非能動(dòng)氫復(fù)合器在核電廠的應(yīng)用

蔣翔　王贊娥　楊剛　陳燦

摘 要：非能動(dòng)式氫復(fù)合器是秦山第二核電廠（簡(jiǎn)稱(chēng)秦二廠）核島系統(tǒng)中的重要設(shè)備，為日本福島核電事故后，新增的安全殼內(nèi)專(zhuān)設(shè)安全措施，主要在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下去除安全殼內(nèi)氫氣，當(dāng)安全殼內(nèi)大氣中的氫氣含量達(dá)到一定濃度時(shí)，非能動(dòng)式氫復(fù)合器自動(dòng)啟動(dòng)復(fù)合氫氣，以消減安全殼內(nèi)的氫氣含量。該文詳細(xì)介紹了秦山第二核電廠非能動(dòng)式氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法以及失效分析，同時(shí)對(duì)非能動(dòng)氫復(fù)合器長(zhǎng)期監(jiān)督提出合理建議。

關(guān)鍵詞：氫復(fù)合器 催化板 失效 核電廠

中圖分類(lèi)號(hào)：TL 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0066-01

在核電廠發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或嚴(yán)重事故時(shí)，安全殼內(nèi)將釋放大量氫氣。氫氣濃度積累到一定限值時(shí)發(fā)生爆炸，就會(huì)破壞第三道屏蔽——安全殼的完整性，導(dǎo)致大量放射性裂變產(chǎn)物向環(huán)境釋放。為了排除危及安全殼完整性的氫爆炸，必須采取可靠措施控制安全殼內(nèi)的氫氣含量，使其濃度低于爆炸限值。秦二廠非能動(dòng)消氫復(fù)合器的功能是：消除或降低事故工況下安全殼內(nèi)的氫氣濃度，保證核電廠的安全。

1 非能動(dòng)氫復(fù)合器的機(jī)構(gòu)及原理

非能動(dòng)式氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它的主要組成部分是殼體和催化板，其它還包括鋼支撐、緊固件、與混凝土或鋼平臺(tái)的連接件等輔件。

每一臺(tái)非能動(dòng)式氫復(fù)合器都有一個(gè)金屬殼體，其主要作用有以下幾方面。

（1）容納催化板片。催化板安裝在殼體內(nèi)部下方，根據(jù)氫復(fù)合器型號(hào)不同，分別安裝了不同數(shù)量的催化板（75片或150片）。

（2）促進(jìn)空氣的自然對(duì)流。含氫空氣從殼體下方流入（從而流經(jīng)催化板），消氫后的熱空氣從殼體上部流出。

（3）殼體上部頂蓋可以保護(hù)催化板免受?chē)娏芤焊g和空氣中浮塵的沾染。

氫氣和空氣的混合氣體從殼體下部進(jìn)入敞口的氫復(fù)合器后，在催化板片表面發(fā)生氫氧復(fù)合反應(yīng)生成水蒸汽，放出的熱量造成氫復(fù)合器內(nèi)空氣溫度的上升和密度的減小，使空氣上升并最終排出氫復(fù)合器，同時(shí)新的含氫混合氣體又被從下部吸入，如此實(shí)現(xiàn)循環(huán)自然流動(dòng)。

決定復(fù)合器實(shí)現(xiàn)消氫功能的關(guān)鍵部件是催化板片。催化板片實(shí)際上是在很薄的耐高溫的不銹鋼載體上（尺寸290 mm×140 mm）涂了幾層媒介。其中以氧化鋁（Al2O3）作為中間涂層，其上又分別涂了一層鈀（Pd）和一層鉑（Pt），鈀和鉑的比例約為1∶35。鈀和鉑作為催化劑具有不同的催化性能。鈀有較強(qiáng)的催化能力，可以在較低溫度下引起催化反應(yīng)，但是在高溫下容易被氧化。鈀涂于催化板的下部邊緣，是一個(gè)寬約1～2 cm的窄條涂層，用于在低溫下快速啟動(dòng)催化反應(yīng)。鉑則在較高溫度下發(fā)揮出最佳催化作用，它是作為主要的催化劑被涂于催化板的大部分面積上。

催化板殼體的下部有一個(gè)抽屜，拉出抽屜可以裝卸催化板，催化板安裝之后把抽屜重新推入殼體。安裝催化板時(shí)鈀啟動(dòng)帶朝向下方，并按編碼順序從左到右緊密排列。根據(jù)PAR型號(hào)的不同，每一臺(tái)PAR抽屜可以安裝75片（FR1-75T型）或150片（FR1-1500T型）催化板。含氫混合空氣從抽屜下方進(jìn)入，首先接觸強(qiáng)催化作用的鈀層而發(fā)生復(fù)合反應(yīng)并放出熱量。混合氣體繼續(xù)上升至催化板的鉑層，由于此前空氣已被加熱，鉑層的催化作用被激發(fā)，引起更深的復(fù)合反應(yīng)，放出更多熱量，從而使鉑層的催化作用得到全面激發(fā)。催化板在抽屜內(nèi)是緊密排列的，相鄰的兩片催化板之間的間距小于1 cm，所以個(gè)別催化板的放熱反應(yīng)即可引起周邊其它板片的連鎖催化反應(yīng)，最后所有催化板的催化作用都被激發(fā)。這種由局部“點(diǎn)燃”全面的催化反應(yīng)過(guò)程被形象地稱(chēng)為“多米諾催化效應(yīng)”。放熱反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生自然循環(huán)對(duì)流，“冷”混合氣體從殼體下部不斷被吸入，消氫后的熱空氣從殼體上部的排風(fēng)口排出。非能動(dòng)式氫復(fù)合器自啟動(dòng)自催化反應(yīng)的基本過(guò)程就是這樣形成的。

2 非能動(dòng)氫復(fù)合器效率試驗(yàn)方法

為了確保氫復(fù)合器的性能，必須對(duì)其進(jìn)行定期對(duì)檢查和試驗(yàn)。在機(jī)組每次換料大修期間，選取25%數(shù)量的氫復(fù)合器進(jìn)行試驗(yàn)（約5～6臺(tái)）。每臺(tái)參加試驗(yàn)的氫復(fù)合器隨機(jī)抽出相鄰的3片催化板，利用TIRE（試驗(yàn)設(shè)備）進(jìn)行消氫效率試驗(yàn)。如試驗(yàn)結(jié)果不合格，應(yīng)通過(guò)TIRE對(duì)該復(fù)合器所有的催化板進(jìn)行再生處理，經(jīng)再次試驗(yàn)合格后可重新投入使用。

消氫效率試驗(yàn)通過(guò)檢查催化板的自啟動(dòng)性能和消氫能力來(lái)驗(yàn)證其催化活性。試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下執(zhí)行的，即在一定的溫度、一定的氫氣入口體積濃度和流量下進(jìn)行。將試驗(yàn)催化板置于TIRE的加熱柜內(nèi)加熱到50 ℃，通以500l/h流量的試驗(yàn)氣體（空氣中含3%體積濃度的氫氣），通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)出口氫氣體積濃度的變化來(lái)驗(yàn)證催化性能。

非能動(dòng)式氫復(fù)合器消氫效率驗(yàn)證試驗(yàn)利用TIRE完成，該設(shè)備具有檢查（Inspection）和再生（Regeneration）兩種工作模式，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

TIRE的基本組成如下。

一個(gè)可移動(dòng)小推車(chē)，TIRE的其它部分都安置在小車(chē)上，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的自由移動(dòng)。

兩個(gè)具有氣密性的加熱柜，即試驗(yàn)柜和再生柜。

試驗(yàn)柜用于消氫效率試驗(yàn)，由帶密封墊圈的前門(mén)、催化板支架、加熱器、溫度傳感器、測(cè)氫儀、氣體管路以及控制回路等組成。

再生柜用于對(duì)失效催化板的再生處理，由帶密封墊圈的前門(mén)、催化板支架、加熱器、溫度傳感器、再生熱交換器、氣體管路以及排氣口組成。

3 非能動(dòng)氫復(fù)合器的失效模式

催化劑圖層脫落：催化板片在運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程，催化劑圖層存在刮擦。目視檢查每一塊板片的催化劑涂層未覆蓋區(qū)域總面積不超過(guò)5 cm2，單個(gè)催化劑涂層未覆蓋區(qū)域面積不超過(guò)1 cm2。板片最左或最右邊的催化劑涂層未覆蓋區(qū)域不會(huì)影響催化功能。板片上的個(gè)別劃痕是抗磨損性試驗(yàn)的結(jié)果，是可接受的。如果出現(xiàn)較大面積的催化劑圖層脫落將影響消氫性能。

外界環(huán)境影響：催化劑板片的正常顏色應(yīng)為深灰色，由于制造工藝原因，黑色/灰色/褐色都是可接受的。否則應(yīng)檢查顏色變化原因，如因受污或灰塵所致，可用壓縮空氣吹掃。機(jī)組正常運(yùn)行后，催化板片布置在核島廠房，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，催化板片存在油污，會(huì)導(dǎo)致消氫性能下降。

4 結(jié)語(yǔ)

非能動(dòng)氫復(fù)合器是核電廠重要的核安全設(shè)備。作為福島事故后，新增的專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施，各電廠對(duì)于非能動(dòng)氫復(fù)合器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還比較匱乏。各電廠性能試驗(yàn)之間應(yīng)有效溝通和資源共享，這樣既有利于后續(xù)工作的開(kāi)展也便于非能動(dòng)氫復(fù)合器效率試驗(yàn)的持續(xù)改進(jìn)。

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