(山東核電有限公司,山東 煙臺 265116)

1 氫氣系統(tǒng)簡介

氫氣是一種易燃易爆的氣體，它的爆炸極限是4.1%～75%。氫氣系統(tǒng)調(diào)試是一項(xiàng)高風(fēng)險作業(yè)，為了安全順利的完成系統(tǒng)調(diào)試工作，就要求從設(shè)備安裝、系統(tǒng)聯(lián)檢和后期調(diào)試各個階段嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行。

AP1000核電氫氣系統(tǒng)由美國西屋公司設(shè)計(jì)，分為高壓氫氣系統(tǒng)、低壓氫氣系統(tǒng)和氫氣升壓系統(tǒng)。這三大系統(tǒng)共同組成了AP1000核電氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，下面對每個系統(tǒng)功能和設(shè)備進(jìn)行簡介。

1.1 高壓氫氣系統(tǒng)

高壓氫氣系統(tǒng)主要的設(shè)備有：高壓氫氣鋼瓶、氫氣鋼瓶自動切換裝置、其他相關(guān)的閥門、管道和儀表等。主要功能：將高壓氫氣鋼瓶內(nèi)的高壓(41.4 MPa)氫氣通過減壓裝置減壓至19.3～20.68 MPa，通過CVS注氫模塊向RCS系統(tǒng)提供氫氣，保證一回路在正常運(yùn)行期間的還原性環(huán)境要求。

1.2 低壓氫氣系統(tǒng)

低壓氫氣系統(tǒng)主要設(shè)備：氫氣拖車、氫氣減壓閥、其他相關(guān)的閥門、管道和儀表等。主要功能：將氫氣拖車的高壓(20 MPa)氫氣減壓至1.23～1.31 MPa，輸送給DWST除氧單元、CST除氧單元和發(fā)電機(jī)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，利用DWS內(nèi)的催化劑將含氧水轉(zhuǎn)化成除氧水，向一回路和二回路提供合格的除氧水；同時向發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供高純氫氣，以滿足正常運(yùn)行期間發(fā)電機(jī)冷卻的需求。

1.3 氫氣升壓系統(tǒng)

氫氣升壓站系統(tǒng)主要設(shè)備：空氣壓縮機(jī)、空氣干燥機(jī)、氫氣升壓組件、相關(guān)的閥門、管道和儀表等。主要功能：利用氣動升壓泵將低壓氫氣(1～20 MPa)氫氣升壓至41.4 MPa并充裝至高壓氫氣鋼瓶內(nèi)，充裝好的高壓氫氣鋼瓶運(yùn)輸至高壓氫氣站使用。

2 系統(tǒng)移交檢查重點(diǎn)分析

建安單位完成設(shè)備安裝和系統(tǒng)打壓試驗(yàn)后，在SPMO的組織下，調(diào)試人員對系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合檢查，檢查過程中發(fā)現(xiàn)了不少設(shè)計(jì)、安裝方面的問題，現(xiàn)將系統(tǒng)聯(lián)合檢查過程中遇到的典型問題及后續(xù)處理方法進(jìn)行簡要介紹。

2.1 系統(tǒng)接地檢查

可燃?xì)怏w在金屬管道內(nèi)輸送過程中，氣體分析會與管道產(chǎn)生摩擦，在管道表面產(chǎn)生靜電，金屬管道表面的電壓最高可達(dá)幾十千伏，如果靜電沒有及時導(dǎo)出，最終可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故的發(fā)生。根據(jù)國標(biāo)GB 50177《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求，氫氣站內(nèi)的設(shè)備、管道、構(gòu)架、電纜金屬外皮、鋼屋架和突出屋頂?shù)姆趴展?、風(fēng)管等應(yīng)接到防雷電感應(yīng)接地裝置上。管道法蘭和閥門等連接處，應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接。

在系統(tǒng)聯(lián)檢時，部分設(shè)備和管道的接地存在不滿足規(guī)范的現(xiàn)象：1)管道沒有進(jìn)行接地；2)接地線直徑不滿足規(guī)范要求；3)接地線沒有固定措施等，這些不規(guī)范施工可能會導(dǎo)致系統(tǒng)接地失效。

建安單位在SPMO的監(jiān)督下對照規(guī)范要求逐一進(jìn)行整改，氫氣管道在安裝過程中，施工要嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行，監(jiān)理人員需要提高自身知識水平，掌握相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建安人員的施工行為。

2.2 設(shè)備安裝檢查要點(diǎn)

系統(tǒng)聯(lián)檢過程中，要考慮如下幾個方面：1)系統(tǒng)運(yùn)行階段的可操作性；2)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的可行性；3)設(shè)備與周圍環(huán)境的適用性。在低壓氫氣系統(tǒng)聯(lián)檢是發(fā)現(xiàn)，低壓氫氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)和過流逆止閥儀表盤都朝向墻面，系統(tǒng)投運(yùn)后人員不能準(zhǔn)確方便地讀取數(shù)據(jù)；氫氣升壓模塊安裝在一個非常狹小的柜體內(nèi)，沒有足夠的空間進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)；氫氣排空管的疏水支管放置在室內(nèi)，導(dǎo)致管道內(nèi)積水會排放到室內(nèi)。流量計(jì)最終通過調(diào)整的內(nèi)部轉(zhuǎn)子，過流逆止閥通過調(diào)整引壓管的方式解決了儀表讀數(shù)困難的問題，并不是所有的安裝問題都可以通過后期變更加以改正，氫氣升壓模塊就是一個例子，由于其集成化程度很高，如果要進(jìn)行修改，就需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，這將耗費(fèi)大量的人力和物力，目前還是維持原樣。

設(shè)備安裝檢查發(fā)現(xiàn)的問題，其發(fā)生的原因是復(fù)雜的。既有在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，沒有考慮到系統(tǒng)管道在現(xiàn)場的布置情況；又有設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入時，對產(chǎn)品的安裝細(xì)節(jié)考慮不周；更有建安人員在安裝完設(shè)備后，沒有考慮到后續(xù)設(shè)備操作的可行性。在施工完成后，現(xiàn)場部分設(shè)備、閥門等存在不可達(dá)和操作困難的問題。為了盡量避免類似問題的出現(xiàn)：1)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，不僅要考慮符合具體設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，還要認(rèn)真研究用戶實(shí)際使用需求；2)制造廠商要及時跟設(shè)計(jì)單位溝通，確保產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求；3)施工人員要有質(zhì)疑的態(tài)度，針對一些不合理的施工方案向管理人員反饋，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備合理可靠的安裝。見圖1。

圖1 現(xiàn)場設(shè)備安裝圖Fig.1 On-site equipment installation

2.3 系統(tǒng)打壓和吹掃

按照AP1000總承包合同的要求，建安單位負(fù)責(zé)管道、設(shè)備安裝和系統(tǒng)打壓工作，系統(tǒng)吹掃和沖洗工作由調(diào)試人員執(zhí)行。在這種工作模式下，建安單位在施工時忽視了管道清潔度和異物的控制，在進(jìn)行管道切割和打磨作業(yè)時，一些金屬碎屑和固體顆粒就有可能遺留在管道內(nèi)，后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)打壓試驗(yàn)時，需要經(jīng)常對閥門進(jìn)行開關(guān)操作，這些位于閥門密封面處的固體顆粒與閥芯發(fā)生摩擦，導(dǎo)致密封面發(fā)生損壞，閥門會出現(xiàn)漏氣或漏水現(xiàn)象；有的固體顆粒在泄壓階段被帶至一些死角的位置，形成系統(tǒng)內(nèi)的異物，這些異物可能會損傷水系統(tǒng)泵的葉輪和儀表等，氫氣系統(tǒng)的固體顆?？赡軙c管道碰撞產(chǎn)生電火花。

建議后續(xù)項(xiàng)目調(diào)整施工順序，建安單位完成管道和設(shè)備安裝后，建安單位負(fù)責(zé)系統(tǒng)管道的吹掃和沖洗工作，業(yè)主人員現(xiàn)場對沖洗和吹掃的清潔度進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后再執(zhí)行系統(tǒng)打壓工作；管道在安裝前要用壓縮空氣進(jìn)行徹底吹掃，清除管道內(nèi)的積灰和固體顆粒；盡量避免對已安裝的豎直管道進(jìn)行打磨，在車間完成切割后，再運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行焊接。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷

西屋公司在進(jìn)行氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，沒有考慮到氮?dú)庵脫Q操作，按照目前的設(shè)計(jì)進(jìn)行氮?dú)獯祾吆?，在?zhí)行氫氣投運(yùn)操作時，將有部分空氣被夾帶到系統(tǒng)內(nèi)；且當(dāng)發(fā)生需要緊急停運(yùn)氫氣的狀況時，無法快速完成系統(tǒng)置換，不符合系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求；高壓氫氣鋼瓶的接頭型式是按照美標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，螺紋尺寸和國內(nèi)鋼瓶不相符；而且低壓和高壓氫氣都沒設(shè)計(jì)氫氣取樣口和在線氫氣純度儀。

2.4.1 氮?dú)獯祾?/p>

低壓氫氣和高壓氫氣系統(tǒng)都沒有設(shè)計(jì)專門的氮?dú)庵脫Q管道及其接頭，氫氣系統(tǒng)進(jìn)氫氣前，必須對管內(nèi)的空氣用惰性氣體進(jìn)行置換，空氣含量滿足要求后才可以通氫氣,見圖2。

圖2 低壓氫氣供氣管線改造圖Fig.2 The modification of the low pressure hydrogen system

針對低壓氫氣系統(tǒng)，調(diào)試設(shè)計(jì)了一套供臨時供氣裝置。每條供氫管道處都安裝一個三通及配套的隔離閥，氮?dú)庵脫Q管道通過金屬軟管與氮?dú)怃撈窟B接。這就保證了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)狀況需要氮?dú)庵脫Q時，可以隨時投運(yùn)氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)。

對于高壓氫氣系統(tǒng)而言，目前國內(nèi)的氮?dú)怃撈繜o法直接與高壓氫氣管道連接。而制作轉(zhuǎn)換接頭存在高壓氣體泄漏的安全風(fēng)險。

針對這種狀況，調(diào)試人員想到了利用氫氣升壓系統(tǒng)將低壓氮?dú)夤嘌b到高壓氫氣鋼瓶內(nèi)的方式，然后將充有高壓氮?dú)獾臍錃怃撈颗c系統(tǒng)連接，進(jìn)而完成氮?dú)庵脫Q。在1號機(jī)組熱態(tài)功能試驗(yàn)期間，通過這種臨時措施，安全順利地完成了向RCS系統(tǒng)充注20 MPa高壓氫氣的工作任務(wù)。目前高壓氫氣鋼瓶都是美國生產(chǎn)的，國內(nèi)廠家還不具備該設(shè)備的生產(chǎn)能力。AP1000在進(jìn)行國產(chǎn)化過程中，國內(nèi)的設(shè)備廠家也要提升自身研發(fā)水平，早日具備生產(chǎn)相關(guān)配套設(shè)施的能力。

2.4.2 氫氣取樣和在線純度監(jiān)測

低壓氫氣和高壓氫氣系統(tǒng)都沒設(shè)計(jì)氣體取樣口和在線純度儀，在執(zhí)行氫氣系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)時，無法分析確認(rèn)系統(tǒng)氮?dú)夂蜌錃庵脫Q狀況。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將高壓氫氣系統(tǒng)充壓至設(shè)計(jì)壓力，然后排放至微正壓，連續(xù)進(jìn)行四次就可達(dá)到置換要求。低壓氫氣系統(tǒng)通過連續(xù)向DWS除氧模塊供氮?dú)?，通過其排空管道排至室外，連續(xù)進(jìn)行30 min的置換操作后，低壓氫氣管線內(nèi)的氧氣含量即可滿足規(guī)范要求。

3 調(diào)試試驗(yàn)執(zhí)行

AP1000氫氣系統(tǒng)需要進(jìn)行的試驗(yàn)主要有：閥門單體試驗(yàn)、系統(tǒng)泄漏率試驗(yàn)、電氣設(shè)備上電試驗(yàn)、箱體檢查和系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)等。

3.1 閥門單體試驗(yàn)

閥門單體試驗(yàn)期間，經(jīng)常遇到如下問題：

(1)閥門操作卡澀或內(nèi)漏?？赡艽嬖诘脑颍洪y門密封面處存在異物；管道在進(jìn)行對接焊或法蘭安裝時，兩側(cè)管道沒有對中，閥門進(jìn)行開關(guān)操作時，閥芯與管道或法蘭墊片產(chǎn)生摩擦。

(2)雖然安全閥出廠前完成了起跳壓力試驗(yàn)，但在調(diào)試過程中，對安全閥進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，存在起跳壓力或密封壓力不滿足要求的狀況。

(3)高壓氫氣切換裝置單體試驗(yàn)。高壓氫氣系統(tǒng)共有四個高壓氫氣鋼瓶，當(dāng)一組高壓氫氣鋼瓶壓力降低至報(bào)警壓力后，系統(tǒng)將自動切換至備用氣瓶進(jìn)行供氣。熱態(tài)功能試驗(yàn)前，為測試閥門性能，在國內(nèi)供貨商處提前進(jìn)行相關(guān)測試，保證了熱試期間供氣的可靠性。

閥門性能不滿足要求的原因是復(fù)雜的，為避免再次發(fā)生問題，廠家應(yīng)在閥門出廠前嚴(yán)格按照要求執(zhí)行出廠試驗(yàn)，監(jiān)造人員必須設(shè)點(diǎn)見證。在儲運(yùn)時，嚴(yán)格按照廠家要求進(jìn)行閥門的儲運(yùn)工作。施工期，QC人員確認(rèn)管道和閥門滿足安裝標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行簽字。

3.2 系統(tǒng)泄漏率試驗(yàn)

根據(jù)國標(biāo)GB 50177《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，氫氣管道在通氫氣之前都需要進(jìn)行泄漏量測量試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)時間是24 h，驗(yàn)收準(zhǔn)則為平均每小時泄漏率小于0.5%/h。

AP1000氫氣系統(tǒng)泄放管都連至同一條穿過房頂?shù)哪腹埽?jīng)過阻火器后排放至室外，每條單獨(dú)泄放管道的隔離閥都屬于泄漏率試驗(yàn)的邊界閥，在房頂進(jìn)行泄漏率檢查存在較大安全風(fēng)險，而在地面又無法確認(rèn)具體哪個閥門存在泄漏。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際狀況，調(diào)試人員在房頂阻火器處安裝了一塊盲板，通過這種方法，泄漏的氣體將通過泄放母管的疏水管線排出。對管道進(jìn)行逐段打壓查漏，在疏水管線出氣口涂抹檢漏液，逐個確認(rèn)存在泄漏的閥門。完成閥門修復(fù)工作后，最終氫氣管線泄漏率試驗(yàn)圓滿成功。

3.3 箱體檢查

升壓站壓縮空氣儲罐沒有設(shè)計(jì)人孔，人員無法直接進(jìn)入其內(nèi)部進(jìn)行罐體檢查，需要借助內(nèi)窺鏡進(jìn)對內(nèi)部檢查。檢查發(fā)現(xiàn)儲罐存在如下問題。

(1)內(nèi)表面存在銹蝕。罐體出廠前水壓試驗(yàn)后，如果沒有用氣體將罐體吹干；或者罐體存儲期間處于潮濕環(huán)境；設(shè)備安裝后，環(huán)境中的濕空氣進(jìn)入箱體，造成內(nèi)表面腐蝕。

(2)箱體外部油漆破損。施工過程中，對箱體成品保護(hù)不到位，將設(shè)備表面的漆層破壞。

氣體儲罐在出廠前應(yīng)充惰性氣體保護(hù)，在儲存和安裝完成后，定期檢查罐體壓力，壓力不足時，應(yīng)及時進(jìn)行充氣，確保罐體一直處于正壓。如果罐體油漆出現(xiàn)破損時，要及時進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)腐蝕機(jī)理，罐體其他部位漆層完好時，漆層破損的位置極易形成電化學(xué)腐蝕，罐體壽命將大大折損。

3.4 系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)

在執(zhí)行氫氣系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備存在如下問題。

(1)下游用戶管道沒有執(zhí)行泄漏率試驗(yàn)，氫氣系統(tǒng)投運(yùn)后，部分隔離閥出現(xiàn)漏氫現(xiàn)象，被迫停運(yùn)系統(tǒng)處理存在泄漏的閥門。在核電廠正常運(yùn)行期間，一回路要一直保持還原性的水化學(xué)環(huán)境，要保持高壓氫氣連續(xù)向一回路供氣，如果停運(yùn)高壓氫氣，電廠將被迫降功率運(yùn)行或停堆，這將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

氫氣相關(guān)管道進(jìn)氣之前，都要進(jìn)行泄漏檢查，只有滿足國標(biāo)要求后，才可進(jìn)行系統(tǒng)充氫。一旦出現(xiàn)漏氫氣，首先要切斷氣源，然后再進(jìn)行惰性氣體置換，再進(jìn)行處理。

(2)氫氣升壓站是一套自動化的氫氣灌裝設(shè)施，其對于各單體設(shè)備的可靠性要求很高，在進(jìn)行升壓站調(diào)試過程中，出現(xiàn)過如下問題。

氣動閥閥位反饋不準(zhǔn)。每個氣動閥底部都連有一個閥位指示裝置——接近開關(guān)。調(diào)試過程中，多次發(fā)生接近開關(guān)指示與現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)不符的現(xiàn)象，需要手動調(diào)節(jié)接近開關(guān)與氣動閥間隙進(jìn)行處理。系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)時，應(yīng)定期對接近開關(guān)進(jìn)行檢查，確保其動作可靠。

氫氣升壓組件運(yùn)行時，模塊內(nèi)的氫氣探測器出現(xiàn)氫氣濃度高報(bào)警，升壓組件的自動保護(hù)系統(tǒng)動作，系統(tǒng)內(nèi)的高壓氫氣通過泄放管路排放至室外，經(jīng)過排查，確認(rèn)排放管道的一個快速接頭處存在安裝缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)排氣時漏氫。

氫氣分子比氮?dú)夥肿有『芏?，氮?dú)庑孤┞试囼?yàn)檢查合格后，系統(tǒng)正式充氫氣時，要同時檢查各機(jī)械連接處是否存在泄漏。

4 總 結(jié)

核電廠氫氣系統(tǒng)雖然屬于輔助系統(tǒng)，但對于電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。發(fā)電機(jī)、除鹽水和一回路加氫都需要連續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)氫氣，如果氫氣質(zhì)量不滿足要求，將會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能將會下降，最終出現(xiàn)定子繞組相間短路；除鹽水除氧效果不滿足要求，DWS出水氧含量超標(biāo)，增加下游系統(tǒng)設(shè)備腐蝕風(fēng)險；向一回路注入的氫氣不滿足要求，會導(dǎo)致一回路惰性氣體含量升高，需要定期進(jìn)行排氣操作。

氫氣系統(tǒng)調(diào)試需要重點(diǎn)關(guān)注防火防爆措施，調(diào)試前徹底梳理并消除危險源才能保證調(diào)試工作安全順利進(jìn)行。