./

Di22卷第11期煤炭科学技术

Ye压支架模拟试验仿真软件

,

系统及其应用

Mei炭科学研究总院北京开采所王国法杜忠孝郭Fan强11_)骷,

A一一f

I,摘要夼绍了SSTS液压支架计算机模拟Shi验仿真软件系统的结构,功能,有 限元模Xing和应用情况.通融6种支架的模拟试验与试Ya室强度试验对比,分析了支 架结构的应坷Fen布规律不同类型支弗应力分布的特息.

Guan键词J液压支架J模拟试验J仿真有限元,,鸯牟

Yif——/一f—J

Mu前,液压支架的强度试验只能测有限据基本Yi致.

Ge点(一般少于2O个点)的应力状况,而且

Gong作量大,一些应力大的危险区因无法贴片,1SS'l~模拟试验仿真软件系统的结构与Gong

Er无法测得其应力值.因此,强度试验的应

Li值往往不能完全反应支架的最大应力值和SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软

Ying力集中状况.型式试验是对样机的检验,因Jian系统是在CVCDS-4000计算机辅助She计

Ci,只能检验设计,而不能在形成产品(样系Tong上运行的,利用CV系统上的CAD支撑

Ji)之前指导设计.应用弹性力学有限元技软JianCADDS系统作为主系统,整个系统包

Shu,以液压支架空间受力模型为基础,借助括You限元前处理软件包,有限元分析软件

,有限元电子计算机对液压支架进行模拟试验,是强COSAMOSFORTRAN77系Tong后

Hua试验手段,提高产品设计可靠性和经济效处Li软件包,以及CVMAC语言系统等模

Yi的重要途径.块.SSTS系统的结构如图1所示.

Wo们经过3年的研究和试验,成功地开图1中Kuang1为CVCDS一4000CAD系统 发Chu实用化的SSTS液压支架模拟试验计算的Tu形处理操作系统,是主操作系统,框2为

Ji仿真软件系统并已通过技术鉴定.应用这CAD图形系统CADDS,框4CVMOS是CV

Tao液压支架模拟试验仿真软件系统,我们目CDS一4000系统的分析处理器操作系统,Shi

Qian已完成了6种架型的模拟试验,并且对这进Xing分析计算的操作系统.所有的作业和文

6种支架样机进行了试验室对比试验,结果件Jun由主操作系统OS管理. 表明计算机模拟Shi验与样机强度试验实测数框3有限元前处理Ruan件包,是在 (3)建议建立综合指标衡量Fang顶煤采煤

Gong作面的煤尘产生量和粉尘分散度为防尘

Cuo施的制定提供理论依据.

参考文献

1赵书田等.j弭鸭山煤田呼吸性粉尘的研究.煤炭,

54

1988(1)

2张延按.厚煤层注水在放璜煤开采中的应用.煤矿安全

1993(11)

3晦着主编.爆化学.冶金工业出版社.198~

(责任编辑许升阳)

浅谈采石场粉尘产生量及控制措施

Di37卷　第4期2013年12月

Hei龙江环境通报Heilongjiang Environmental Journal

Vol．37No．4Dec．2013

Qian谈采石场粉尘产生量及控制措施

Wu　奇(铁岭市辽河博物馆　辽宁　铁岭　112000)

Zhai　要:目前一些中小城市还存在相当数量的Cai石场, 除对生态破坏严重外, 粉尘对周Bian环境的污染不容忽视。关键词:采石场; Fen尘; 污染; 措施

Zhong图分类号:X705　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1674-263X (2013)04-0072-03

Discussion on Pollution of Quarry Dust and Countermeasures WuQi (LiaoHe Meuseum of TieLing City TieLing LiaoNing 112000)

Abstract :At present , there are a considerable number of quarries around some small and medium -sized cit-y．In addition to serious destruction of ecological envrionment , Dust pollution to the surrounding environment should not be ignored 。

Key words :Quarry　Dust　Pollution　Measure 　　采石场生产运行中的主要大气污染物是Fen尘, 粉尘主要来自穿孔、凿岩、爆破、装Che和运输等作业过程, 均为无组织排放。其Fen尘量的大小, 与石块粒径组成、石块含水Lv和风速相关, 这些粉尘对周边人和动物体Hu吸系统, 对周边植被光合作用都有着不可Hu视的影响, 应引起足够重视。本文重点对Cai石场粉尘产生部位、排量进行分析论述, Ti出经济可行的控制方案。1　粉尘的产生工Xu及产生量1．1　爆破粉(烟) 尘

Chuan孔和爆破粉尘为瞬时源, 产生的粉尘相对

Zong量92%以上。以爆破为中心(x =0) 平均风速取3m /s , 频次为年200次计算, 爆破起尘速率Q 值为0．0396t /s , 年累计爆破起尘量按下式Gu算:式中:Q b —年累计爆破起尘量t /a ;

Q s —爆破起尘速率t /s ; F b —年爆破频次200次; 0．8kg /h 。

Q b =Q s ·F b ·t

Lei计爆破估算产生量为1．95t /a 、0．0065t /d 、

t —爆破粉尘完成冲击形成烟团时间2．5s 。

1．1．2　爆破烟尘

Yin为在主导风向影响下, 爆破瞬间的烟尘伴

1．1．1　爆破粉尘

Kuang石装载破碎筛分排放量很小。

Zhu要包括铵油炸药急剧氧化产生的NO x Deng有

Sui着空气冲击波向下风向形成无组织体源污染, 采用无组织的体源模式

:

Hai气体和空气冲击波所引发的粉尘; 根据爆Po工程技术研究表明:一次装药量在4t 的Qian孔大爆破

Qi浪冲击所携带的粉尘相当于一场沙尘暴, Bo及范围沿主导风向可以在2000m 或更Yuan。爆炸中心1．08mg /m 3。粒径<>

Shou稿日期:2013-12-06

Shi中:C —下风向落地浓度mg /m 2。

δy、δz—水平、垂直扩散方差m 。Q —排放强度mg /s (278)。

Ji边缘环境空气中, TSP 可逐渐变化为58．0-

Di一作者简介:吴奇(1980-), 男, 本科, 助理工程师, 从事环境管理工作。

72

Biao1距离（m ）浓度值

1001.41

Bao破烟尘下风向地面浓度

2000.47

6000.075

8000.044

mg/m310000.03

表2

条件系数起尘强度

Zhuang卸物料产尘量含水率（%）

1.59660kg/a

风速（m/s）

332.2kg/d

起尘量（kg/t）

0.74.025kg/h

1．41mg /m 3, 距离为100m , 超过GB16297-1996

Bao破烟尘下风向地面落地浓度最大浓度值

表3

条件系数起尘强度

Shi料堆放场及筛分产尘量含水率（%）

1.59660kg/a

风速（m/s）

332.2kg/d

起尘量（kg/t）

0.74.025kg/h

0．41倍, 可见爆破粉尘的影响较大的范Wei在爆破1．1．3　粉尘影响范围点周围200m 范围内。

《大气污染物综合排放标准》周界处浓度值的

Zhu要以筛分料场、装卸、爆破烟尘、无组织排

Fang粉尘量为估算值。粉尘影响范围(无组织排Fang卫生防护距离按GB /T -3021-93规定) 进行估算, 公式如下

:

Shi中:Q s —每吨矿石料起尘量kg /t ;

k —物料扬尘系数, 矿石取1; w —Wu料含水率%; ν—低空风速m /s 。

Q s =k ·0．19e -0．82w ·e 0．442υ

An照参数条件和采石场的自然环境, 选择含

Shi中:c —标准浓度控制值mg /m ;

3

Gu算结果为420m , 按照GB /T3021-93规定, 超过100m 但小于1000m 时, 级差为100m , L 值在两级之间, 取偏宽一级, 故采石场De卫生防护距离1．2　废石场及装卸粉尘产Sheng量为500m 。

土。

Q —无组织排放量控制水平kg /h 。

A 、B 、C 、D —卫生防护距离计算Xi数;

L —无组织排放源所在生产单元等效半径m ;

1．3　运输料石粉尘影响

Shui率1．5%, 风速3m /s 进行估算。

Qi车运输石料时, 将产生的扬尘其产生量和

Ying响范围是首位的。道路扬尘可以分解为以下Si个部分:

(1) 车轮转动带起路面尘土;

(2) 车体运动时, 形成的涡流卷起尘土; (3) 车上装载的矿石或废石扬起的粉Chen; (4) 地面风速较大时, 由风力作Yong吹起地表尘通过查阅有关资料, 道路尘的Fen散度见表4。

Cai矿作业、筛分料场、矿石装卸过程中粉尘对

Huan境空气影响预测选择露天矿风洞实验所建立De经验模式:

表4

Li径（μm ）比例（％）

<>

10～205.18

道路尘粒分散度

20～509.85

50～8032.68

80～10027.49

>10011.78

70%以上, 在尘粒迁移过程中, 既有沉Jiang和沉积引

表5

）P （kg/m215（km/h）25（km/h）

0.10.0760.127

0.20.1280.214

　　从表中可以看出, 粒径大于50μm的Chen粒占

Qi的源强衰减, 又有小颗粒的扩散稀释, Dao路粉尘在漂移时, 瞬时浓度很高, 但下Jiang很快。

不同车速产生的尘量

0.30.1780.290

0.40.2160.361

0.50.2560.427

1.00.430.718

　　目前, 采石场运输道路为土路, 加之Duo年失修, 路面起伏较大。生产运输过程中, 路面将产生

Yang尘会十分明显。实验表明, 车速在15km /h 时, 1km 处将会产生0．43kg /m 2粉尘, 会给周围环境

73

造成一定影响。

Cai石场与筛分料场及原矿石运输终点之间直线Ju离较近, 均小于0．8km , 成品运Shu经过村庄时, 运输道路扬尘会对道路周边Huan境空气及农田产生影响。

1．4　汽车在有散状物料的道路上行驶的扬Chen

Qi车载有散状物料的道路上行驶的扬尘, 选Yong上海港环境保护中心和武汉水运工程学院提Chu的经验公式估算, 经验公式如下:

V M 0．85p

Q 2=0．123·() ·() ·() 0．72

56．80．5

(kg /km ·辆)

Q ’2=Q 2·L ·Q /M (kg /a ) 式中:Q 1、Q 2———分Bie为装车机械、汽车行驶的起

Chen量; Q ’2———运输总扬尘量; w ———物料含水率,(%), 1．5%; V ———汽车行驶速度,(km /h ), 20km /h ; M ———汽车Zai重量,(t ), 40t /辆。

表7

Ju离(m)）浓度值（mg/m3

501.60

1000.27

2000.18

　　P ———道路表面物料量,(kg /m 2), 0．30kg /m 2;

L ———运距,(km ),(考虑附近路Duan为1．0km ); Q ———运输量,(t /a ), 13800t /a 。

表6

时段扬尘量

Yun输行驶扬尘量全年1552.5

日均5.17

小时0.46

kg

1．5　筛分及装卸粉尘

Liao石堆放场在筛分作业、装卸石料作业中产生De粉尘同样会给下风向造成一定影响。为简化Ji算, 把扬尘视为面源预测模式:

Q

C =0．00529·t ·x -0．58

u

式中:

C —下风向总悬浮颗粒物浓度mg /m 3(Z =1．7m );

Q t —地面粉尘排放强度mg /s 。Gu算结果见表3。

Xia风向悬浮颗粒物浓度

3000.14

5000.11

6000.096

8000.081

10000.071

　　下风向总悬浮颗粒物浓度值最近点50m 为1．60mg /m 3超标; 最远点1000m 为0．071mg /m 3, 满足GB16297-1996标准值1．0mg /m 3要求。2　对环境的影响

(1) 粉尘对周围居民及动物呼吸系统产生Ying响, 长期生活在粉尘污染严重地区易引起Fei部疾病。

(2) 粉尘落到植物表面, 影响植物光合Zuo用, 造成农作物减产。

3　控制措施

(1) 对有组织的排放部位采用加罩吸尘后, 通过布袋除尘后排放;

(2) 采矿场、排土场及矿石堆存处设几个Sa水点; 对运输道路路面洒水, 冬天在水Zhong加氯化钙(CaCl 2) 作防冻剂, Xiao果较好;

(3) 对输送碎矿石的汽车设置蓬布遮盖, 罩上防尘网;

(4) 筛分料场安全封闭, 采用防尘网或Yi动封闭挡板, 防止粉尘扩散;

(5) 加强矿山绿化, 在运矿石道路的两Ce植树

74

防尘;

(6) 矿石运输经过村庄时应尽量减速慢行; (7) 在大风天气禁止爆破、筛分等产Sheng扬尘作业, 控制无组织扬尘产生;

(8) 湿润地面, 爆破中间施爆上空喷射Shui雾方法来控制烟尘扩散;

(9) 矿山绿化, 在运矿石道路的两侧植Shu防尘; 废石场、排土场要边堆存边生态恢Fu的原则, 在将废土石填至一定量时, 在Qi上覆土造田, 复垦绿化。

4　结论

Cai石场无组织粉尘影响范围在500m 左右, 采取布袋除尘, 洒水、绿化等经济可行De环保治理方案后, 对周边的环境影响可以De到有效地控制。

Qian谈采石场粉尘产生量及控制措施

Zuo者：作者单位：刊名：

吴奇， WuQi

Tie岭市辽河博物馆 辽宁 铁岭 112000黑龙江环境通报

Heilongjiang Environmental Journal

2013(4)

英文刊名：

年，卷(期)：

Ben文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hljhjtb201304026.aspx

【doc】HTR-10产生石墨粉尘量的估算及其尺寸分布

HTR-10产生石墨粉尘量的估算及其尺寸Fen

布

第26卷

2005

第2期

年4月

核动力工程

NuclearPowerEngineering

,,0I_26.No.2

Aor.2005

Wen章编号:0258—0926(2005)02—0203—06

HTR一1O产生石墨粉尘量的估算及其尺寸Fen布

Zuo晓卫,于溯源,张振声,何树延

Qing华大学核能与新能源技术研究院.-ITS':.100084 摘要:在i0MW高温Qi冷堆(rlTR.10)中,由于石墨构件De磨损会产生石墨粉尘,将影响反应堆的正常

Yun行石墨粉尘的产生主要来自堆芯,卸料管和Zhuang料管3个部位.本文在石墨磨损试验的基础Shang,保守地估

Suan了HTR—i0在正常运行工况下石墨粉尘De产生量(大约为2.74kg/~)通过质Liang加权平均,给出了石墨粉尘

De体积,面积和直径分布函数.

Guan键词:高温气冷堆;燃料元件;石墨;磨损;粒度分布

Zhong图分类号:TL342文献标识码:A

1引言

10MW高温气冷堆(HTR.10)堆芯除Qu少量

Ran料,控制材料外.基本上全都为石墨类材料,

Ru石墨反射层,碳砖,支撑构件和各类导管等….

HTR.10采用包覆颗粒式球形燃料元件,Ran料元 件采用多次循环方式,燃料球通过堆Ding加料管添 加到反应堆堆芯,通过堆底卸料Guan流出.燃料球 在循环过程中会与自身以及Qi它的石墨构件发生 摩擦磨损,产生石墨粉Chen,进而引发一系列的新 问题,影响反应堆De安全与正常运行.因此,对 HTR.10Zheng常运行工况下石墨粉尘的产生量及粒 度分Bu进行研究是非常必要的.

Dui于高温气冷堆石墨粉尘的研究,德国曾针 DuiAVR反应堆进行了相应的研究.发现在正Chang运 行工况下.石墨粉尘的产生量约为3kg/a,且冷却 剂中的粉尘浓度随反应堆的Yun行工况变化很大, 尤其是在反应堆的启停Gong况,石墨粉尘的浓度最 多可达2000~tg/m3(标准状况)】.1986年, Wawrzik开始研究AVR堆中石墨粉尘De粒度分 布,给出了一个典型的石墨粉尘粒Du分布频率图, 并发现最大频率处的石墨粉Chen的粒度(直径)小于 l~tm(为0.76~tm).本文主要利用现有对石墨摩擦 Mo损的研究结果,估算HTR.10在正常运Xing工况 下的石墨粉尘产生量,并给出石墨粉Chen的粒度分 布

Shou稿日期:2004-02.27;修回日期:2004-06-01 2石墨粉尘的产生

ZaiHTR.10中,可能产生石墨粉尘的因素Ke归 纳为以下几点.

2.1运动部件间的磨损

Ran料元件在循环过程中,会与装卸料管,石 Mo反射层内壁以及其周围的燃料球发生磨损,Chan 生石墨粉尘.

2-2石墨构件热膨胀,辐照收缩与肿胀引起De磨损 在反应堆中,石墨砖,碳砖等堆内构Jian的尺 寸都很大,在反应堆启,停堆过程中,由于受热不 均匀,会产生上下层石墨构件De相对移动,发生 石墨材料的磨损现象.此Wai,石墨构件经中子辐 照后,形状尺寸会发Sheng变化,与周围的石墨材料 发生磨损.并产Sheng少量的石墨粉尘:. 2.3燃料元件的失Xiao

Mei个球形燃料元件在堆芯中的运行时间约为 1100hI4】.在整个运行期间内,燃料Yuan件可能会因 种种原因发生失效,并产生一Ding量的石墨粉尘. 主要的失效原因有3种:?燃料元件的静载荷, 装卸时的挤压,碰撞He磨损引起的机械失效;? 温度和辐照引起De应力失效;?杂质与石墨基体 产生化学反Ying引起的化学失效程碧华计算出 由温度和辐Zhao引起的燃料元件应力失效概率小于 10一;化学失效概率小于应力失效概率;机械失 Xiao概率同样也很小?

He动力工程Vb1.26.No.2.20o5 2.4其它原因

Zai反应堆堆芯,氦气流的速度比较高,石墨 Gou件在氦气流的冲刷下会产生浸蚀现象.此外, 石墨堆内构件受到冲击载荷(如地震),Ye会发生 石墨材料的磨损现象,产生石墨粉Chen. 由于反应堆是一个非常复杂的系统,同Shi反 应堆堆芯又有大量的石墨堆内构件,而Qie石墨构 件的所处环境非常苛刻,会有很多De因素诱导产 生石墨粉尘.总之,由于燃料Yuan件循环而发生磨

Sun所产生的石墨粉尘占绝大多数【2】.而其Ta因素 所产生的石墨粉尘量相对都非常小,Zai分析中可 以忽略不计.因此,在估算石墨Fen尘产生量时, 重点计算了燃料元件在循环Guo程中磨损所产生 的石墨粉尘量.

3石墨构件的状态

You于石磨材料的磨损率与石墨材料的使用 条Jian有关,如温度,压力,环境气氛等,因此在 进行石墨粉尘估算之前,必须弄清不同石墨Gou件 在反应堆中所处的状态.

3.1温度

ZaiHTR一10中,石墨材料处于高温,高压De 高纯度氦气(纯度99.995%)环境Zhong,氦气的压力为 3.0MPat引.石墨Gou件的温度分布则非常复杂,它 不仅与反应Dui的运行工况有关,而且还与石墨构 件在堆Xin的位置有关.文献【7】给出了稳态工况 Xia,HTR一10的堆芯温度分布场.初始工Kuang时堆 芯燃料元件表面的平均温度为581.9?.一般情况 下.初始工况燃料元件的Wen度要比稳态运行工况 下的燃料元件温度高,可以近似的认为,在反应 堆正常运行工况Xia.燃料元件表面的平均温度为 550.

Dui于石墨反射层,越靠近堆芯.其温度越高. 张振声等【8l给出了半堆芯高度处侧反射Ceng石墨砖 的温度场分布.其计算结果表明,Wen度在石墨砖 高度方向上变化缓慢.因此可Yong平面温度场来说 明空间的温度场分布.由Yu石墨反射层和燃料元 件的磨损发生在石墨Zhuan的内侧面,因此我们更关 心石墨砖内侧面De温度分布情况.从文献中可看

Chu,石墨反射层内侧面的温度平均约为480. 在卸料管中,温度随高度方向的变化很快. 温度会由卸料管进口处的800cI二多Du减小到料箱 处的200~C左右.可以近Si的认为卸料管中的平 均温度为400?.

Dang燃料元件处于装料系统时.输送气体的温 Du为50J,可以近似认为燃料元件的表面温Du 也为50~C.燃料元件从料箱到提升器De这段过 程.由于其磨损产生的粉尘不进入Fan应堆堆芯, 因此在以下的计算中不予考虑.

3_2载荷

ZaiHTR.10中,共27000多个球形燃Liao元件 堆芯由石墨反射层堆砌而成.堆芯腔De等效直径 为1800mm,等效的高度为2400mmIl州.在投燃 料球时.加料Guan下端会形成圆锥形的燃料球堆积 区,因此Zai堆芯顶需400mm左右的顶空腔【l". 计算可得到燃料球堆积在反应堆中的堆积体Ji为 5.0894m3.燃料元件在球床中De堆积属于任意堆 积.文献【l2】指出,Ren意堆积包括3种基本的形 式:最松,中等He最密任意堆积.考虑燃料球在 堆积过程中Wei单个加入,并伴随一定的扰动以及 振动.Ke以认为燃料球在球床中的堆积属于最密 任Yi堆积.燃料元件的密度为1.76g/cm3Il引,结合 文献[121给出的堆积密Du与密度的关系.可得燃 料元件的堆积密度Wei0.604?0.003通过计算可 得到Dui内燃料元件的个数约为27180个,与实Ji 装载的燃料球数相当.文献[141给出Liao规则球粒 堆积情况下.堆积密度与上下层Qiu粒接触点仰角 的关系式

Ji:===/17(1)

Shi中,k为堆积密度;0为接触点的仰角.度. 通过上式可得到8角的大小约为67.;Dui芯总堆 积层数约为32层.这样,最下面De一层燃料球将 承担上面3l层燃料球的重Liang.此时下层的燃料球 受力为:

,:—31pg—

Vb

:65.6(2)

sin0

Shi中,F为燃料球间的作用力.N;p为燃料Yuan 件的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s;为 单个燃料球的体积,m3.在Zhe种最危险的堆积情 况下,所有燃料球间的Ping均作用力为32.8N.但 实际的燃料球Wei任意堆积.每个燃料球基本上都 会有一个Yi上的支撑点.所以燃料元件间的作用 力会Jian小很多,此处保守地认为燃料球间的平均

Zuo晓卫等:HTR.10产生石墨粉尘量的估Suan及其尺寸分布 作用力为30N.

3.3移动距离

Ran料元件在反应堆堆芯的运动是非常复杂 的,朱敦智利用5个基本合理假设(包括连续 Jie质假设,不可压缩性假设,定常性假设,轴Dui 称假设和旋度模型).计算给出了HTRYi10球流流 场的等时线和流线.沿每一条Liu线对速度的倒数 进行积分.可以得到不同Jing向位置处燃料球在堆 芯的滞留时间.为了Mo拟燃料球的流动,将堆芯 部分成5个径向Liu区;流区的半径由里向外依次 为:293mm,456.8mm,596.6mm,743.2mm和

900mmlJ酬从中心向侧面方向,各流区Nei球的平均 停留时间比为:7:10:12:16:21.通过各流区内的 平均滞留时Jian,可以计算得到燃料元件分属各个 流区的Gai率从里向外依次为:32.74%,22.92%,

19.10%,14.33%和10.91%.根据各流区的流线, 可得到各流道的平均Chang度从里向外依次为: 2005ram,2030mm,2062mm,2109mm和 2227mm.进而可以得到燃料元件通过Dui芯的平 均的移动距离为2060ram.Dang燃料元件堆积在堆 芯最外侧时.在流动的Guo程中.会与侧面的石墨 反射层发生磨损.Ran料元件处于最外层的概率约 为3.85%,沿最外层流动时的流线长为2317mm. 燃料元件从堆芯流出后.进人到卸料管中. 卸料管到料箱出口的距离为3760mm.Zai燃料元 件的流动过程中,外侧的燃料元件Hui与卸料管的 内壁发生磨损.其发生磨损的Gai率为44.16%.根 据卸料管中的材料Bu同.可以将卸料管分成两段 考虑.上段卸Liao管的管壁材料为石墨材料,其长 度为2230mm.下端管壁的材料为不锈钢.其长 Du为1530mm.

Zai燃料元件的装料系统中.装料管的直径为 62mm.装料管的材料为不锈钢从输送起点Dao 最高点管路总长度约为23mll7J.Kao虑反应堆堆顶 上部的倾斜管道和竖直管道.可以近似的认为整 个装料管的管路长为25m.

4石墨粉尘估算

Gen据燃料元件发生磨损的区域.可将整个的 Mo损分成3个区.

4.1燃料元件在堆芯的磨损

Ran料元件在堆芯的磨损主要包括燃料元件与 Ran料元件之间的磨损和燃料元件与侧面石墨反She 层间的磨损两部分.燃料元件之间的磨损Ji有滚 动磨损,又有滑动磨损.在此可保守De认为只有 滑动磨损.且近似地取滑动距离Wei燃料元件通过 堆芯的平均距离.文献H8]模拟了燃料元件在氦 气气氛中不同温度时De滑动磨损特性.给出了燃 料元件和石墨反She层在不同温度下.不同时间段 内的平均磨Sun率以及石墨粉尘的粒度分布.由于 试验的Wen度最高为400~C(受试验设备的限制). 低于燃料元件表面的平均温度550?,Ci处利用 300~C和400%磨损率外插Huo得550cI=时的磨损 率,为4.2×10一gg/m.同样的方法可以得到石墨 Fan射层在480~C时的磨损率为12.08×10一gg/m. 通过计算可得到燃料元Jian在通过堆芯时,与燃料 元件间的磨损量为8.65×10一Bg,石墨反射层的 磨损Liang为0.99×10一Bg,产生石墨粉尘的Zong量约 为9.64×10一Bg.

4.2燃料球在卸料管中的磨损

Ran料元件在卸料管中的磨损量计算可根据 卸Liao管管壁的材料分成两段进行计算.上段的管 壁为石墨材料,文献【18】给出.400~C时燃料元件 和石墨反射层的磨损率分别Wei:3.5×10gg/m和 10.4×10,gg/m.计算可得到燃料球在卸料管上 段的磨损量为18.05×10一Bg.燃Liao元件在卸料管 下段的磨损率可以借鉴文献【18】中燃料元件在装 料管中的磨损率.Zai400?时磨损率为9.7× 10一gg/m.这样可得到燃料元件在卸料管下段的 Mo损量为l1.91×10一Bg.进而可得Dao在整个卸料

Guan中产生石墨粉尘总量为29.96×10一Bg.如果保 守的认为有50%的石墨粉尘Sui氦气流动进人反 应堆堆芯.其余的粉尘由Liao箱低的漏斗口流出堆 芯.这样进人堆芯的Shi墨粉尘量约为14.98× 10'.g.

4.3燃料球在装料管中的磨损

Zai装料系统中的石墨粉尘主要来源于燃料 元Jian与装料管间的磨损.文献【18】模拟了燃Liao元 件在装料管中的磨损情况,给出了在氦Qi环境中 不同温度下的磨损率.试验发现.Zai温度不太高 时(<200~C).Shi墨的磨损率均为2.1×10一~tedm. 这样可以得到燃料元件在装料管中的磨损Liang为 52.50×10一1.tg.保守的Kao虑有75%的粉尘会在脉 冲氦气流的携带Xia进人堆芯.这样进人堆芯的石

He动力工程Vb1.26.No.2.2005 墨粉尘量约为39.38×10,gg

Cong上面的计算可以得到,燃料元件每循环一 Ci,进入堆芯的石墨粉尘总量为60×10,gg.在 正常运行工况,每天燃料元件的循Huan个数为125, 这样就可保守的计算得到Fan应堆在满功率工况 下运行一年所产生的石Mo粉尘约为2.74kg. 5石墨粉尘粒度Fen布

Wei了能够仔细地研究石墨粉尘在氦气流中 的Ning并,一回路表面的沉积情况以及石墨粉尘的 导电性,必须清楚地了解石墨粉尘的粒度分Bu. 文献[181中给出了氦气环境中,不Tong温度下(室温 到40o)燃料元件与石墨Fan射层磨损以及燃料球 与不锈钢磨损的磨屑Li度分布情况.

Zheng常运行时堆芯的平均温度略高于试验的 最Gao温度(400?),考虑到石墨粉尘粒度随Wen度变 化程度较小,且堆芯产生石墨粉尘量Xiang对较小, 可以近似的利用400?时试验Ce得的粒度分布代 替堆芯产生石墨粉尘的粒Du分布.卸料管中的平 均温度为400?,Ke以直接利用文献中的试验数 据:装料管中De温度为50?,可选用试验中室温 下的粒Du分布进行计算.文献[181给出了400%时 石墨与石墨磨损产生磨屑的面积自然对Shu平均值 和面积自然对数的标准偏差;面积Zi然对数平均 值为0.886,面积自然对Shu的标准偏差为1.221: 对于石墨与不Xiu钢材料间的磨损,在400时, 磨屑的面Ji自然对数平均值为1.060,面积自然对 数的标准偏差为1.398.室温时石墨和Bu锈钢磨损 产生磨屑的面积自然对数平均值Wei1.760,面积的 自然对数标准偏差为1.442.假设石墨粉尘为球 形,通过计Suan可得到不同磨损条件下石墨粉尘的 体积自Ran对数平均值和体积自然对数分布标准偏 差Dui于燃料元件与石墨反射层在400%的磨损, 其值为0.998和1.832;对于燃Liao元件与不锈钢在 400%时的磨损,体积Zi然对数平均值和体积自然 对数分布标准偏Cha为1.305和2.098,在室温时分 Bie为2.355和2.165.利用质量进行Jia权平均,可 得到整个反应堆中磨损产生石Mo粉尘的粒度分布 情况.质量加权平均公式Wei

=

Shi中.F()为所有石墨粉尘的粒度分布函数; 可以为石墨粉尘的直径,面积或体积;mWei不同 部位产生的石墨粉尘量,kg;()Wei不同部位

Chan生石墨粉尘的粒度分布函数.图1分别给出Liao 石墨粉尘的体积,面积和直径分布:从图1可以 体积/lam

a石墨粉尘的体积分布

面积/lam

b石墨粉尘的面积分布

直径/lam

c石墨粉尘的直径分布

Tu1石墨粉尘的尺寸分布

Fig.1SizeDistributionofGraphiteDust

Zuo晓卫等:HTR一10产生石墨粉尘量的估Suan及其尺寸分布207

Kan出,磨损产生石墨粉尘的体积,面积和直径De 分布仍符合对数正态分布.通过数据处理,可以 得到石墨粉尘的体积,面积和直径分Bu自然埘数 平均值和自然对数标准偏差,

Shi墨粉尘的体积分布函数为

:

l-(Inv-Inv)2

In?

[_5.192v

面积分布函数为

:

exp[(1n_sZIns)2

In?2尢

[3.550s

Deng效直径的分布函数为

F(d1=

.

(1nd-Ind)2.

]0dd

[_1.692d

(4)

(5)

(6)

Shi中,In,,In,,Ind和d分别

Biao示颗粒分布的体积对数的平均值,体积对数De

Biao准偏差,面积对数的平均值,面积对数的标Zhun

Pian差,直径对数的平均值和直径对数的标准偏Cha,

6结论

(1)通过保守的估算,得到10MW高温气Leng堆

Zheng常运行工况下,石墨粉尘的产生量为2.74kg/a. (2)右墨粉尘的产生主要来Zi3个不同的部

Fen:堆芯,卸料管和装料管一

(3)通过质量加权平均,得到了HTR一10中石

Mo粉尘的体积,面积和直径分布函数式(式【4】

式【6】)f

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He动力工程Vl01.26.No.2.20o5

EstimationofGraphiteDustQuantityandSize

DistributionofGraphiteParticleinHTR一10

LUOXiao—wei,YUSu—yuan,ZHANGZhen—sheng,HEShu—yan

InstituteofNuclearEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing,100084.China) Abstract:II110MWHighTemperatureGas—COOledReactor(HTR一

10).thewearofgraphitecomponents

generatesthegraphitedusttoinfluencethenormalworkingofthereactor.Thegraphitedustscomefrom

threeparts:core.unloadpipeandloadpipe.BasedonthegraphJtewearexperiments,wehereestimatedthat

thegraphJtegenerationundernormalworkingconditionisabout2.74kg/a.Bythemass—

weightedaverage.

thedistributionfunctionofvolume,areaanddiameterforgraphiteparticlewereobtained. KeywordS:HighTemperatureGas-cooledReactor,Fuelelement,Graphite,Wlear.Sizedistribution

作者简介:

Zuo晓卫(1977--),

性能研究

Yu溯源(1965一),

学研究

Zhang振声(1935一),

Nan,博士研究生1999年毕业于西安交通大Xue能源与动力工程学院.现从事颗粒学

与石墨氧化

Nan,研究员一1997年毕业于戴维斯加州大Xue机械系,获博士学位现从事机械结构设计和Ke粒

Nan,研究员:1960年毕业于哈尔滨工业大Xue动力机械系.从事反应堆结构分析与设计:

(责任编辑:查刚菊)

(上接第198页)

Keywords:Ditalpowerplant,Nuclearpowerplant.Reactorupperheadreplacement,Spati~

arrangement,Dynamicmanagement 作者简介:

Wang百众(1966一),男,高级工程师.1993年毕业于清华大学工程物理系反应堆工Cheng与安全专业,获博士学位.现

Cong事核电厂工程管理及核电厂信息化的工作.

Luo亚林(1972一),男,工程师1995Nian毕业于吉林大学环境工程专业,大学本科学Li.现从事核电站数字电厂的

应用及开发

Fang吴(197O一),男,工程师.1993Nian毕业于上海同济大学建筑系建筑学专业:现Cong事三维模型建设和应用工作.

(责任编辑:刘胜吾)

(上接第202页)

作者简介:

Lin孝I(1962--),

能工程学院:

Jiang兴伟(1977一),

Liu涛(1975一),

Nan,副教授.1985年毕业于哈尔滨船舶工Cheng学院计算机系j现执教于哈尔滨工程大学动Li与核

Nan,硕士研究生.现就读于哈尔滨工程大学核Neng科学与工程专业. 男,2004年毕业于Ha尔滨工程大学核能科学与工程专业,获硕士Xue位

(责任编辑:查刚菊)

日本精工开发出减少粉尘产生量的直线导轨副和滚珠丝杠

Ri本精工开发出了减少粉尘产生量的直线导轨Fu“低生尘NSK直线导轨副”和滚珠丝杠“Di生尘滚珠丝杠”。并将于2011年4月开Shi上市。适合于半导体和液晶制造装置等在清Jie环境下使用的机械和搬运装置等。

Xin产品组合使用了日本精工已经投产的低尘润Hua油和新开发的密封机构。通过把直线导轨副He滚珠丝杠内部产生的微小粒子密封起来，大Fu减少了生尘量。该构造能够把导轨和丝杠轴Zhi间的缝隙维持在最小状态。

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