核電站壓縮空氣系統研究與分析

康樂嘉　李康樂

【摘 要】壓縮空氣系統是核電廠重要的全廠性公用系統，本文以ACP1000堆型核電站壓縮空氣系統設計方案為基礎，從系統功能、流程及設備類型等方面出發，通過對不同工況下壓縮空氣流量需求，分析并研究了壓縮空氣系統設計和設備選型、布置方案的安全性、合理性和先進性。并通過與其他堆型核電站的對比分析，提出了系統優化觀點，從而為以后的核電機組壓縮空氣系統設計提供經驗以作參考。

【關鍵詞】核電站；壓縮空氣系統；空壓機；設備布置

0 前言

核電站壓縮空氣系統是核電廠重要的全廠性公用系統，其為核電廠核島、常規島和BOP子項在正常運行、事故、調試、檢修維護工況下提供壓縮空氣動力氣源。系統雖不執行安全功能，但是需要其在事故工況下為某些安全級系統在執行安全功能時提供儀表用壓縮空氣動力氣源。因此系統應具有足夠的供氣能力，并且運行穩定可靠，能保證事故情況下的持續供氣能力，同時設計應節能、環保，方案先進合理。

1 系統流程

1.1 空壓機啟動方案

正常運行狀態下，主空壓站的四臺空壓機中的兩臺運行，以保證向WAS、WAI系統的正常供氣。在負荷高峰時，所有設備會全部投入工作。供氣管網的壓力變化范圍是0.86～1.0MPa（abs）。

應急空壓機配備應急電源供電。空壓機具有順序控制、定期自動切換的功能。壓縮機組及其輔助設備發生故障后自動切換。

1.2 WAI系統安全級儲罐功能

WAI系統設有許多安全級儲罐來為RCV等安全級系統在執行安全功能時提供儀表用壓縮空氣，反應堆廠房內安裝一個向RCV化學和溶劑控制系統控制儀表供氣的WAI003BA貯氣罐，其所貯氣量足以滿足RCV系統的控制閥在冷停堆過渡24小時過程中向RCV系統控制儀表供氣，使反應堆達到冷停堆狀態。

反應堆廠房還設有兩個小的貯氣罐WAI008BA和WAI009BA，向核取樣系統的RNS101VP/RNS102VP供氣。

電氣廠房內設置一臺貯氣罐WAI016BA，保證TSA汽機旁路系統大氣泄壓閥在失去氣源情況下的正常運行，并使反應堆達到冷停堆狀態，以及在失去電源情況下10小時的正常運行。相關的緩沖罐的容量可保證所述閥門的兩次全開和全關操作的用氣量。

為預防TFA輔助給水系統汽動泵調節閥在失氣工況下不可調，設置023BA/024BA/025BA貯氣罐。

2 主要設備選型和技術參數

2.1 空氣壓縮機

壓縮空氣的分配管網按最大工作壓力1.0MPa（abs），最高工作溫度50℃進行設計。在特殊情況下的用氣量：電廠運行時WAS系統瞬時最大流量2900m3/h；安全殼壓力試驗最大流量6300m3/h。

WAI系統氣動控制裝置用儀表壓縮空氣以及WAS系統一些維修氣動工具使用的壓縮空氣，均對壓縮空氣品質有品質要求。其中WAI氣體要求為無油壓縮空氣。空壓機配套的各級過濾器發揮不同的功能作用，來保證最終的產氣質量。儀表用壓縮空氣要求品質最高，無論壓縮空氣由主空壓機生產還是應急空壓機生產，均經過靠近用戶的應急空壓機站的干燥器、過濾器處理才供應儀表使用，有利于保證儀表用氣品質，提高用氣閥門的安全可靠性。

ZC廠房內四臺主空氣壓縮機的容量須能保證：當兩臺主空壓機運行時，能滿足一臺核電機組運行而另一臺停運時所需要的WAI和WAS系統流量；當四臺主空壓機運行時，能滿足反應堆安全殼壓力試驗時的流量要求。

空壓站配置多臺空壓機組聯合工作，空壓機組根據空壓機壓力信號和負荷來控制啟停的臺數，滿足核電站不同工況下對供氣的要求，方案合理，節約能耗。

2.2 干燥器

本案例核電工程空壓機組采用了無熱再生式吸附空氣干燥器，滿足工程使用要求。目前有新型的冷凍式空氣干燥器與吸附式空氣干燥器設計為一體化的空氣干燥器，兼有冷凍式能耗低和吸附式干燥程度高的優點，并且占地面積更小、配管簡單、使用方便，可顯著節約能耗，在今后的核電站工程設計中可進行調研優化。

2.3 儲氣罐

壓縮空氣系統設置緩沖罐以減少系統氣流波動并貯存一定的氣量。對于安全重要的驅動裝置所需的壓縮空氣，設有專用的儲氣罐來保證其在臨時失氣情況下執行相應的安全功能。

貯氣罐應根據其所承擔的功能進行設備分級，如WAI003BA貯氣罐應按安全3級，抗震I類，質保Q2。

貯氣罐容積應根據所服務的所有氣動控制裝置等用氣設備的最大耗氣量、需持續時間、允許的最低工作壓力、最不利停電時氣罐內壓力（備用空氣壓縮機失效時）來確定，并考慮適當余量。

3 設備布置

四臺主空氣壓縮機、四組干燥裝置及一個貯氣罐安裝在ZC廠房的空氣壓縮機房內，每臺主空氣壓縮機生產的壓縮空氣在進入系統之前由設在ZC機房內的干燥器予以干燥；四臺冷卻水泵安裝在ZC廠房的水泵間；兩臺冷卻塔安裝在壓縮機房的屋頂上。一個10m3的空氣貯罐設置在ZC廠房內，以緩沖系統中的壓力波動，并提供少量的儲備容量。

應急空氣壓縮機和干燥器以及兩個緩沖罐安裝在每臺核電機組的應急空壓機房內，為儀表用壓縮空氣分配系統提供后備氣源。一臺帶基本負荷的應急空壓機根據壓縮空氣生產系統壓力的下降程度自動啟動，另一臺則處于備用狀態。應急壓縮空氣干燥器確保供給儀表用壓縮空氣分配系統的氣體達到預期的露點要求。將應急空壓機站設置在安全性更高的核島廠房，設計上具有更高的安全性。

4 與其他核電站的對比分析

1）不同于一般核電工程2個機組共用一個壓縮空氣站。在福清1/2和3/4工程中考慮到工程建設周期接近的因素，進行了設計優化，將四臺機組共建一個壓縮空氣站，設置6臺無油水冷空氣壓縮機組（四臺250kW，兩臺300kW），降低了土建和設備投資，節省了建設用地。

2）與M310機組相比，ACP1000的設計中，將WAP的兩臺儲氣罐都設置在了應急空壓機房（M310中干燥器出口的儲氣罐設置在L廠房），有利于設備和管道布置；另根據事故工況下穩壓器氣動泄壓閥RCS030/031/032VP供氣要求，需增設三個8.75m3安全級儲氣罐。

3）根據某些工程調試過程反饋，氣動控制裝置大量接頭采用銅質管道管件，其優點是安裝較為方便，缺點是如安裝精度不夠，會導致很多漏氣，密封性受到影響。由于管道的泄露會導致儲氣罐貯存氣量泄露，供氣時間低于設計值，從而影響安全供氣，因此此問題在后續設計中需要關注改進。安全等級較高的儀表供氣管道，為保證安全，應盡可能采用焊接連接形式。

【參考文獻】

[1]中廣核工程有限公司.壓水堆核電廠核島設計[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]吳德榮.化工工藝設計手冊[S].北京：化學工業出版社，2009.

[責任編輯：田吉捷]