核電廠硼回收系統(tǒng)除氣塔氫氧混合風險分析

田靈智

【摘 要】日本福島事故后，氫氧混合的預防在業(yè)界得到了更多的關注，本文從核電廠運行角度，簡述了核電廠硼回收系統(tǒng)（TEP）除氣塔為防止氫氧混合所采取的措施，分別從物理設計、邏輯設計、運行操作三個角度進行了具體闡述，并根據(jù)運行經(jīng)驗提出了具體的防止氫氧混合的方法，日常操作中的風險點及其預防措施。

【關鍵詞】氫氧混合;核電廠運行;除氣塔

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）02-0162-002

【Abstract】After the Fukushima accident in Japan，The prevention of hydrogen and oxygen mixing in nuclear power plants has received more attention in the industry. From the perspective of nuclear power plant operation， this paper briefly describes the measures taken by the degassing tower of the Boron water recovery system（TEP）in nuclear power plants to prevent the mixing of hydrogen and oxygen. It is elaborated from three aspects： physical design， logic design and Daily operation. According to the operating experience， the specific methods to prevent the mixing of hydrogen and oxygen， the risk points in daily operation and their preventive measures are proposed.

【Key words】Hydrogen and oxygen mixing; Nuclear power plant operation; Degassing tower

0 引言

在壓水堆核電廠，為限制金屬材料的腐蝕，必須嚴格限制一回路冷卻劑中氧濃度，反應堆功率運行時，一回路冷卻劑由于經(jīng)受以γ射線為主的混合射線的輻照而引起水的輻照分解，為了抑制水的輻照分解而產(chǎn)生對結構材料完整性有害的氧，我們通過向反應堆冷卻劑中加入氫氣。按照技術規(guī)格書要求，水中溶解氫濃度大于20ml（STP）/kg時，一回路的溶解氧濃度即可滿足要求。這使處理一回路廢水增加了氫氧混合風險，一回路廢水由TEP（硼水回收系統(tǒng)）的前貯槽收集，利用TEP除氣塔進行氣水分離（氫氣、氮氣及不凝氣體）后，將廢水排放或回收利用。所以TEP前貯槽、TEP除氣塔就成為了氫氧混合風險的重點關注對象。

1 物理設計角度

從前貯槽到除氣塔都存在著氫氣逸出爆炸的潛在危險，所以安裝在這些房間的電氣設備按防爆要求設計，所有連接點都為焊接，從除氣塔到排氣冷凝器及從排氣冷凝器到TEG（含氫排放系統(tǒng)）壓縮機的管道中的孔板均有等電位的金屬連接片，用來連接孔板的兩側。在每個除氣塔房間排氣管上設計有氫探測器，當氫氣濃度達到0.5%時發(fā)出高1報警，1%時發(fā)出高2報警，在主控室KIT（計算機綜合報警系統(tǒng)）、輔控KSN（三廢處理系統(tǒng)）中均會出現(xiàn)相關報警以提醒及時采取措施。

若出現(xiàn)上述報警則應：

（1）立即通知并匯報工業(yè)安全相關部門，提前做好防氫爆準備;

（2）主控操縱員應密切關注TEP前貯槽、TEP除氣塔壓力變化情況，并執(zhí)行報警卡要求內(nèi)容;

（3）聯(lián)系現(xiàn)場值班員停止TEP相關的操作，安排人員隨身攜帶氫表和氧表去附近房間測量，必要時設置隔離帶或警示帶;

（4）聯(lián)系輻射防護人員就地檢測是否有放射性氣體或液體外漏;

（5）聯(lián)系儀控人員確認儀表通道是否正常可用，是否有誤報的可能;

2 邏輯設計角度

TEP除氣塔是利用狀態(tài)控制來實現(xiàn)氫氧分離的，共設計三種氣體吹掃狀態(tài)，分別為“狀態(tài)3：氮氣吹掃至含氧廢氣”、“狀態(tài)8：氮氣吹掃至含氫廢氣”及“狀態(tài)9：強制氮氣吹掃”。

狀態(tài)3：氮氣吹掃至含氧廢氣，即為除氣塔在首次啟動或停運檢修后從狀態(tài)0（冷停運）重新啟動，此時除氣塔檢修過程中有過開口工作，則其內(nèi)為含氧環(huán)境，用除鹽水充水，在經(jīng)過狀態(tài)2（加熱除氧）60分鐘后，在狀態(tài)3利用氮氣對其氣相向含氧排氣吹掃15分鐘后，則認為此時除氣塔已經(jīng)完全氮氣覆蓋。

狀態(tài)8：氮氣吹掃至含氫廢氣，則是在除氣塔從狀態(tài)0（冷停運）啟動不經(jīng)狀態(tài)5（生產(chǎn)）直接進入狀態(tài)6（熱備用）或經(jīng)狀態(tài)5（生產(chǎn)）結束后轉(zhuǎn)入狀態(tài)6（熱備用）之前進行的氮氣吹掃15分鐘，目的是掃除其內(nèi)殘余的氫氣，使其在氮氣覆蓋環(huán)境下進行熱備，防止可能的氫氣泄漏。

狀態(tài)9：強制氮氣吹掃，通過一個開關（TEP035TL）能讓運行人員進行除氣塔的氮氣吹掃，并使排氣通向含氫廢氣，該程序用于除氣塔維修前，將除氣塔在氮氣覆蓋環(huán)境下進行開口維修。

狀態(tài)3與狀態(tài)8均為邏輯控制，吹掃時間均為15分鐘，經(jīng)過設計計算，不存在氫氧混合風險。狀態(tài)9的強制吹掃并未在邏輯上明確吹掃時間，設計上由運行人員自行控制吹掃時間，按照運行規(guī)程要求，對除氣塔的強制吹掃為每次5分鐘，共執(zhí)行兩次，然后對氣相取樣分析氫濃度，以氫濃度<2%為標準，決定是否重復吹掃操作，如果取樣合格，則人為將除氣塔置于停運位置（狀態(tài)0置位），認為此時除氣塔不存在氫氧混合風險。

狀態(tài)9的邏輯設計：當狀態(tài)9復位時，則狀態(tài)9置位信號會被復位，其他狀態(tài)設計上也是如此，但是在除氣塔處于狀態(tài)0（冷停運）、1（進料）、2（加熱除氧）、3（氮氣吹掃至含氧廢氣）時，則沒有相應狀態(tài)的復位信號，此時TEP035TL不起作用，即在狀態(tài)0、1、2、3時，除氣塔是無法進入狀態(tài)9進行強制氮氣吹掃的，系統(tǒng)認為此時除氣塔為含氧環(huán)境，而狀態(tài)9是向含氫排氣吹掃，故邏輯上有此閉鎖。

那么，如果除氣塔在停運時由于取樣錯誤或者取樣誤差，沒有吹掃至氫氣濃度<2%而將除器塔置于停運（狀態(tài)0），此時就無法再次進行氮氣吹掃，如果除氣塔進行開口工作，則有氫氧混合風險。

在實際運行中，為規(guī)避上述風險則應：

（1）除氣塔停運操作時，如果一次取樣合格，那么可以將除氣塔靜置一段時間（十分鐘以上），再次取樣分析氫含量，如果結果合格，才將除氣塔置狀態(tài)0，防止除氣塔置位后氫含量高卻無法吹掃（只能通過強制相關閥門的方式吹掃，非常規(guī)操作，風險高）。

（2）除氣塔強制氮氣吹掃前，一定先檢查此時除氣塔處于狀態(tài)6（溫度約109℃，壓力在30～47KPa，g之間），即除氣塔處于當前壓力下的飽和溫度，以使除氣塔內(nèi)溶解在水中的氣體能夠充分釋放，以使氮氣吹掃效果達到最好，防止停運后，水中溶解的氫氣再次釋放。

（3）雖然邏輯上允許除氣塔處于非狀態(tài)0、1、2、3時，利用TEP035TL強制進行氮氣吹掃，但是為防止除氣塔內(nèi)水處于未飽和狀態(tài)，導致吹掃不完全，故非緊急情況下，盡量不要在其他狀態(tài)下進行強制氮氣吹掃。

（4）一旦除氣塔已經(jīng)置狀態(tài)0后，則需要密切關注其壓力變化，并及時補氮，防止由于冷卻形成負壓，有空氣進入風險，如果吹掃不合格，則會造成氫氧混合，所以非緊急情況下不要進行強制冷卻。

3 運行操作角度

除氣塔狀態(tài)6（備用）時，其內(nèi)部壓力是通過控制蒸汽進入量，根據(jù)除氣塔溫度定期加熱來保證除氣塔的正壓。如果在蒸汽冷凝罐排水不暢時，則加熱蒸汽無法正常進入除氣塔，將導致除氣塔壓力下降。而除氣塔的補氮閥門都是按照狀態(tài)控制的邏輯來進行開關的，并沒有壓力低開閥信號，這就導致除氣塔極有可能出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，由于除氣塔本身是按照能夠承受微負壓設計的，故短時間內(nèi)對設備本身并無危害，但是如果除氣塔有開口就會造成外部空氣進入，造成氫氧混合。

除氣塔自動停運信號中有液位信號高（+238mm）、低（-130mm）。所以在除氣塔啟動前如果液位較高，則需要開啟除氣塔底部排水閥進行排水，經(jīng)驗反饋中，已出現(xiàn)過在除氣塔加熱蒸汽排水不暢時，開啟排水閥導致空氣進入引起氫氧混合的情況發(fā)生。

為此運行時應遵守：

（1）除氣塔液位高排水時先檢查除氣塔狀態(tài)，確認水位及壓力處于狀態(tài)6的要求范圍內(nèi)，否則應先查找蒸汽無法進入的問題，恢復塔內(nèi)壓力，然后再考慮排水;

（2）排水過程中，應密切監(jiān)視除氣塔內(nèi)壓力及液位，壓力不能低于15KPa，g，否則暫停排水，等待蒸汽加熱至正常壓力后再排水;

（3）當液位接近目標值時，應提前停止排水操作，因除氣塔的液位計有平衡罐，信號傳遞有一定滯后性，所以應留有調(diào)節(jié)余地。

4 總結

氫氧混合一直是工業(yè)生產(chǎn)中重點關注的風險之一，日本福島核事故之后，對氫氧混合的研究在核電領域得到了業(yè)界的進一步重視，因此要更多的加以關注和研究，以防止任何可能威脅核安全的誘因產(chǎn)生，文章從運行操作角度對TEP除氣塔的氫氧混合風險加以分析說明，結合運行經(jīng)驗為核電廠運行中TEP除氣塔的氫氧混合預防提供了依據(jù)和可行的方法。

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