危華，蘇前華，邢軍，彭帆，杜兵

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

1 前言

壓水堆核電廠正常運(yùn)行時(shí)，為了滿足一回路水化學(xué)的控制要求，獲得還原性的冷卻劑環(huán)境條件，通常需要對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行加氫處理。傳統(tǒng)的加氫方法稱(chēng)為容控箱噴淋加氫，主要發(fā)生在化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的容積控制箱內(nèi)，容控箱上部布滿氫氣，冷卻劑從頂部的噴頭噴出，噴出的霧狀冷卻劑與容控箱上部的氫氣混合，使氫氣能夠充分地溶解到冷卻劑中，從而完成冷卻劑的加氫。但這種加氫方式下，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)容積控制箱進(jìn)行氣體置換，增加了啟動(dòng)步驟；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，容積控制箱上部貯存大量的氫氣，存在氫爆風(fēng)險(xiǎn)，且需要歇置換箱內(nèi)氫氣以去除裂變氣體，增加運(yùn)行難度；系統(tǒng)停止還需專(zhuān)門(mén)考慮含氫廢氣處理。

另一種加氫方式是高壓儲(chǔ)罐直接注入加氫，AP1000堆型采用此種加氫方式，其加氫方式是將高壓儲(chǔ)罐中的氫氣直接注入主泵入口，利用主泵的攪混促進(jìn)氫氣溶解進(jìn)入冷卻劑中，這種加氫效率較低，且要求反應(yīng)堆的主泵為屏蔽泵，經(jīng)濟(jì)性較差。由于以上2 種加氫方式的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)部分第三代反應(yīng)堆采用了新的加氫系統(tǒng)——射流加氫系統(tǒng)。這種加氫系統(tǒng)主要包含噴射泵、混合管和氣體分離器3 個(gè)主要設(shè)備，主要原理是通過(guò)噴射泵內(nèi)的高壓冷卻劑將氣體分離器頂部的氫氣引射到混合管中，使氫氣溶于水。分離器頂部的氫氣體積小，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)氫爆風(fēng)險(xiǎn)??；系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，可以先將分離器注滿冷卻劑，再?gòu)捻敳孔⑷霘錃獗苊鈿怏w置換，冷卻啟動(dòng)步驟；系統(tǒng)停止時(shí)，可以先關(guān)閉氫氣源，等分離器內(nèi)所有氫氣溶解完再停運(yùn)系統(tǒng)，避免含氫廢氣的處理。

2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)回路見(jiàn)圖1，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要包括加氫實(shí)驗(yàn)本體（混合管、噴射泵和氣水分離器）、氫氣補(bǔ)充系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)和回路壓力控制系統(tǒng)。加氫實(shí)驗(yàn)本體進(jìn)出口布置了流量、溫度和壓力測(cè)點(diǎn)，噴射泵氫氣引射管路和氣體分離器的氫氣補(bǔ)充管路上各布置了一個(gè)氣體流量測(cè)點(diǎn)，混合管前后段和分離器前后段分別布置了一個(gè)差壓測(cè)點(diǎn)，分離器出口段布置了一個(gè)氫氣濃度測(cè)點(diǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路圖

加氫實(shí)驗(yàn)本體由噴射泵、混合管和氣水分離器組成，噴射泵利用喉部高流速的水產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)吸引氫氣；混合管則是利用其內(nèi)部的靜態(tài)混合單元來(lái)破碎混合物中的氣泡，使氫氣盡可能地溶于水，它是氫氣溶于水的主要場(chǎng)所；氣水分離器的作用則是將未溶于水的氫氣與水分離，使這些氫氣重新參與加氫過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將進(jìn)口水箱的水注滿，啟動(dòng)離心泵和往復(fù)泵后，先把氣水分離器中的空氣排掉，再開(kāi)啟氣體分離器的氫氣補(bǔ)充管路使氣體分離器上部充滿氫氣，并保持氣體分離器的液位在一定的高度。在實(shí)驗(yàn)回路運(yùn)行期間，利用離心泵旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、離心泵出口調(diào)節(jié)閥以及離心泵變頻器來(lái)調(diào)節(jié)主給水回路的流量至設(shè)定值，利用往復(fù)泵旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)噴射泵入口的推進(jìn)流流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴射泵的氫氣引射流量。系統(tǒng)壓力主要由出口水箱前的背壓閥控制，加氫站的氫氣補(bǔ)充流量通過(guò)氫氣瓶出口的減壓閥以及補(bǔ)充氫氣管路上的調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)是利用測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集和存儲(chǔ)的。本實(shí)驗(yàn)中去離子水流量、氫氣流量、壓力、壓差、溫度和溶解氫濃度分別由渦輪流量計(jì)、熱氏氣體質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器、壓差變送器、溫度熱電偶和在線式溶解氫濃度測(cè)量?jī)x測(cè)得，實(shí)驗(yàn)中的工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工況參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噴射泵氫氣引射流量和混合管內(nèi)流體流速對(duì)溶解氫濃度的影響

混合管是氫氣溶于水的主要場(chǎng)所，噴射泵氫氣引射流量和混合管內(nèi)流體流速影響系統(tǒng)的加氫效率。圖2 為噴射泵氫氣引射流量和混合管內(nèi)流體流速對(duì)系統(tǒng)出口溶解氫濃度的影響曲線，三條曲線分別是水流速在0.34m/s、0.62m/s 和0.99m/s 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)的壓力都維持在0.29MPa 左右。

圖2 噴射泵的氫氣引射流量和混合管內(nèi)流體流速對(duì)溶解氫濃度的影響

單獨(dú)觀察某一條曲線可知，噴射泵氫氣引射流量越大，系統(tǒng)出口溶解氫濃度越大，推測(cè)是由于更多的氫氣參與了混合，氣水接觸總面積更大，在接觸時(shí)間不變的情況下，更多的氫氣溶于了水；比較三條曲線可知，混合管內(nèi)流體流速越大，系統(tǒng)出口溶解氫濃度越大，推測(cè)是因?yàn)榛旌瞎軆?nèi)流速越大，氫氣被混合管切成的氣泡越小，氣水接觸的總面積越大，且接觸面積變大對(duì)氫氣溶解速率的影響大于因流體流速增加導(dǎo)致氣水接觸時(shí)間變短的影響。

3.2 混合管內(nèi)靜態(tài)混合單元組合方式對(duì)溶解氫濃度的影響

接近水平布置的混合管主要依靠?jī)?nèi)部的靜態(tài)混合單元破碎氣泡而實(shí)現(xiàn)加氫目的。混合單元的不同數(shù)量和安裝組合方式對(duì)系統(tǒng)出口的溶解氫濃度有顯著影響。

混合單元均勻且有間隔地布置在混合管內(nèi)部，混合單元數(shù)量影響系統(tǒng)的加氫效果，圖3 是混合單元的數(shù)量和系統(tǒng)出口溶解氫濃度曲線。

圖3 混合單元數(shù)量對(duì)溶解氫濃度的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)，氫氣引射流量為3.0m3/h，水流量為22.5m3/h?？梢园l(fā)現(xiàn)，混合單元數(shù)量越多，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出口的溶解氫濃度越高。事實(shí)上，混合管內(nèi)氣水混合物通過(guò)混合單元一段距離后，其中的氫氣因?yàn)槊芏刃《细〉交旌瞎苌喜?，使混合物形成分層流，?dāng)混合物再次經(jīng)過(guò)混合單元后又將重新變?yōu)闅馀萘?，所以，混合單元的?shù)量越多，氣泡流狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，相同時(shí)間內(nèi)氣水接觸面積越大，氫氣溶于水的量就越大；混合單元數(shù)量為0 時(shí)的溶解氫濃度可以看成不含混合單元系統(tǒng)的加氫能力，比較混合單元數(shù)量為0 和8 時(shí)的溶解氫濃度可知，混合單元數(shù)量為8 時(shí)，混合單元對(duì)系統(tǒng)出口溶解氫濃度的貢獻(xiàn)為72%，這證明了混合單元是氫氣溶于水的關(guān)鍵設(shè)備，混合管是氫氣溶于水的主要場(chǎng)所。

混合單元的排列布置方式對(duì)加氫效率也有影響，混合單元數(shù)量不變時(shí)，布置得緊湊會(huì)產(chǎn)生連續(xù)破碎的效果從而使氣泡更小，但布置得緊湊，會(huì)使混合管內(nèi)產(chǎn)生較大的“無(wú)混合單元”間隙，而氣水混合物在無(wú)混合單元部分會(huì)上浮到混合管上部形成分層流，而導(dǎo)致氣泡流的時(shí)間變少；混合單元布置得均勻，可以使氣泡流的時(shí)間更長(zhǎng)，但是，氣泡破碎程度不如前一種情況。

由于混合管的長(zhǎng)度限制和流動(dòng)阻力要求，我們選用了8 個(gè)混合單元進(jìn)行了三種典型安裝方式的比較實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)主給水流量為45m3/h，實(shí)驗(yàn)壓力為0.29MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。比較三條曲線可知，安裝方式3 的加氫效率最高，并且在這種方式下，隨著氫氣引射流量的增加，加氫效率的提升也更快。

圖4 混合單元不同組合方式對(duì)溶解氫濃度的影響

3.3 氣體分離器氣相壓力對(duì)溶解氫濃度的影響

在混合單元為上一節(jié)安裝方式3 且主給水流量為45m3/h 的條件下，混合管內(nèi)不同壓力對(duì)溶解氫濃度影響曲線如圖5。

圖5 氣體分離器氣相壓力對(duì)溶解氫濃度的影響

由圖可知，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出口溶解氫濃度隨混合管內(nèi)壓力的增大而增大，氣體分離器內(nèi)氣相絕對(duì)壓力為3.8bar時(shí)，系統(tǒng)出口溶解氫濃度最高可達(dá)到2.7mg/kg，已滿足核電站一回路啟動(dòng)時(shí)的加氫濃度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)加氫試驗(yàn)本體開(kāi)展試驗(yàn)研究及討論可得到以下結(jié)論：

（1）噴射泵氫氣引射流量和混合管內(nèi)流體流速影響系統(tǒng)的加氫效率，其他條件不變情況下，增大噴射泵氫氣引射流量或者混合管內(nèi)流體流速都會(huì)提高系統(tǒng)的加氫效率。

（2）混合管內(nèi)靜態(tài)混合單元的數(shù)量和組合方式對(duì)系統(tǒng)的加氫效率影響較大，8 個(gè)混合單元的第3 種組合方式是本實(shí)驗(yàn)探索出的一種最優(yōu)選擇。

（3）氣體分離器氣相壓力影響系統(tǒng)的加氫效率，氣體分離器氣相壓力越大，系統(tǒng)的加氫效率越高；壓力0.38MPa、水流量45m3/h 和混合單元為第3 種組合方式條件下，實(shí)驗(yàn)得到的溶解氫濃度可達(dá)到2.7mg/kg，已經(jīng)滿足了核電站一回路啟動(dòng)時(shí)的溶解加氫濃度要求。