魯陳林 黃照 焦胡楊

中國核電工程有限公司 北京 100840

引言

目前我國核電廠的氮氣供應(yīng)主要來自于外購液氮儲存在液氮罐中，當(dāng)要使用氮氣時，液氮經(jīng)汽化器汽化減壓后送到用戶。雖然儲存液氮汽化能夠解決核電廠氮氣需求的問題，但是卻存在以下幾個問題，一是需要單獨建立子項，占用大量廠區(qū)面積；二是需要外購液氮進(jìn)行儲存，由于液氮溫度極低，在向液氮儲罐充灌過程中極易導(dǎo)致操作人員凍傷，帶來安全隱患。三是配套建設(shè)的液氮氣化設(shè)備使用率不高，并且需要外購液氮，靈活性及經(jīng)濟(jì)性不高。隨著核電廠越來越多的參與電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻，目前核電廠的一些運行矛盾已逐漸暴露：一是核電廠不能滿功率運行的情況下，怎樣合理的利用核電廠的現(xiàn)有設(shè)備提高利用率，降低設(shè)備的折舊成本；二是利用核電廠自身設(shè)備的特點進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)一機多用的目的；三是降低核電廠的建造成本和運營成本。目前的外購液氮進(jìn)行儲存汽化供氮的方式已不能滿足核電廠調(diào)峰調(diào)頻下核電廠一機多用，使用靈活安全可靠的要求，因此尋找新的供氮方式勢在必行。為解決這一突出問題，本文以某鈉冷快堆為例，結(jié)合核電廠空壓機的使用負(fù)荷情況及制取氮氣的發(fā)展趨勢，利用核電廠空壓機的閑置產(chǎn)能制備氮氣進(jìn)行研究，研究表明利用空壓機閑置產(chǎn)能制備氮氣是一種使用靈活、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好的氮氣制取方式，提高空壓機的利用率，可有效降低核電廠的建造及運行成本。

1 變壓吸附制氮原理

變壓吸附（PSA）制氮是以空氣作為原料，在吸附塔中裝上吸附劑碳分子篩，利用碳分子篩對空氣中的氮氣、氧氣及其他氣體的不同吸附性來篩選氣體進(jìn)行收集，進(jìn)而得到純度為98.0000%~99.9995%的氮氣[1]。碳分子篩作為吸附劑，對氧氣、氮氣等氣體的吸附性不同，通過增壓可提高碳分子篩對氧氣的吸附作用，通過降壓可降低對氧氣的吸附作用，進(jìn)而對氮氣和氧氣進(jìn)行分離，其原理圖如圖1所示。

圖1 PSA制氮碳分子篩分離原理圖

通過對吸附壓力進(jìn)行控制，進(jìn)而從空氣中分離出氮氣，氮氣的純度與氮氣產(chǎn)量成反比關(guān)系，氮氣的產(chǎn)量越大，純度越低[2]。由于變壓吸附（PSA）制氮穩(wěn)定性好，不需單獨建立子項占用大量廠區(qū)用地，不需要外購液氮，節(jié)省大量液氮采購成本及后期液氮的交通運輸成本。不考慮液氮儲存時的蒸發(fā)因素，制氮設(shè)備無須專人值守，日常維護(hù)檢修方便，降低了人力成本，能夠連續(xù)不間斷穩(wěn)定運行，產(chǎn)量調(diào)節(jié)靈活，使用方便，因此可在核電廠進(jìn)行應(yīng)用。

2 空壓機閑置產(chǎn)能制備氮氣工藝流程

利用空壓機閑置產(chǎn)能制備氮氣的工藝流程如圖2所示?？諌簷C的配置：四臺無油、水冷、箱式螺桿式空氣壓縮機組，排氣量≥35Nm3/min，進(jìn)氣壓力1005.3~1022.3hPa；排氣壓力0.9MPa，排氣溫度≤42℃。冷干機的處理氣量與空壓機排氣相匹配，空壓機排氣量可調(diào)節(jié)[3]。由于空壓機的負(fù)荷根據(jù)核電廠的功率情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可監(jiān)測空壓機的負(fù)荷因子判斷空壓機的運行狀況，對于核電廠未滿功率運行的情況下，部分壓縮空氣輸送給其他用戶，制氮設(shè)備所需壓縮空氣通過空壓機出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入冷干機，再通過過濾器除去空氣中的水分、油、顆粒等雜質(zhì)，進(jìn)而把干凈的壓縮空氣送到吸附塔中進(jìn)行吸附。通過調(diào)節(jié)吸附塔中空氣的壓力，運用碳分子篩對氧分子進(jìn)行吸附，沒有被吸附的氮氣則通過另一側(cè)進(jìn)入氮氣儲罐中。當(dāng)一側(cè)的吸附塔吸附完成后，為使兩側(cè)的吸附壓力維持平衡，則需要兩臺吸附塔的上下均壓閥完成均壓，使壓縮空氣進(jìn)入另外一個吸附塔進(jìn)行吸附，同時吸附氧氣并把未被吸附的氮氣送到氮氣儲存罐中，并在此過程中之前的吸附塔需要進(jìn)行降壓進(jìn)行解吸，如此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行氮氣的收集并儲存。氮氣收集后，應(yīng)用在線氮氣分析儀進(jìn)行純度分析，當(dāng)純度達(dá)不到使用要求時需排除制備的氮氣，直到制備的氮氣達(dá)到所要求的氮氣使用要求時分別在低壓氮氣儲罐和高壓氮氣儲罐中進(jìn)行儲存和使用，以滿足用戶的使用要求。

圖2 空壓機閑置產(chǎn)能制備氮氣的工藝流程

在某鈉冷快堆的氮氣用戶中，氮氣系統(tǒng)的主要功能是抑制鈉火，作為滅火劑噴灑的驅(qū)動力；停堆期間，對蒸汽發(fā)生器充入氮氣保養(yǎng)，鈉水事故期間，對蒸汽發(fā)生器充入氮氣保護(hù)；維持某些設(shè)備或房間的惰性氣體，吹掃氮氣監(jiān)測支路，降低放射性本底水平等多種功能，氮氣系統(tǒng)對核電廠的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，因此氮氣的制備與儲存在整個核電廠的壽期內(nèi)顯得尤為重要。各個氮氣用戶的情況如表1所示：

表1 氮氣用戶使用量要求

通過各個用戶的用氣需求及用氣壓力分析發(fā)現(xiàn)，空壓機閑置產(chǎn)能制備的氮氣在用氣品質(zhì)、壓力及用量上都滿足各個用戶的使用要求，并且PSA制備氮氣根據(jù)核電廠的負(fù)荷情況及用戶需求情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了氮氣使用的靈活性并提高了空壓機的利用率，極大的降低的外購液氮的成本，有效地提高了核電廠的運行經(jīng)濟(jì)性。

3 控制邏輯

利用空壓機的閑置產(chǎn)能制備氮氣的控制邏輯如圖3所示，通過調(diào)節(jié)閥、控制閥及增減壓裝置等的邏輯判斷，能夠得到用戶所需求的用氣品質(zhì)及氮氣用量，能夠滿足核電廠各個階段的使用要求，通過空壓機排氣量的合理分配，實現(xiàn)的空壓機的合理高效利用，如圖3所示（見文末）。

圖3 控制邏輯圖

4 結(jié)束語

利用核電站中空壓機的閑置產(chǎn)能并應(yīng)用PSA制備氮氣在技術(shù)上可行并能夠滿足各個氮氣用戶的用氣需求。

利用PSA制備氮氣靈活性好，安全性高，占地面積小，經(jīng)濟(jì)性高。

PSA制氮能夠有效利用核電站調(diào)峰調(diào)頻情況下設(shè)備不能夠完全利用的劣勢，提供設(shè)備的利用率。