核電廠壓空管網異常運行與波動特征

于澤生

中核遼寧核電有限公司 遼寧 葫蘆島 125000

前言

壓空系統管網根據重要性劃分為不同等級的區域，在異常工況下將逐步隔離次要區域，優先保證重要區域供氣。壓空管網有總體的供氣流量平衡，在壓力變化和壓力波動方式上也有相應特征。

1.核電廠壓空管網總體介紹與異常工況運行

1.1 管網布置

對于M310核電機組，壓空管網依托地下廊道遍布核島、常規島和外圍的各個廠房。其中SAP為壓縮空氣生產系統，主要設備包括主空壓站內的主空壓機、干燥器和儲罐，分別位于5、6號機核島的應急空壓機、干燥器和儲罐，以及地下廊道內通向各個廠房前的管道。對于用戶壓空管網，由主空壓站生產出的壓空分別供給儀用壓縮空氣分配系統（SAR）和公用壓縮空氣分配系統（SAT）。SAR的主要用戶為氣動閥門、儀表和氣封裝置等；SAT的主要作用為系統吹掃、提供正壓和氣動泵動力，SAT在各個預期用氣的房間內設置快速接頭，用于接設臨時用氣設備[1]。

1.2 壓空系統異常工況運行

在兩臺機組的核島廠房W214、W254房間內分別設置由兩臺應急空壓機，當管網壓力下降至低值（0.68/0.66MPa）時應急啟動，為SAR管網供氣。根據壓空的功能和重要程度，壓空管網可劃分為以下四個等級，當發生壓力下降的異常工況時，根據壓降嚴重程度，自動切除低優先級管網、啟動應急空壓機。

當壓力低于0.76MPa時，為常規島/外圍廠房公用壓空供氣的5M1/6M2SAT002VA自動關閉，切除該區域負荷。如果壓力繼續下降，當降低到0.68MPa時，將啟動處于基本負荷狀態的應急空壓機；降低到0.66MPa時，將啟動第二臺處于備用狀態的應急空壓機。應急空壓機啟動后，為防止逆止閥失效導致應急空壓機供氣流向可能存在漏點的SAT區域，將人為關閉5M1/6M2SAP069VA，切斷SAR管網與上游聯系。若此時壓力依然無法維持，下降至0.58MPa時，氣動調閥5M1/6M2SAP067VA將接受經PID計算得到的開度指令進行動作，管網壓力越低關閉速度越快，直至全關，切除常規島/外圍廠房儀用壓空，但即使壓力為零的情況下閥門全關也需要約20min[2]。

2.壓空管網波動特征

2.1 空壓機加卸載與壓空總流量平衡

田灣5、6號機組主空壓機和應急空壓機均為無錫壓縮機股份有限公司供貨的無油螺桿式空壓機，工作原理為壓縮機氣缸內平行配置的互相嚙合的陰、陽轉子作反方向旋轉，從而使處于轉子齒槽之間的容積產生周期性的變化，隨著轉子旋轉，齒槽不斷完成吸氣、容積封閉、容積壓縮和排氣過程，最終完成壓縮空氣的平穩連續產出。

由于空壓機轉速一定，產氣量為恒定值，主空壓機為0.9MPa下35m3/min，應急空壓機為0.9MPa下25m3/min，但是壓空管網總體用氣量在各個工況下并不相同，為了平衡供氣量和耗氣量，空壓機設置了加載運行和卸載運行模式，加、卸載運行通過位于空壓機進氣管線上的減荷閥和空壓機本體出口的壓力傳感器控制。當空壓機保持卸載運行使壓力下降到加載值時，空壓機開始進行加載運行，減荷閥打開，空壓機以額定流量輸出壓空；當空壓機持續加載使壓力上升到卸載值時，空壓機開始進行卸載運行，減荷閥關閉，只有極少量空氣進入，防止氣缸真空度過大使排氣溫度過高，空壓機不對外輸出壓空。所以，在空壓機正常加卸載運行期間，壓空流量平衡的關系為：

在該式中，耗氣流量在不進行吹掃等特定工作時較為穩定，相當部分用于管網泄漏的補償。當管網供需關系達到穩態進行周期性波動時，空壓機在完整波動周期內的累計加載運行時間即與耗氣流量成正比。

2.2 壓空管網壓力波動方式

受空壓機加卸載、管網壓空儲罐和逆止閥、以及耗氣流量的影響，近空壓機側上游管網和下游末端管網的壓力波動特點有顯著的不同。整體呈現上游波動大、平均壓力高，下游波動小、平均壓力低的特點。以各廠房內用戶管網儲氣罐的前的逆止閥為邊界，上游管網指主空壓站壓空設施和從主空壓站通向各廠房在廊道內管道，下游管網為各個廠房內用戶管道管網。

2.2.1 近主空壓機上游管網波動方式

表1 壓空系統切除管網方式

對于上游管網，流量為全廠耗氣需求流量，壓空供求關系的改變會迅速體現在壓力變化上。在廠內無極端用氣變化時，總耗氣流量變化較小，上游壓空管網壓力波動方式直接取決于空壓機加卸載運行狀態。

在空壓機卸載期間，上游管網處于一種“自由落體”狀態。在無逆止閥阻攔的路徑中，管道內殘存的壓空將從壓力高點，一般為壓空儲罐，流向壓力低點。這一現象在主空壓機出口的濕壓空儲罐最為明顯。該儲罐與空壓機間不設置逆止閥，目的就是使濕儲罐與上游壓力共同變化，在空壓機卸載期間反向向空壓機出口處補氣，減緩該處壓力下降的速率，保證一定的卸載時間，防止空壓機過于頻繁地加卸載切換。在干燥器預過濾器持續排污、空壓機內部管線泄漏和下游其他儲罐的緩沖等因素的作用下，濕儲罐在卸載期間的壓力下降速率要遠高于其下游地點的壓力下降速率，這就導致空壓機卸載時間的長短幾乎不受管網總體耗氣量變化的影響，而是主要取決于濕儲罐的容量、加卸載值區間大小和附近設備管道的漏氣量這些正常不會改變的參數，故主空壓機在各種工況下的卸載時間基本不變，約為30s。

2.2.2 上游管網壓力波動方式

對于上游管網，其一個完整的壓力波動周期并不是一個加載與一個卸載的循環，而是多個加卸載循環組成的一個較長時間跨度的波動，這種現象的主要原因就是壓空壓力的傳遞在廣泛分布且布置曲折的核電廠壓空管網中有一定滯后性。在已經減緩了空壓機加卸載導致的劇烈波動的ZC干儲罐下游，主要為廊道內的通向各個廠房的0SAP管線內，如圖1中代表TW2SAT201MP壓力變化趨勢的第一條紅色趨勢線所示，雖然壓力傳感器所在位置仍能明顯地顯示出主空壓機加卸載造成的壓力影響，但壓力的整體變化趨勢已經形成一個獨立的波動規律，即每3-4個連續的短加載和1個長加載組成一個完整波動周期，時長約20min。在連續短加載期間，整體壓力趨勢處于波峰，上游管網壓力梯度建立后繼續短暫加載即可達到卸載值；在長加載期間，整體壓力趨勢處于波谷，上游管網壓力梯度建立后仍需一段較長時間的加載才能達到卸載值。

圖1 壓空管網壓力波動趨勢圖

2.2.3 下游管網壓力波動方式

對于下游管網，其波動的方式按照整體耗氣量的大小分為兩種情況。

當下游管網整體耗氣量較大時，其對上游管網的依賴性高、關聯性強，其整體性波動特征與上游管網相同，但不可避免是下游管網的空壓機加卸載的瞬間波動離空壓機距離越遠特征越弱。如在圖1中，最下方黃色線的為6M2SAR151MP的趨勢圖，體現了6號機常規島儀用壓空母管壓力在調試期間某一時段管線的波動方式，因為調試期間該區域管網耗氣量較大，其整體性的波動特征仍與上游管網的6M2SAT201MP的整體性波峰波谷保持一致。但因為管道距離距主空壓機較遠，已處于末端管網，空壓機加卸載瞬時造成的壓力突變已幾乎完全消失，曲線接近圓滑。

當下游管網整體耗氣量較小時，其對上游管網的依賴性低、關聯性弱，其整體性波動特征不同于上游管網，呈現出獨立的整體性波動特征。如圖2中的紫色和黃色曲線，分別代表5號機下游管網上5M1SAP001MP和5M1SAR151MP的壓力波動趨勢；最上方的紅色線為5M1SAT201MP，反應的是位于上游的廊道壓空的壓力變化。在趨勢圖所在的時期，5號機處于正常運行狀態，整體耗氣量較小，而6號機處于集中調試期間，占用了主空壓機的主要耗氣份額。

圖2 壓空管網壓力波動趨勢圖

3.結論

核電廠壓空系統通過壓力監測并根據用戶重要程度建立不同保障程度的壓空管網。同時，壓空管網作為一個開式系統，其不同區域的壓力水平與供氣和耗氣流量緊密相連，且受管道管徑和位于管網位置的顯著影響。可以通過對壓力波動趨勢的監測對整個壓空管網對運行狀態進行總體評估，進而確定供氣可靠程度并有利于發現潛在漏氣點，壓空系統穩定運行作為核電站核安全縱深防御的重要一環，對于整個電站的平穩運行有著重要的意義。