提升核電廠核空氣凈化系統(tǒng)可靠性的策略研究

張 鐸，高 陽(yáng)，尹利波，張 俊，強(qiáng)振華

提升核電廠核空氣凈化系統(tǒng)可靠性的策略研究

張 鐸，高 陽(yáng)，尹利波，張 俊，強(qiáng)振華

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518057）

核電廠核空氣凈化系統(tǒng)的性能關(guān)乎事故工況下主控室可居留性和電廠排氣放射性水平，其運(yùn)行的可靠性受系統(tǒng)管路的密封性、碘吸附器性能、高效過濾器性能、電加熱器控制策略、火災(zāi)報(bào)警正確率等方面的影響。本文從系統(tǒng)可靠性相關(guān)的各個(gè)方面進(jìn)行研究并提出改進(jìn)策略，以期提高核電廠核空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

核電廠；核空氣凈化；碘吸附器；可靠性

核電廠核空氣凈化系統(tǒng)是保證正常及事故工況下主控室可居留性以及核電廠向環(huán)境排放的放射性水平不高于管理限值的關(guān)鍵設(shè)施。其核心組件為碘吸附器、高效過濾器、電加熱器、風(fēng)管、風(fēng)機(jī)、火災(zāi)報(bào)警裝置等。其中，風(fēng)機(jī)是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的動(dòng)力源，碘吸附器用于吸附凈化放射性131I及其化合物，高效過濾器用于過濾凈化放射性氣溶膠，電加熱器則是保證所處理的氣體能夠在設(shè)計(jì)溫度和相對(duì)濕度下通過這兩個(gè)凈化組件而得到合理的凈化。風(fēng)管的密封性可保證系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)受到非相關(guān)區(qū)域氣體的影響或?qū)⑺幚淼臍怏w泄漏至不合適的區(qū)域，火災(zāi)報(bào)警裝置則是為了保證碘吸附器中的浸漬活性炭不會(huì)因非預(yù)期的熱量積聚引發(fā)火災(zāi)。

核空氣凈化系統(tǒng)關(guān)鍵組件碘吸附器的凈化效率受溫度、濕度、氣流速度、活性炭的老化與腐蝕以及運(yùn)行時(shí)間等因素影響[1]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)研究表明，碘吸附器凈化效率會(huì)隨著氣流相對(duì)濕度升高而降低[2,3]，特別是相對(duì)濕度超過60%后，凈化效率會(huì)有明顯的降低。但相對(duì)濕度過低會(huì)使活性炭浸漬劑發(fā)生氧化反應(yīng)，降低化學(xué)過濾效果，導(dǎo)致碘吸附器過濾能力下降，一般控制在30%～40%范圍內(nèi)為宜。此外，因活性炭老化、周邊環(huán)境差、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等因素導(dǎo)致碘吸附器效率不合格的案例也屢有發(fā)生，對(duì)核空氣凈化系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生較大影響。

除了碘吸附器凈化效率，核空氣凈化系統(tǒng)潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、電加熱器火警保護(hù)頻繁誤觸發(fā)等，也會(huì)影響系統(tǒng)可靠性。

本文結(jié)合多個(gè)核電廠經(jīng)驗(yàn)反饋，就影響核空氣凈化系統(tǒng)可靠運(yùn)行的諸多因素，重點(diǎn)從管路密封保證、電加熱器控制、消防探測(cè)優(yōu)化等方面開展對(duì)提升核電廠核空氣凈化系統(tǒng)可靠性策略的研究。

1　管路密封性的提升

華南地區(qū)某核電機(jī)組主控室通風(fēng)系統(tǒng)核空氣凈化回路曾因管路密封不嚴(yán)問題，致使大量水氣積聚，導(dǎo)致碘吸附器長(zhǎng)期處于不利的保養(yǎng)條件下。為防止相對(duì)濕度較高的氣流侵入碘吸附器內(nèi)部影響其凈化效率，RCC-M規(guī)定了不同質(zhì)量等級(jí)的風(fēng)管和風(fēng)閥的氣密性水平。

以大亞灣核電廠主控室通風(fēng)系統(tǒng)為例，碘吸附器上下游風(fēng)管均設(shè)計(jì)為碳鋼氣密型風(fēng)管，且新風(fēng)入口處設(shè)有氣密型隔離風(fēng)閥，密封性滿足RCC-M相關(guān)要求。國(guó)內(nèi)核電二代主流堆型CPR1000氣密型風(fēng)管采用的密封標(biāo)準(zhǔn)高于大亞灣核電廠，而三代核電機(jī)組，對(duì)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)做了進(jìn)一步提升，具體數(shù)據(jù)如表1所示，這更有利于維持核空氣凈化系統(tǒng)在備用狀態(tài)下的保養(yǎng)條件。

表1　通風(fēng)管路密封性要求

盡管有RCC-M相關(guān)要求，但受制于設(shè)備設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)核電機(jī)組對(duì)于氣密型隔離風(fēng)閥的內(nèi)漏率，并未制定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)法在線判斷是否滿足泄漏率的要求。國(guó)內(nèi)某三代核電廠規(guī)定了對(duì)氣密型隔離風(fēng)閥密封墊進(jìn)行定期目視檢查，如遇密封墊損壞、脫落等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)更換以確保其隔離有效性，但由于無(wú)法定量判斷隔離風(fēng)閥的密封性能，仍然存在因密封不嚴(yán)導(dǎo)致碘吸附器回路濕度升高的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)外某三代核電廠采用了帶有泄漏率定期試驗(yàn)接口的氣密型隔離風(fēng)閥，能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏率的在線測(cè)量，可考慮在國(guó)內(nèi)核電廠予以引進(jìn)，以有效監(jiān)測(cè)隔離風(fēng)閥的密封性能。其設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

除此之外，在工程施工階段，如具備條件，可關(guān)閉碘吸附器上、下游的隔離風(fēng)閥，進(jìn)行整體打壓，以排查泄漏點(diǎn)并進(jìn)行處理，可有效提升回路密封性。

工程實(shí)踐表明，當(dāng)核空氣凈化系統(tǒng)密封性得到保障時(shí)，可以取消碘吸附器外殼保溫加熱器、日常干燥保養(yǎng)壓縮空氣等相關(guān)設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加精簡(jiǎn)、可靠性更高。

圖1　一種氣密型隔離風(fēng)閥示意圖

Figure 1The sketch for the reinforced isolation damper

2　電加熱器控制優(yōu)化

核空氣凈化系統(tǒng)通常在碘吸附器上游設(shè)置有電加熱器，用以降低流經(jīng)碘吸附器空氣的相對(duì)濕度，減小對(duì)碘吸附器凈化效率的影響。本文分析了核電廠核空氣凈化系統(tǒng)電加熱器現(xiàn)有控制方法的特點(diǎn)及其局限性，通過理論分析并結(jié)合工程實(shí)踐，提出電加熱器控制的優(yōu)化策略。

2.1　電加熱器控制方法應(yīng)用現(xiàn)狀

核電廠核空氣凈化系統(tǒng)電加熱器現(xiàn)有控制方法主要有三種：

（1）隨濕度開關(guān)啟停的開關(guān)型電加熱器

（2）隨風(fēng)機(jī)啟停的開關(guān)型電加熱器

（3）隨風(fēng)機(jī)啟停的PID閉環(huán)控制型電加熱器

在不同的控制方式下，電加熱器下游溫度變化趨勢(shì)如圖2所示。由趨勢(shì)圖可見：第（1）種控制方式下，電加熱器會(huì)頻繁啟停，且電加熱器下游空氣溫度呈鋸齒形，參數(shù)不穩(wěn)定；第（3）種控制方式下，加熱器功率由PID控制器根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，可將加熱器下游溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，參數(shù)品質(zhì)較好，并可避免加熱器的頻繁啟停；第（2）種控制方式的加熱器下游溫度隨入口氣流參數(shù)變化而變化，圖2中未進(jìn)行顯示。

圖2　不同控制策略下空氣參數(shù)特性曲線示意圖

Figure 2The sketch of air property curves under different control strategies

MZ：濕度監(jiān)測(cè)儀表，MT1、MT2：溫度監(jiān)測(cè)儀表，1、3分別代表第（1）、第（3）控制方式

比較而言，第（2）、（3）種控制方式下的電加熱器運(yùn)行較穩(wěn)定，下游空氣參數(shù)相對(duì)較好，但在可靠性方面仍然存在局限性。例如，第（2）種控制方式在系統(tǒng)某些工況下切列運(yùn)行時(shí)，由于空氣流量不匹配，會(huì)出現(xiàn)下游空氣溫度過高而導(dǎo)致火警觸發(fā)。而第（3）種控制方式下，電加熱器出口溫度設(shè)定值是根據(jù)假想事故工況下最不利的入口空氣參數(shù)（相對(duì)濕度較高，最高可達(dá)100%），并考慮一定裕量后確定的，而多數(shù)情況下，電加熱器入口的空氣溫度、相對(duì)濕度均低于假想事故工況最不利的設(shè)計(jì)選用參數(shù)，而出口溫度設(shè)定值不變，會(huì)導(dǎo)致下游空氣相對(duì)濕度過低，從而影響到碘吸附器的性能。

2.2　電加熱器控制策略優(yōu)化

國(guó)內(nèi)三代核電機(jī)組核空氣凈化系統(tǒng)中電加熱器主要采用第（2）、（3）種控制方式。針對(duì)第（2）種控制方式的開關(guān)型加熱器，應(yīng)從設(shè)計(jì)上考慮電加熱器選型與不同工況下空氣流量的匹配性，優(yōu)化工況切換時(shí)通風(fēng)量與碘吸附器回路及配套電加熱器的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

以下主要就第（3）種控制方式，即PID閉環(huán)控制型電加熱器的控制，提出優(yōu)化策略。如圖3所示，在電加熱器控制邏輯中引入一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)()，根據(jù)入口空氣實(shí)時(shí)參數(shù)，通過()換算，實(shí)現(xiàn)電加熱器出口溫度設(shè)定值的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其更加適應(yīng)實(shí)際工況，以提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖3　溫度設(shè)定值優(yōu)化后邏輯框圖

Figure 3The logic block diagram after optimization of temperature set values

MT1、MT2：溫度監(jiān)測(cè)儀表，3代表第（3）種控制方式

本文結(jié)合熱力學(xué)基本原理和工程經(jīng)驗(yàn)，給出一種簡(jiǎn)便的（）確定方法以滿足工程應(yīng)用需求。具體步驟如下。

（1）根據(jù)核電廠實(shí)際控制要求，確定電加熱器出口空氣相對(duì)濕度控制目標(biāo)RHout（一般在30%～40%范圍內(nèi)為宜）；

（2）參考電加熱器入口空氣相對(duì)濕度范圍，并考慮一定裕量，確定入口空氣相對(duì)濕度值RHin，保守起見，對(duì)于反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部以及有室外新風(fēng)的核空氣凈化系統(tǒng)，最大可選用100%；

（3）在入口空氣溫度范圍內(nèi)，按照一定間隔，選取若干溫度點(diǎn)，并落在焓濕圖RHin“等濕線”上，沿“等含濕量線”，在RHout“等濕線”上獲取對(duì)應(yīng)的出口溫度目標(biāo)值；

（4）根據(jù)獲取的出口溫度目標(biāo)值，擬合出()函數(shù)。

以國(guó)內(nèi)某三代核電主控室通風(fēng)系統(tǒng)為例，電加熱器出口空氣相對(duì)濕度目標(biāo)值RHout取35%，入口相對(duì)濕度RHin取100%，入口溫度區(qū)間為3～34 ℃。

按照一定溫度間隔選點(diǎn)，沿“等含濕量線”將空氣加熱至35%相對(duì)濕度線，構(gòu)成的區(qū)域如圖4綠色陰影區(qū)域。不同入口溫度對(duì)應(yīng)的電加熱器出口溫度設(shè)定值如表2所示。

圖4　主控室通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器工作區(qū)域示意

Figure 4The sketch of the electrical heater working zone for the ventilation system of main control room

結(jié)合圖4和表2，可大致擬合出電加熱器出口溫度設(shè)定值與入口溫度的轉(zhuǎn)換函數(shù)為：()=+18。

表2　入口溫度與電加熱器出口溫度設(shè)定值關(guān)系

經(jīng)實(shí)踐證明，該優(yōu)化策略在保證核空氣凈化回路相對(duì)濕度控制目標(biāo)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電加熱器出口溫度隨入口空氣參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，避免過熱、過干現(xiàn)象，可有效降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，減少低濕度情況下對(duì)碘吸附器活性炭性能的影響，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3　消防探測(cè)可靠性提升

核空氣凈化系統(tǒng)中使用的碘吸附器活性炭裝載量很大，其火災(zāi)荷載不容輕視。系統(tǒng)中通常設(shè)置有溫度開關(guān)，用以檢測(cè)電加熱器和碘吸附器的溫度，超過設(shè)定溫度后產(chǎn)生報(bào)警并啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)或響應(yīng)。

消防探測(cè)方面，RCC-I《壓水堆核電廠防火設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》（1997）中，規(guī)定在電加熱器和碘吸附器之間設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測(cè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

然而，由于電加熱器控制邏輯及溫度傳感器選型、布置與設(shè)定值等問題，存在頻繁導(dǎo)致碘吸附器回路消防報(bào)警、影響核空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的現(xiàn)象；電廠因火警觸發(fā)，頻繁啟動(dòng)火災(zāi)應(yīng)急處理規(guī)程，還造成人力資源浪費(fèi)。

建議采取如下舉措，提升消防探測(cè)可靠性：

（1）工程設(shè)計(jì)階段，要考慮消防探測(cè)溫度傳感器與通風(fēng)溫度開關(guān)的差異性，結(jié)合風(fēng)管內(nèi)溫度分布情況，做好儀表選型與布置；

（2）工程調(diào)試期間，應(yīng)對(duì)溫度傳感器安裝位置的溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)合設(shè)計(jì)文件，對(duì)報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化；

（3）在碘吸附器下游設(shè)置感煙探測(cè)器，采取不同類型的探測(cè)器判斷是否存在真火情，從而采取不同等級(jí)的應(yīng)急響應(yīng)；

（4）優(yōu)化風(fēng)機(jī)停運(yùn)延時(shí)時(shí)間，應(yīng)兼顧電加熱器余熱排出與流經(jīng)碘吸附器氣流濕度變化（不高于60%）。

4　其他提升可靠性的手段

除管路密封性、電加熱器控制、消防探測(cè)可靠性之外，還有很多影響核空氣凈化系統(tǒng)可靠性的因素，比如活性炭老化、中毒、機(jī)械泄漏、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)、電源切換導(dǎo)致通訊故障等，這些問題在機(jī)組首次裝料至首個(gè)燃料循環(huán)結(jié)束前尤為突出，需加以改進(jìn)。具體如下：

（1）廠房新刷油漆后的一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)盡量避免安裝或啟動(dòng)碘吸附器，防止活性炭老化、中毒；

（2）工程安裝、調(diào)試階段，要加強(qiáng)對(duì)碘吸附器濾芯密封面的保護(hù)和壓緊條的緊固，Ⅲ型碘吸附器應(yīng)注意控制好裝碳量和密度，保證樣杯的密封性和代表性；

（3）電源失去或切換期間，電加熱器功率調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生故障信號(hào)影響設(shè)備啟動(dòng)，應(yīng)合理設(shè)置延時(shí)，確保電加熱器在電源恢復(fù)后能正常啟動(dòng)；

（4）電廠投運(yùn)后，應(yīng)提高對(duì)核空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)注，減少非必要的碘吸附器試驗(yàn)或運(yùn)行時(shí)間。

5　總結(jié)

本文結(jié)合核電廠經(jīng)驗(yàn)反饋，從管路密封性、電加熱器控制、消防探測(cè)等方面，研究了核電廠核空氣凈化系統(tǒng)可靠性提升策略，并提出了引入新型氣密型隔離風(fēng)閥、碘吸附器回路整體打壓、電加熱器控制策略優(yōu)化、提升消防探測(cè)可靠性及優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行等具體措施，這些措施將有助于在線監(jiān)測(cè)隔離風(fēng)閥密封性能、提升管路密封性、保證碘吸附器凈化效率、減少消防誤動(dòng)等，進(jìn)而提升核空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

［1］ 許廣任，吳振龍，等．影響核電廠碘吸附器凈化效率的因素分析［J］．大亞灣核電，2018（2）：13.

［2］ 吳潞華，杜建興．碘吸附器凈化效率隨氣流相對(duì)濕度變化的研究［J］．核科學(xué)與工程，2007，27（4）：344-348.

［3］ EDF（法國(guó)電力公司）．技術(shù)說(shuō)明書——通風(fēng)系統(tǒng)的碘捕集器［R］．2002.

Strategy Study on Improving the Reliability of the Nuclear Air Cleaning System of NPP

ZHANG Duo，GAO Yang，YIN Libo，ZHANG Jun，QIANG Zhenhua

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518057，China）

The inhabitability of the main control room during accident situations and control of radioactivity release are related to the performance of the nuclear air cleaning system of nuclear power plant，their operation reliability is affected by the leak-tightness of ductworks，performance of iodine absorbers and HEPA filters，control strategy of electrical heaters，correctness of the fire detection system and so on. Some studies on related aspects are carried out and improving strategies are addressed in this paper for enhancing the operation reliability of the nuclear air cleaning system of nuclear power plant.

Nuclear power plant；Nuclear air cleaning；Iodine absorber；Reliability

TL48

A

0258-0918（2022）01-0082-06

2020-11-23

張鐸（1981—），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事核電廠通風(fēng)消防系統(tǒng)調(diào)試相關(guān)研究