劉愛明，徐艷鳳

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

0 引言

壓水堆核電站發(fā)生嚴重事故時，燃料包殼和堆芯內(nèi)其他的金屬會發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生大量氫氣，氫氣在安全殼內(nèi)擴散，同時不斷與空氣和水蒸氣混合，形成可燃混合氣體，一旦發(fā)生燃燒和爆炸，將對安全殼的完整性產(chǎn)生威脅［1］。核電站事故工況下的氫氣消除是保證核安全的最后一道屏障。

非能動氫復合器（passive autocatalytic recombiners，PAR）符合第三代核電技術(shù)的非能動核安全理念，是目前嚴重事故工況下主流的消氫技術(shù)［2］。目前，對非能動氫復合器的消氫機理和特性的相關研究較多，對核電廠中消氫試驗的方法介紹和試驗優(yōu)化的相關研究較少。本文結(jié)合工程實際，以某核電廠為例，闡述了非能動氫復合器的應用，分析了該廠核電機組在調(diào)試和大修中非能動氫復合器消氫效率數(shù)據(jù)，提出了非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗的優(yōu)化措施。

1 非能動氫復合器

1.1 非能動氫復合器設計背景

非能動氫復合器是核電站消氫安全必備的設施。當核電站發(fā)生冷卻劑喪失事故（lost of coolant accident，LOCA）或者嚴重事故時，大量的氫氣在安全殼內(nèi)聚集，可能發(fā)生燃燒或爆炸。非能動氫復合器可以在事故狀態(tài)后消除安全殼內(nèi)空氣中的氫氣，使空氣中的氫氣體積濃度（以下簡稱“濃度”）有效控制在易燃限值4%以內(nèi)，防止不受控的氫燃燒，以保證核電站的安全。

非能動氫復合器可使氫氣和氧氣復合，復合過程發(fā)生在事故早期階段氫氣積累前。非能動氫復合器可在很大范圍內(nèi)的環(huán)境溫度、氣體濃度和蒸汽壓力下工作。非能動氫復合器在發(fā)生任何設計基準事故后，能維持安全殼內(nèi)較低的氫氣濃度。對于嚴重事故，非能動氫復合器也具有消除氫氣的功能，為氫氣點火器提供縱深防御功能。

1.2 非能動氫復合器原理

非能動氫復合器采用催化消氫原理，使氫氣與空氣中的氧氣在催化劑的作用下結(jié)合生成水，以消除氫氣。同時，生成的反應熱提高了催化床部分空氣的溫度。根據(jù)連通器工作原理，在裝置進出口處，裝置內(nèi)外的溫度差形成了一定的壓力差，空氣加熱后密度減小而上升，冷空氣持續(xù)不斷地補充，形成含氫空氣在裝置中持續(xù)穩(wěn)定流動的“煙囪效應”，使含氫氣的空氣在安全殼內(nèi)與氫復合器間形成對流循環(huán)，實現(xiàn)了氫復合器的“非能動”要求［3］。

通常情況下，氧氣和氫氣只有在600 ℃及以上的高溫環(huán)境下才會通過快速燃燒而復合。如果存在鉑族金屬等催化劑，“催化燃燒”可在低于0 ℃的溫度環(huán)境下發(fā)生。在催化劑表面原子或分子的吸引下，氧氣和氫氣分子被吸收到催化劑金屬表面。非能動氫復合器設備采用金屬鉑或金屬鈀作為催化劑，將氫氣和氧氣催化合成水蒸氣。催化過程主要包括：氧氣和氫氣擴散到催化劑；催化劑反應；通過中間反應形成反應產(chǎn)物；反應產(chǎn)物解吸附；反應產(chǎn)物擴散且遠離催化劑。氧氣和氫氣只有擴散到催化劑后才會發(fā)生反應，并且只有在反應產(chǎn)物遠離催化劑后才能有更多的反應發(fā)生。

1.3 非能動氫復合器結(jié)構(gòu)

該核電廠每臺機組安裝有兩臺100%容量非能動氫復合器。每臺非能動氫復合器由本體和催化劑盒兩部分構(gòu)成。設備主體材料為不銹鋼。催化劑盒框架由不銹鋼絲篩網(wǎng)和不銹鋼壓邊條構(gòu)成，內(nèi)置球型消氫催化劑。催化劑的活性成分為鉑和鈀。非能動氫復合器的結(jié)構(gòu)及消氫原理如圖1 所示。

圖1 非能動氫復合器的結(jié)構(gòu)及消氫原理示意圖

非能動氫復合器采用的不銹鋼外殼，既作為設備結(jié)構(gòu)，又用來支撐催化劑，內(nèi)裝102 片催化劑盒。外殼延伸到催化劑上方構(gòu)成煙囪，煙囪可提供進一步的提升力，從而提高設備的效率和通風效果。催化劑可裝于濾筒內(nèi)，或者沉積在金屬板底層上，并支撐在外殼內(nèi)。濾筒或金屬板之間的空隙作為通風通道。在非能動氫復合器運行中，設備內(nèi)的空氣被催化反應過程中產(chǎn)生的熱量加熱，因自然對流作用而上升。由于空氣的上升，置換空氣通過非能動氫復合器底部抽入復合器，并由放熱反應加熱形成水蒸氣，然后通過煙囪排出。

2 非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗

2.1 催化劑盒結(jié)構(gòu)

催化劑盒的平面圖如圖2 所示，其主體采用不銹鋼絲篩網(wǎng)加工，四周為不銹鋼薄片封邊，前后不銹鋼絲篩網(wǎng)采用40 個定位管穿鉚釘固定，四周不銹鋼薄片采用鉚釘固定。

圖2 催化劑盒的平面圖

非能動氫復合器長期運行后，由于催化劑中毒，催化劑盒的催化活性可能下降。催化劑中毒的主要原因是日常運行中安全殼內(nèi)產(chǎn)生的毒物吸附在催化劑的活性中心上，減少了活性中心的數(shù)目。安全殼內(nèi)常見的毒物包括：主泵及其他設備油系統(tǒng)中的油燃燒產(chǎn)生的有機物；主泵及其他設備產(chǎn)生的有機油類氣溶膠；主回路和硼酸系統(tǒng)產(chǎn)生的硼酸；低溫下安全殼內(nèi)的碳酸有機化合物（如油漆、苯類物質(zhì)）的揮發(fā)物［4］。

根據(jù)核電廠相關定期試驗監(jiān)督大綱的規(guī)定，非能動氫復合器的試驗周期為24個月［5］。機組每次換料大修期間，每臺非能動氫復合器抽檢6 片催化劑盒（固定抽取相同3 片催化劑盒，隨機抽取其他3 片催化劑盒）進行效率試驗。如果抽取的6 片催化劑盒滿足檢驗要求，則判定該非能動氫復合器合格；如果抽取的催化劑盒檢驗不合格，則對該非能動氫復合器的全部催化劑盒進行再生。固定抽取的3 片催化劑盒用于趨勢跟蹤，以便對催化劑盒性能進行比較；隨機抽取的3 片催化劑盒用于對非能動氫復合器進行整體評價。

2.2 催化劑盒消氫效率試驗步驟

非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗采用AP/XQ-B 型氫復合器配套專用裝置。試驗前須對試驗催化劑盒進行目視檢查，檢查內(nèi)容主要包括：催化劑盒是否變形、變色、破損等；催化劑板表面是否存在污染（如果發(fā)現(xiàn)表面有污染，可在性能試驗結(jié)束后用不含油的壓縮空氣吹掃）；催化層是否脫離等。

試驗時以純氫氣和壓縮空氣混合氣體作為試驗用氣。試驗前，將加熱室加熱至50 ℃。試驗時，將催化劑盒放入加熱室，通入試驗氣體。試驗氣體從試驗臺架的底部進入加熱室，平行流過催化劑盒，以模擬安全殼內(nèi)實際氣流的溫度和氫氣的含量，以及在復合器中氣體的流動情況。反應后的氣體從試驗臺架的頂部排出。催化反應結(jié)束后，通入吹掃氣體以排出加熱室內(nèi)殘留的氫氣。

2.3 催化劑盒消氫效率試驗數(shù)據(jù)

每臺核電機組有兩臺非能動氫復合器，共有204片催化劑盒，每次現(xiàn)場試驗隨機抽取6 片催化劑盒，固定抽取6 片催化劑盒進行試驗。與田灣核電站和大亞灣核電站中只隨機抽取催化劑盒進行試驗相比［6］，這種抽取方式的試驗方法有較大改進。表1為1 號機組和2 號機組每次試驗時固定抽取的催化劑盒的消氫效率數(shù)據(jù)，方便用于趨勢跟蹤和數(shù)據(jù)分析。

表1 固定抽取的催化劑盒消氫效率試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果的驗收合格標準：當試驗裝置進口的氫氣濃度在（3.0±0.5）%范圍下，15 min 反應時間內(nèi)，氫氣消除效率大于等于60%。由表1可見，該核電廠非能動氫復合器催化劑盒的消氫效率試驗結(jié)果滿足驗收合格標準。分析機組調(diào)試和大修期間的數(shù)據(jù)，調(diào)試期間消氫效率大于60%的反應時間最長為2 min，最短為2 min，平均時間為2 min。大修期間消氫效率大于60%的反應時間最長為3 min，最短為2 min，平均時間為2.33 min。試驗反應數(shù)據(jù)都遠低于試驗合格要求的15 min，滿足設計要求。

3 非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗優(yōu)化

3.1 優(yōu)化試驗用氣方式，降低工業(yè)安全風險

該核電廠第一輪大修期間，非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗采用99.99%的氫氣與壓縮空氣混合配比成氫氣濃度為3%的試驗用氣。該方式增加了試驗本身的工業(yè)安全風險，混合配比稍有偏差，則可能達到氫氣爆炸限值，形成易爆炸的混合氣體。為了降低試驗安全風險，確定采用3%氫氣標準氣（平衡氣為空氣）替代試驗所用的99.99%氫氣和壓縮空氣。第二輪換料大修期間，非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗首次采用3%氫氣標準氣（平衡氣為空氣），對試驗數(shù)據(jù)進行分析，催化劑盒消氫性能試驗結(jié)果滿足合格驗收標準。

采用3%氫氣標準氣（平衡氣為空氣）注意事項主要包括：

1）以空氣作為平衡氣的標準氫氣充裝要求更高，選擇供貨方時應充分進行市場調(diào)研，確保氫氣標準氣品質(zhì)滿足試驗要求。

2）試驗開始前，應調(diào)節(jié)氫氣流量使其穩(wěn)定在試驗所需的氫氣濃度范圍內(nèi)。

3）應采用不同規(guī)格的氫氣標準對測氫儀進行校準。

3.2 固化試驗裝置存放場地，確保穩(wěn)定運行

該核電廠非能動氫復合器試驗裝置最初設計中未設置固定存放場地，首次使用時采用搭設臨時防雨棚的方式?？紤]到定期試驗時，非能動氫復合器催化劑盒可能帶有放射性，臨時防雨棚無法滿足試驗要求。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在原有設計基準上，將非能動氫復合器試驗裝置固定存放在電廠去污和熱檢修車間。

非能動氫復合器試驗裝置存放場地基本要求為：

1）場地面積約為10 m2，通風良好，設有220 V 電源，場地周圍10 m范圍內(nèi)沒有動火、焊接作業(yè)。

2）新增非能動氫復合器試驗裝置的維修空間充足，方便裝置的維修和操作。管道、設備布置正常情況下無工業(yè)安全風險。

3）非能動氫復合器試驗裝置安裝在固定位置、安裝牢固，排氣管路布置滿足設計要求，氣管無堵塞，電源設計安裝正確。

4）試驗時使用3%氫氣標準氣，存在氫氣泄漏風險。在非能動氫復合器試驗裝置存放區(qū)域設置1 臺臨時氫氣監(jiān)測儀表，實時監(jiān)測環(huán)境中氫氣的濃度，以判斷是否發(fā)生氫氣泄漏。

5）試驗過程中，存在設備接地不良造成觸電的風險。試驗開始前，使用驗電筆檢驗設備的絕緣情況，避免人員觸電的風險。

4 結(jié)語

非能動氫復合器是核電站重要的核安全設施，發(fā)生設計基準事故時可維持安全殼的完整性。本文結(jié)合工程實踐，優(yōu)化了非能動氫復合器催化劑盒消氫效率試驗，有效降低了試驗過程中的工業(yè)安全風險，確保了非能動氫復合器試驗裝置安全穩(wěn)定運行。