劉玉梅 王洪凱 高原

摘 要：移動(dòng)式氫復(fù)合器是在反應(yīng)堆發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，使氫氣和氧氣復(fù)合成水，有效地控制安全殼內(nèi)的氫氣濃度在安全濃度范圍以內(nèi)，以確保維持安全殼結(jié)構(gòu)和密封性的完整性。文中介紹了移動(dòng)式氫復(fù)合器在福清核電站的應(yīng)用，分析了移動(dòng)式氫復(fù)合器的反應(yīng)原理、在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)的消氫能力和在役檢查，說(shuō)明了福清核電移動(dòng)式氫復(fù)合器具備對(duì)安全殼內(nèi)氫氣去除的能力，可大大降低氫氣爆炸對(duì)安全殼的威脅。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故 移動(dòng)式氫復(fù)合器 氫氣濃度 消氫效率

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0054-02

Abstract：When the reactor occurs design basis accident，a mobile hydrogen recombiner can make the hydrogen and oxygen combined into water，thus control the hydrogen concentration in the containment within safe levels effectively to ensure the sealability and integrity of containment structure.This paper introduces the application of mobile hydrogen recombiner in Fuqing nuclear power plant，and analyze the reaction principle，in-service inspection， and its hydrogen-eliminating efficiency of mobile hydrogen recombiner.The analysis result show that mobile hydrogen recombiner in Fuqing nuclear power plant have the capability of eliminating the Hydrogen within containment，it can greatly reduce the threat of hydrogen explosion on the containment.

Key Words：Design basis accident；Mobile hydrogen recombiner；Hydrogen concentration；Hydrogen-eliminating efficiency

氫氣爆炸是核電廠安全的重要威脅，日本福島第一核電廠就是因?yàn)槿剂习魷囟壬邔?dǎo)致鋯水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣得不到及時(shí)去除，與氧氣反應(yīng)發(fā)生了爆炸，最終導(dǎo)致了放射性物質(zhì)的泄漏。福島事故后，國(guó)內(nèi)外在建和已營(yíng)運(yùn)的核電廠對(duì)安全殼內(nèi)氫氣的控制更加重視。福建福清核電廠1～4號(hào)機(jī)組為M310型壓水堆，安全殼內(nèi)氫氣主要由安全殼消氫系統(tǒng)（EUH）的非能動(dòng)式氫復(fù)合器（PAR）和安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY）配置的移動(dòng)式氫復(fù)合器進(jìn)行控制，分別在發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)進(jìn)行消氫，保證安全殼內(nèi)的氫氣濃度遠(yuǎn)低于氫爆的最小值。

1 移動(dòng)式氫氣復(fù)合器功能及應(yīng)用

1.1 移動(dòng)式氫復(fù)合器功能

核電機(jī)組發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，氫氣的來(lái)源主要有燃料包殼鋯與水發(fā)生反應(yīng)、燃料水池和地坑中的水輻射、堆芯熔融物與混凝土反應(yīng)等。移動(dòng)式氫復(fù)合器在發(fā)生事故后投運(yùn)，對(duì)安全殼內(nèi)產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行去除，確保維持安全殼結(jié)構(gòu)和密封性的完整性，避免放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中。

1.2 移動(dòng)式氫復(fù)合器的工作流程

福建福清核電1-4號(hào)機(jī)組共配置2套中船重工七一八所生產(chǎn)的YQF-120B型移動(dòng)式氫復(fù)合器，在機(jī)組正常功率運(yùn)行條件下，兩臺(tái)設(shè)備分別儲(chǔ)存在燃料廠房±0.00 m處的230和270房間，并用地腳螺栓固定。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備都安放在發(fā)生事故的機(jī)組裝卸料大廳中，均接入系統(tǒng)，一備一用。

移動(dòng)式氫復(fù)合器的工作流程：首先通過(guò)冷凝器進(jìn)行含氫空氣的冷卻，除霧器進(jìn)行氣液分離并除去液滴，在消氫風(fēng)機(jī)的作用下，含氫空氣加壓進(jìn)入催化反應(yīng)器，在XQ-ⅢG消氫催化劑的作用下，氫氣與空氣中的氧氣結(jié)合生成水（反應(yīng)式如式1），消除氫氣，同時(shí)放出大量的反應(yīng)熱，消除氫氣后的高溫空氣經(jīng)過(guò)空氣冷卻器進(jìn)行冷卻，最終冷凝水由冷凝液收集器收集，剩余空氣送回安全殼內(nèi)。

1.3 事故工況下移動(dòng)式氫復(fù)合器的應(yīng)用

機(jī)組在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故產(chǎn)生氫氣后，兩臺(tái)移動(dòng)式氫復(fù)合器均移至指定位置并固定，接入安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，處于備用狀態(tài)。當(dāng)安全殼內(nèi)溫度降到80 ℃以下，絕對(duì)壓力降至約0.15 MPa（飽和蒸汽）以下，在氫濃度達(dá)到4.1%（按體積計(jì)）的臨界燃燒點(diǎn)之前啟動(dòng)移動(dòng)式氫復(fù)合器。

移動(dòng)式氫復(fù)合器消氫能力分析。模擬事故工況，主要考慮安全殼內(nèi)水的輻射分解、鋯水反應(yīng)、噴淋溶液對(duì)安全殼金屬的腐蝕和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣為主要來(lái)源。其中噴淋溶液對(duì)安全殼金屬鋁的腐蝕分兩種情況，假設(shè)一動(dòng)力電纜（即最大的保守假設(shè)）中所含全部鋁均侵蝕產(chǎn)生氫氣；假設(shè)二電纜不受噴淋的侵蝕。模擬在兩種假設(shè)情況下安全殼內(nèi)氫濃度分別在1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時(shí)投運(yùn)一臺(tái)氫復(fù)合器。

投運(yùn)一臺(tái)氫復(fù)合器并持續(xù)運(yùn)行，安全殼內(nèi)氫濃度會(huì)逐漸降低，能把安全殼內(nèi)的氫氣濃度有效地控制在2%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于臨界點(diǎn)4.1%，大大地避免了安全殼內(nèi)氫爆的風(fēng)險(xiǎn)；若不投運(yùn)移動(dòng)式氫復(fù)合器，安全殼內(nèi)的濃度會(huì)持續(xù)增加，保守值也可到達(dá)6%以上，安全殼內(nèi)存在氫爆的風(fēng)險(xiǎn)，可能引發(fā)火災(zāi)，給事故分析及處理帶來(lái)困難。安全殼內(nèi)氫氣濃度在1.5%～3%時(shí)啟動(dòng)移動(dòng)式氫復(fù)合器較為合適，此時(shí)有充足的時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備及操作移動(dòng)式氫復(fù)合器，并且能使安全殼內(nèi)的氫氣濃度遠(yuǎn)離氫爆臨界點(diǎn)。

2 在役檢查

為保證移動(dòng)式氫復(fù)合器可靠高效地運(yùn)行，移動(dòng)式氫復(fù)合器在備用期間需對(duì)其進(jìn)行離線定期試驗(yàn)。根據(jù)《安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督要求》，需每半年進(jìn)行移動(dòng)式氫復(fù)合器消氫風(fēng)機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)換料周期對(duì)移動(dòng)式氫復(fù)合器進(jìn)行消氫效率試驗(yàn)，保證催化劑時(shí)刻保持高效可靠狀態(tài)。

2.1 消氫風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)

消氫風(fēng)機(jī)是移動(dòng)式氫復(fù)合器的動(dòng)力源。每次啟動(dòng)風(fēng)機(jī)需驗(yàn)證風(fēng)機(jī)旋向是否正確，同時(shí)測(cè)量風(fēng)量。啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后至少運(yùn)行1個(gè)小時(shí)，風(fēng)量的檢測(cè)由安裝在氫復(fù)合器進(jìn)口總管的氣體流量計(jì)完成，并在控制柜上顯示，維持在80～119 m3/h范圍內(nèi)。

2.2 消氫效率試驗(yàn)

2.2.1 溫度顯示和報(bào)警

移動(dòng)式氫復(fù)合器催化反應(yīng)器的上、下游均安裝鉑電阻傳感器，分別用以檢測(cè)空氣加熱器溫度T1的變化，及氫氧復(fù)合后的溫度T2。溫度T1控制在110 ℃時(shí)加熱器自動(dòng)啟動(dòng)，130 ℃時(shí)加熱器停止，空氣溫度在110℃～130℃溫度時(shí)，該催化劑對(duì)氫氧復(fù)合的作用最大，能更高效率的去除空氣中的氫氣。溫度T2達(dá)到180 ℃時(shí)，控制箱會(huì)自動(dòng)報(bào)警，說(shuō)明氫氧復(fù)合放出大量的熱，可能在氫復(fù)合器中發(fā)生氫爆，成為潛在的著火點(diǎn)，需要及時(shí)切斷電源，并分析原因。

2.2.2 消氫效率試驗(yàn)

消氫效率試驗(yàn)是驗(yàn)證移動(dòng)式氫復(fù)合器是否可用最重要的試驗(yàn)，只有消氫效率合格，才能保證在移動(dòng)式氫復(fù)合器的可靠性，實(shí)現(xiàn)其功能。啟動(dòng)消氫風(fēng)機(jī)，控制柜上的流量顯示穩(wěn)定后，進(jìn)行通氫試驗(yàn)。通過(guò)控制氫氣減壓閥和調(diào)節(jié)閥控制移動(dòng)式氫復(fù)合器入口的氫氣濃度在1%～3%之間，通氫時(shí)間不得少于20 min。上游（消氫風(fēng)機(jī)的進(jìn)口管上方）和下游（冷凝液收集管上）同時(shí)取樣，進(jìn)行氫氣濃度測(cè)定，并記錄數(shù)據(jù)。每次試驗(yàn)至少取樣3次，計(jì)算消氫效率（見(jiàn)公式2），效率大于95%為合格，如果效率不合格，更換催化劑重新進(jìn)行試驗(yàn)，直至合格為止。

以上試驗(yàn)均是離線進(jìn)行，不需要連接安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每次試驗(yàn)完成后，在移動(dòng)式氫復(fù)合器備用期間將空氣進(jìn)出口密封，設(shè)備內(nèi)充入干燥的氮?dú)猓瑝毫υ?.035 MPa左右，保證設(shè)備內(nèi)維持在干燥的環(huán)境中防止腐蝕生銹；設(shè)冷水系統(tǒng)在試驗(yàn)后應(yīng)排空設(shè)冷水，并封堵設(shè)冷水進(jìn)出口；每批催化劑的存放有效期為3年，到期后應(yīng)該及時(shí)更換新催化劑，如果催化劑的性能滿足要求可以繼續(xù)使用。

福清核電的兩臺(tái)移動(dòng)式氫復(fù)合器的效率試驗(yàn)均實(shí)施過(guò)兩次，消氫效率均大于95%。在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，福清核電移動(dòng)式氫復(fù)合器具備對(duì)安全殼內(nèi)氫氣去除的能力，可以有效控制安全殼內(nèi)的可燃?xì)怏w。

3 結(jié)語(yǔ)

該文分析結(jié)果表明，福清核電的移動(dòng)式氫復(fù)合器滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后消除安全殼內(nèi)氫氣的能力，并時(shí)刻處于備用狀態(tài)。在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，移動(dòng)式氫復(fù)合器的持續(xù)運(yùn)行，能大大降低了氫氣爆炸對(duì)安全殼的威脅。

現(xiàn)有移動(dòng)式氫復(fù)合器的文獻(xiàn)資料比較匱乏，而該文圍繞福清核電廠移動(dòng)式氫復(fù)合器的功能、原理及應(yīng)用做了詳細(xì)介紹，為其他電廠移動(dòng)式氫復(fù)合器的定期試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供有效的資源共享平臺(tái)，有利于后續(xù)工作的開展也便于移動(dòng)式氫復(fù)合器應(yīng)用的持續(xù)改進(jìn)和提高。

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