(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)試是一項高風險作業(yè)，為了安全順利的完成系統(tǒng)調(diào)試工作，就要求從設備安裝、系統(tǒng)聯(lián)檢和后期調(diào)試各個階段嚴格按照規(guī)范的要求進行。

AP1000核電氫氣系統(tǒng)由美國西屋公司設計，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核電氫氣供應系統(tǒng)，下面對每個系統(tǒng)功能和設備進行簡介。

1.1 高壓氫氣系統(tǒng)

高壓氫氣系統(tǒng)主要的設備有：高壓氫氣鋼瓶、氫氣鋼瓶自動切換裝置、其他相關的閥門、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)主要設備：氫氣拖車、氫氣減壓閥、其他相關的閥門、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)電機氫氣供應系統(tǒng)，利用DWS內(nèi)的催化劑將含氧水轉化成除氧水，向一回路和二回路提供合格的除氧水；同時向發(fā)電機系統(tǒng)提供高純氫氣，以滿足正常運行期間發(fā)電機冷卻的需求。

1.3 氫氣升壓系統(tǒng)

氫氣升壓站系統(tǒng)主要設備：空氣壓縮機、空氣干燥機、氫氣升壓組件、相關的閥門、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輸至高壓氫氣站使用。

2 系統(tǒng)移交檢查重點分析

建安單位完成設備安裝和系統(tǒng)打壓試驗后，在SPMO的組織下，調(diào)試人員對系統(tǒng)進行了聯(lián)合檢查，檢查過程中發(fā)現(xiàn)了不少設計、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)處理方法進行簡要介紹。

2.1 系統(tǒng)接地檢查

可燃氣體在金屬管道內(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幾十千伏，如果靜電沒有及時導出，最終可能導致火災或爆炸事故的發(fā)生。根據(jù)國標GB 50177《氫氣站設計規(guī)范》[1]的要求，氫氣站內(nèi)的設備、管道、構架、電纜金屬外皮、鋼屋架和突出屋頂?shù)姆趴展?、風管等應接到防雷電感應接地裝置上。管道法蘭和閥門等連接處，應采用金屬導線跨接。

在系統(tǒng)聯(lián)檢時，部分設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)范要求逐一進行整改，氫氣管道在安裝過程中，施工要嚴格按照規(guī)范的要求進行，監(jiān)理人員需要提高自身知識水平，掌握相關標準規(guī)范建安人員的施工行為。

2.2 設備安裝檢查要點

系統(tǒng)聯(lián)檢過程中，要考慮如下幾個方面：1)系統(tǒng)運行階段的可操作性；2)設備維護保養(yǎng)的可行性；3)設備與周圍環(huán)境的適用性。在低壓氫氣系統(tǒng)聯(lián)檢是發(fā)現(xiàn)，低壓氫氣轉子流量計和過流逆止閥儀表盤都朝向墻面，系統(tǒng)投運后人員不能準確方便地讀取數(shù)據(jù)；氫氣升壓模塊安裝在一個非常狹小的柜體內(nèi)，沒有足夠的空間進行設備的維護保養(yǎng)；氫氣排空管的疏水支管放置在室內(nèi)，導致管道內(nèi)積水會排放到室內(nèi)。流量計最終通過調(diào)整的內(nèi)部轉子，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，如果要進行修改，就需要重新進行設計制造，這將耗費大量的人力和物力，目前還是維持原樣。

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

圖1 現(xiàn)場設備安裝圖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，建安單位負責管道、設備安裝和系統(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)進行系統(tǒng)打壓試驗時，需要經(jīng)常對閥門進行開關操作，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)項目調(diào)整施工順序，建安單位完成管道和設備安裝后，建安單位負責系統(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行驗收，驗收合格后再執(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行打磨，在車間完成切割后，再運至現(xiàn)場進行焊接。

2.4 系統(tǒng)設計缺陷

西屋公司在進行氫氣系統(tǒng)設計時，沒有考慮到氮氣置換操作，按照目前的設計進行氮氣吹掃后，在執(zhí)行氫氣投運操作時，將有部分空氣被夾帶到系統(tǒng)內(nèi)；且當發(fā)生需要緊急停運氫氣的狀況時，無法快速完成系統(tǒng)置換，不符合系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求；高壓氫氣鋼瓶的接頭型式是按照美標進行設計的，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計氫氣取樣口和在線氫氣純度儀。

2.4.1 氮氣吹掃

低壓氫氣和高壓氫氣系統(tǒng)都沒有設計專門的氮氣置換管道及其接頭，氫氣系統(tǒng)進氫氣前，必須對管內(nèi)的空氣用惰性氣體進行置換，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)試設計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，氮氣置換管道通過金屬軟管與氮氣鋼瓶連接。這就保證了當系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)狀況需要氮氣置換時，可以隨時投運氮氣置換系統(tǒng)。

對于高壓氫氣系統(tǒng)而言，目前國內(nèi)的氮氣鋼瓶無法直接與高壓氫氣管道連接。而制作轉換接頭存在高壓氣體泄漏的安全風險。

針對這種狀況，調(diào)試人員想到了利用氫氣升壓系統(tǒng)將低壓氮氣灌裝到高壓氫氣鋼瓶內(nèi)的方式，然后將充有高壓氮氣的氫氣鋼瓶與系統(tǒng)連接，進而完成氮氣置換。在1號機組熱態(tài)功能試驗期間，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。目前高壓氫氣鋼瓶都是美國生產(chǎn)的，國內(nèi)廠家還不具備該設備的生產(chǎn)能力。AP1000在進行國產(chǎn)化過程中，國內(nèi)的設備廠家也要提升自身研發(fā)水平，早日具備生產(chǎn)相關配套設施的能力。

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)都沒設計氣體取樣口和在線純度儀，在執(zhí)行氫氣系統(tǒng)預運行試驗時，無法分析確認系統(tǒng)氮氣和氫氣置換狀況。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，將高壓氫氣系統(tǒng)充壓至設計壓力，然后排放至微正壓，連續(xù)進行四次就可達到置換要求。低壓氫氣系統(tǒng)通過連續(xù)向DWS除氧模塊供氮氣，通過其排空管道排至室外，連續(xù)進行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)試試驗執(zhí)行

AP1000氫氣系統(tǒng)需要進行的試驗主要有：閥門單體試驗、系統(tǒng)泄漏率試驗、電氣設備上電試驗、箱體檢查和系統(tǒng)預運行試驗等。

3.1 閥門單體試驗

閥門單體試驗期間，經(jīng)常遇到如下問題：

(1)閥門操作卡澀或內(nèi)漏。可能存在的原因：閥門密封面處存在異物；管道在進行對接焊或法蘭安裝時，兩側管道沒有對中，閥門進行開關操作時，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，但在調(diào)試過程中，對安全閥進行泄漏率試驗時發(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。高壓氫氣系統(tǒng)共有四個高壓氫氣鋼瓶，當一組高壓氫氣鋼瓶壓力降低至報警壓力后，系統(tǒng)將自動切換至備用氣瓶進行供氣。熱態(tài)功能試驗前，為測試閥門性能，在國內(nèi)供貨商處提前進行相關測試，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雜的，為避免再次發(fā)生問題，廠家應在閥門出廠前嚴格按照要求執(zhí)行出廠試驗，監(jiān)造人員必須設點見證。在儲運時，嚴格按照廠家要求進行閥門的儲運工作。施工期，QC人員確認管道和閥門滿足安裝標準后再進行簽字。

3.2 系統(tǒng)泄漏率試驗

根據(jù)國標GB 50177《氫氣站設計規(guī)范》的要求，氫氣管道在通氫氣之前都需要進行泄漏量測量試驗，試驗持續(xù)時間是24 h，驗收準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?，?jīng)過阻火器后排放至室外，每條單獨泄放管道的隔離閥都屬于泄漏率試驗的邊界閥，在房頂進行泄漏率檢查存在較大安全風險，而在地面又無法確認具體哪個閥門存在泄漏。

根據(jù)現(xiàn)場實際狀況，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。對管道進行逐段打壓查漏，在疏水管線出氣口涂抹檢漏液，逐個確認存在泄漏的閥門。完成閥門修復工作后，最終氫氣管線泄漏率試驗圓滿成功。

3.3 箱體檢查

升壓站壓縮空氣儲罐沒有設計人孔，人員無法直接進入其內(nèi)部進行罐體檢查，需要借助內(nèi)窺鏡進對內(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；設備安裝后，環(huán)境中的濕空氣進入箱體，造成內(nèi)表面腐蝕。

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

氣體儲罐在出廠前應充惰性氣體保護，在儲存和安裝完成后，定期檢查罐體壓力，壓力不足時，應及時進行充氣，確保罐體一直處于正壓。如果罐體油漆出現(xiàn)破損時，要及時進行修復。根據(jù)腐蝕機理，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腐蝕，罐體壽命將大大折損。

3.4 系統(tǒng)預運行試驗

在執(zhí)行氫氣系統(tǒng)預運行試驗時，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設備存在如下問題。

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

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

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

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

氫氣升壓組件運行時，模塊內(nèi)的氫氣探測器出現(xiàn)氫氣濃度高報警，升壓組件的自動保護系統(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，確認排放管道的一個快速接頭處存在安裝缺陷，導致系統(tǒng)排氣時漏氫。

氫氣分子比氮氣分子小很多，氮氣泄漏率試驗檢查合格后，系統(tǒng)正式充氫氣時，要同時檢查各機械連接處是否存在泄漏。

4 總 結

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)定運行至關重要。發(fā)電機、除鹽水和一回路加氫都需要連續(xù)穩(wěn)定地供應氫氣，如果氫氣質量不滿足要求，將會導致發(fā)電機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，增加下游系統(tǒng)設備腐蝕風險；向一回路注入的氫氣不滿足要求，會導致一回路惰性氣體含量升高，需要定期進行排氣操作。

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