含氫廢氣處理系統運行缺陷及風險分析

李建業++張永鋒++劉宇

摘 要：秦山二廠含氫廢氣處理系統采用加壓貯存法，加壓貯存法結構簡單，廢氣處理工藝比較成熟。廢氣處理系統沒有直接的安全功能，但能防止向環境泄露，保護環境，使廢氣的放射性排放保持在可接受的范圍。本文主要介紹秦山二廠含氫廢氣處理系統的工藝流程，相關運行參數，核心設備的工作原理；分析了系統運行中存在的風險，如：衰變箱的容量不足、倒箱操作時易導致壓縮機損壞甚至放射性氣體意外排放等，通過分析缺陷原因提出了相應的解決辦法。

關鍵詞：廢氣 缺陷 風險分析 解決辦法

中圖分類號：TQ639 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0108-03

核電站在正常運行工況和預計運行事件中，不可避免地產生放射性含氫廢氣。 目前國內壓水堆核電站最常用的處理放射性含氫廢氣的方法是加壓貯存和活性炭吸附，秦山二核根據自己的特點采用加壓貯存法。加壓貯存系統結構簡單，廢氣處理工藝比較成熟，適合于處理流量變化較大的放射性廢氣，但是秦山二核1、2號堆的共用廢氣處理系統運行中存在衰變箱的容量不足、倒箱操作時易導致壓縮機損壞甚至放射性氣體意外排放的風險。該文對上述風險進行深入分析并提出改進建議。

1 秦山二核含氫廢氣處理系統

1.1 含氫廢氣來源

含氫廢氣來自于反應堆冷卻劑系統的穩壓器卸壓箱、化學和容積系統的容積控制箱、核島疏水排氣系統的反應堆冷卻劑疏水箱和硼回收系統的除氣塔和前貯槽等，這類放射性廢氣由氫氣、氮氣和含Xe、Kr的惰性氣體組成。本系統采用壓縮貯存、裂變的方法降低含氫廢氣放射性，在貯存期滿取樣合格后通過輔助廠房通風系統DVN稀釋后送至煙囪排放。

1.2 含氫廢氣分系統工藝流程

含氫廢氣分系統工藝流程圖見圖1，來自于一回路冷卻劑的含氫廢氣通過母管送入一個容積為5m3的緩沖罐。在緩沖罐上游設有氧含量分析儀監測氧含量，系統設置了兩臺流量為38m3·STP/h的壓縮機，一主一備，廢氣經壓縮并冷卻至50 ℃后送入容積為18 m3的衰變箱中貯存，經過60天的衰變，經取樣分析合格后，由排放閥經核島輔助廠房通風系統DVN除碘后排入煙囪。

1.3 含氫廢氣分系統運行相關參數

緩沖箱起到了穩定壓力的作用，當緩沖箱的壓力升到了0.025 MPa.g時啟動正常壓縮機，壓力繼續上升到0.03 MPa.g時啟動備用壓縮機。當壓力降到0.005 MPa.g時兩臺壓縮機均停止運行。當緩沖箱壓力降至 0.003 MPa.g時在控制間內發出警報，需開啟氮氣閥補氮氣，當壓力回升至0.025 MPa.g 時氮氣管線關閉并且正常壓縮機啟動。當緩沖箱壓力升至0.04 MPa.g時發出壓力高報警信號，壓力繼續升高至0.35 MPa.g時安全閥開啟將廢氣排到煙囪。

氧分析儀連續測定含氧量，氧含量達1.5%和3.5%時觸發主控制室內的報警，氧含量確實高時可用氮氣稀釋。緩沖罐氧含量必須保持低于3.5%，含氫量超過4%，含氧量超過6%就有爆炸的危險，控制氧含量小于4%，無論氫含量多少不會形成爆炸性氣體。

兩臺壓縮機并聯運行時最大可處理76 m3·STP/h的廢氣量，這個數值略高于大修時容積控制箱的氣相掃氣流量。兩臺TEP除氣塔來的含氫廢氣平均廢氣流量為2.1 m3·STP/h。任何一個衰變箱壓力比整定值下降0.07 bar和0.14 bar時觸發衰變箱泄漏報警，提醒運行人員衰變箱存在泄漏。

為了便于將壓縮機排氣切換到一臺空的衰變箱，通常在箱體充滿前五天通過021 MP或022 MP在0.48 MPa.g時發出信號通知運行人員，以便有充足的時間排空一臺存放氣體時間最久的備用箱。

含氫廢氣的排放速度要保證DVN系統中氫氣含量不超過4%，即保證在不引起燃燒的條件下排放。同時按照確定的最大排放流速計算的放射性比活度不能觸發有關KRT通道報警。進行排放時，衰變箱中的壓力降低至0.02 MPa時，排放閥自動關閉，避免空氣進入系統。

2 運行中存在的缺陷及風險分析

2.1 衰變箱的容量不足

秦山二核1號堆和2號堆的共用廢氣處理系統共設計有6個衰變箱，每箱容積為18 m3，衰變箱的設計壓力為0.7 MPa.g。壓縮機的出口壓力到達0.65 MPa.g時壓縮機自動停運，因此被壓縮的廢氣可最高 0.65 MPa.g儲存在衰變箱內。但是為保證對安全閥動作有足夠的壓力裕度，衰變箱只允許充到0.63 MPa.g。正常備用的衰變箱壓力為0.02 MPa.g，這樣每個衰變箱從 0.02 MPa充到0.63 MPa，可以接收113 m3·STP含氫廢氣。

在一個機組大修之前假設沒有衰變箱泄露，沒有衰變箱的相關檢修，也沒有衰變箱相關閥門的檢修，這樣會有5個衰變箱即565m3·STP容積可提供。另外1個衰變箱用于接收此前兩個月兩臺機組正常運行工況的含氫廢氣，由于在一個堆的壽期末一回路稀釋產生的廢水較多，因此正在接收的衰變箱可用空間不會太多。

查閱“秦山第二核電廠三廢月報”1號機組和2號機組最近幾年含氫廢氣產生量建立表1。

從表1中可以看出2011年5月207大修初期產生的含氫廢氣量最大，為335.34 m3·STP，其它的大修初期產生的含氫廢氣多在210 m3·STP與290 m3·STP之間。這樣兩臺機組大修產生的含氫廢氣總量可能達到580 m3·STP，若在大修期間出現類似207大修當量的含氫廢氣，就會大大超過580 m3·STP。對于衰變箱設計允許在基本負荷運行的情況下有60天的暫存期，在廢氣量大而放射性濃度低的情況下暫存期為45天，該暫存期是放射性廢氣符合向大氣排放準則規定所要求的衰變時間。這樣1號機組和2號機組開始大修的時間間隔若小于45天，就有可能出現衰變箱容量不足的現象。endprint

若出現衰變箱容量不足會延長大修時間，影響到電廠經濟效益，因此可對廢氣處理系統TEG進行技改，另外優化含氫廢氣的管理，正確的進行停堆掃氣操作盡量減少含氫廢氣的產生。

（1）大修前一段時間要對廢氣處理系統TEG進行消缺，保證衰變箱及相關設備的完好可用，保證大修開始時至少3個TEG衰變箱是空的。大修規程也明確規定：大修實施的前70左右天需考慮TEG衰變箱的容量情況。如果有必要，隔離處于接收狀態的衰變箱進行衰變，這樣大修前可以排放，為大修產生的含氫廢氣預留盡量多的貯存空間。

（2）大修期間TEP頭箱吹掃是產生含氫廢氣量最多的一個過程，因此要把盡量減少含氫廢氣產生的重點放在TEP頭箱的吹掃上，要優化TEP頭箱吹掃操作盡量一次吹掃成功。TEP頭箱吹掃以及RCV系統容控箱吹掃要盡可能的減少被吹掃的空間，如把TEP頭箱的液位提高到9.5 m。應充分考慮大修期間可能誤沖氮氣的各種因素，如氫表的零點是否正確。

（3）TEP脫氣塔每次在“生產命令”結束后，進入“熱備用”之前有一個約15分鐘的“強制氮氣吹掃”階段，掃除脫氣塔排氣冷凝器中的氫氣和放射性氣體，這個階段會產生大量的廢氣排向TEG的含氫廢氣系統。若脫氣塔不進行檢修，“強制氮氣吹掃”階段是沒有必要經過的，因此可在“生產命令”結束前進行強制返回，不經過“強制氮氣吹掃”而進入“熱備用”狀態，以減少廢氣量。

（4）除了在管理方面做出要求外，可對TEG系統進行技改。增加衰變箱的容積，或者增加一套氫氣復合器，復合后即減少了氣體貯存體積，又降低了衰變箱內的氫含量，降低了含氫廢氣泄漏后爆炸的風險。

2.2 倒箱操作和壓縮機氮氣吹掃時存在較高的風險

當衰變箱或衰變箱相關的閥門等設備存在泄漏時，必須把衰變箱儲存的含氫廢氣倒入到其他的衰變箱中，防止含氫廢氣不可控的釋放造成放射性廢氣外溢和氫濃度過高產生爆炸，一臺衰變箱破裂而導致放射性氣體釋放可能被評估為第III類--稀有事故。在系統長期的運行中由于種種原因，所選用的隔膜閥經常出現內漏現象，6個衰變箱的取樣閥內漏更為頻繁，TEG002BA衰變箱頂部盲板處在2009年就出現過嚴重的外漏現象。設計上對壓縮機設置了氮氣吹掃管線，在壓縮機檢修之前需用氮氣吹掃壓縮機及相關管道10 min至衰變箱，后再吹掃15 min至DVN系統煙囪。

從圖1啟動邏輯圖中可以看出，無論壓縮機是自動啟動還是手動啟動都受到油壓異常、壓縮機膜片損壞、氣體冷卻器出口高溫這三個壓縮機保護信號的控制，在壓縮機本體出現故障時都會停運壓縮機。壓縮機還有一個緊急停運按鈕TEG015TO，可實現緊急停運。

壓縮機的允許啟動信號有四路分別是：

（1）壓縮機入口在線至緩沖箱，這時TEG003VY全開，壓縮機投自動即TEG003CC置自動。若壓縮機選在正常位置則 0.025MPa.g啟動，若選在備用位置則在 0.03MPa.g時啟動，緩沖箱壓力降到 0.005MPa.g時壓縮機自動停運。

（2）壓縮機入口在線至緩沖箱，這時TEG003VY全開，TEG163VY全關，壓縮機投手動即TEG003CC置手動，在緩沖箱壓力不低于0.005MPa.g時，通過TEG005CC手動啟動壓縮機。

（3）壓縮機入口在線至衰變箱，這時TEG003VY全關，TEG163VY全開，壓縮機投手動即TEG003CC置手動，在集氣母管壓力不低于0.005MPa.g時，通過TEG005CC手動啟動壓縮機。

（4）壓縮機入口在線至衰變箱或者氮氣吹掃管線，這時TEG003VY全關，TEG163VY非全開（在線至氮氣吹掃管線時163VY全關），壓縮機投手動即TEG003CC置手動，通過TEG005CC手動啟動壓縮機。

四路信號都受到壓縮機出口旁路閥TEG111VY開啟5秒的限制，這是為了在壓縮機啟動前讓出口母管充分泄壓，調試期間壓縮機在出口壓力0.5MPa.g以上啟動時就使壓縮機熔斷器燒毀。四路信號中的①、②、③與壓縮機出口壓力TEG021MP信號相與，即受到壓縮機出口壓力的控制，在出口壓力0.65MPa.g時停運壓縮機，防止下游衰變箱的安全閥起跳。第④路既沒有入口壓力低0.005MPa.g停運，也沒有出口壓力高0.65MPa.g停運。

由壓縮機的技術規格書知道壓縮機的吸入口壓力在0.005MPa.g與0.035MPa.g之間。在倒箱操作和對壓縮機的氮氣吹掃時上游壓力遠遠超過允許壓力，因此啟動時必須把入口進行節流，節流時TEG163VY給出的是非全開信號，這樣在倒箱操作和壓縮機的氮氣吹掃時使用信號④來啟動壓縮機。

2.2.1 經過如上分析得出以下三種風險：

（1）入口壓力過高的風險：在倒箱操作和壓縮機的氮氣吹掃時，入口壓力不能調節太高，而操作人員手動調節壓縮機入口閥，難以精確控制壓力（入口壓力表的量程為0～0.6MPa），可能使得壓縮機的吸氣壓力過大，吸氣量過大引起壓縮機出口壓力過高，進而引起壓縮機出口安全閥（0.7MPa.g）起跳，長期這樣運行也會有壓縮機損壞的風險。

（2）入口壓力過低的風險：在倒箱操作時入口壓力低的停運信號沒有參與控制，即使遠小于0.005MPa也不會停運壓縮機。目前只是人為的去關注泄漏衰變箱和壓縮機入口的壓力，這時泄漏衰變箱就有可能在較低的壓力下引入含氧的空氣，形成易爆炸性的混合氣體，對安全生產產生嚴重影響。

（3）出口壓力過高的風險：在倒箱操作和壓縮機的氮氣吹掃時，出口壓力高停運信號沒有參與控制，即使超壓也不會停運壓縮機。目前人為的去關注下游衰變箱的壓力，這樣在進行倒箱操作和壓縮機的氮氣吹掃時有可能使下游衰變箱超過出口壓力高停運值0.65 MPa.g，甚至到達設計壓力0.7 MPa.g，而引起衰變箱安全閥的起跳，把含氫的放射性廢氣直接排入煙囪，造成放射性廢氣的意外排放，可能被評估為第III類--稀有事故。

2.2.2 綜上所述，提出以下建議

（1）謹慎選擇衰變箱，控制最高壓力。

在進行倒箱操作和壓縮機的氮氣吹掃時，盡量選擇空的衰變箱接收，或經過計算衰變箱被充氣后壓力不會大于0.63 MPa.g。另外操作時一定要注意壓縮機的進口和出口壓力。

（2）縝密論證，進行邏輯修改。

加入一個出口壓力高保護信號，讓信號④也受到出口壓力高的控制，這樣在進行倒箱操作和壓縮機的氮氣吹掃時，衰變箱就不會被加壓到安全閥的起跳值。加入一個入口壓力低保護信號，讓信號④在倒箱操作，即TEG163VY非全開時也受到入口壓力低的控制，入口壓力低時及時停運壓縮機，就不會有衰變箱被吸成負壓的風險。這個信號要來自于TEG163VY上游的壓力表，這時雖然用TEG163VY手動調節壓縮機入口壓力難以精確控制，但不會出現因壓縮機入口壓力低而頻繁停運壓縮機的情況。

（3）分析源頭，盡量減少倒箱次數。

根據經驗反饋以前的多次倒箱是由于隔膜閥內漏所造成的，根本原因是由于閥門的關閉力矩難以量化，易發生膜頭的損壞，建議以后使用力矩扳手，以減少內漏。

3 結語

秦山二核廢氣處理系統排放的放射性廢氣通過衰變、過濾、稀釋后完全能夠滿足國家對放射性廢氣排放的管理要求。如2010年度惰性氣體年排放量僅占年管理目標值的13.16%。但在長期的運行中也暴露出了一些問題，如隔膜閥內漏頻繁、潛在的衰變箱容量不足、倒箱操作時意外排放的風險，這些都是必須要考慮的問題。同時廢氣處理系統關系到核電廠能否經濟的運行，若出現處理能力不足就會拉長大修時間，若出現兩臺隔膜壓縮機長時間不可運行，會導致TEP脫氣塔不可運行最終會導致機組向雙相中問停堆退防，對電廠正常運行造成嚴重影響。

參考文獻

[1] 施國禎.隔膜壓縮機技術規格書[S].核工業第二研究設計院，1994.

[2] 秦山第二核電廠三廢月報.

[3] 趙仁凱.秦山核電二期工程一號機組調試專集[J].核動力運行研究，2003，16（2增刊）：167-175.

[4] 廢氣處理系統手冊[S].核電秦山聯營有限公司，2005.endprint