含氫廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行缺陷及風(fēng)險(xiǎn)分析

李建業(yè)++張永鋒++劉宇

摘 要：秦山二廠含氫廢氣處理系統(tǒng)采用加壓貯存法，加壓貯存法結(jié)構(gòu)簡單，廢氣處理工藝比較成熟。廢氣處理系統(tǒng)沒有直接的安全功能，但能防止向環(huán)境泄露，保護(hù)環(huán)境，使廢氣的放射性排放保持在可接受的范圍。本文主要介紹秦山二廠含氫廢氣處理系統(tǒng)的工藝流程，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，核心設(shè)備的工作原理；分析了系統(tǒng)運(yùn)行中存在的風(fēng)險(xiǎn)，如：衰變箱的容量不足、倒箱操作時(shí)易導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞甚至放射性氣體意外排放等，通過分析缺陷原因提出了相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：廢氣 缺陷 風(fēng)險(xiǎn)分析 解決辦法

中圖分類號(hào)：TQ639 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（b）-0108-03

核電站在正常運(yùn)行工況和預(yù)計(jì)運(yùn)行事件中，不可避免地產(chǎn)生放射性含氫廢氣。 目前國內(nèi)壓水堆核電站最常用的處理放射性含氫廢氣的方法是加壓貯存和活性炭吸附，秦山二核根據(jù)自己的特點(diǎn)采用加壓貯存法。加壓貯存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，廢氣處理工藝比較成熟，適合于處理流量變化較大的放射性廢氣，但是秦山二核1、2號(hào)堆的共用廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行中存在衰變箱的容量不足、倒箱操作時(shí)易導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞甚至放射性氣體意外排放的風(fēng)險(xiǎn)。該文對上述風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析并提出改進(jìn)建議。

1 秦山二核含氫廢氣處理系統(tǒng)

1.1 含氫廢氣來源

含氫廢氣來自于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的穩(wěn)壓器卸壓箱、化學(xué)和容積系統(tǒng)的容積控制箱、核島疏水排氣系統(tǒng)的反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱和硼回收系統(tǒng)的除氣塔和前貯槽等，這類放射性廢氣由氫氣、氮?dú)夂秃琗e、Kr的惰性氣體組成。本系統(tǒng)采用壓縮貯存、裂變的方法降低含氫廢氣放射性，在貯存期滿取樣合格后通過輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)DVN稀釋后送至煙囪排放。

1.2 含氫廢氣分系統(tǒng)工藝流程

含氫廢氣分系統(tǒng)工藝流程圖見圖1，來自于一回路冷卻劑的含氫廢氣通過母管送入一個(gè)容積為5m3的緩沖罐。在緩沖罐上游設(shè)有氧含量分析儀監(jiān)測氧含量，系統(tǒng)設(shè)置了兩臺(tái)流量為38m3·STP/h的壓縮機(jī)，一主一備，廢氣經(jīng)壓縮并冷卻至50 ℃后送入容積為18 m3的衰變箱中貯存，經(jīng)過60天的衰變，經(jīng)取樣分析合格后，由排放閥經(jīng)核島輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)DVN除碘后排入煙囪。

1.3 含氫廢氣分系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)

緩沖箱起到了穩(wěn)定壓力的作用，當(dāng)緩沖箱的壓力升到了0.025 MPa.g時(shí)啟動(dòng)正常壓縮機(jī)，壓力繼續(xù)上升到0.03 MPa.g時(shí)啟動(dòng)備用壓縮機(jī)。當(dāng)壓力降到0.005 MPa.g時(shí)兩臺(tái)壓縮機(jī)均停止運(yùn)行。當(dāng)緩沖箱壓力降至 0.003 MPa.g時(shí)在控制間內(nèi)發(fā)出警報(bào)，需開啟氮?dú)忾y補(bǔ)氮?dú)?，?dāng)壓力回升至0.025 MPa.g 時(shí)氮?dú)夤芫€關(guān)閉并且正常壓縮機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)緩沖箱壓力升至0.04 MPa.g時(shí)發(fā)出壓力高報(bào)警信號(hào)，壓力繼續(xù)升高至0.35 MPa.g時(shí)安全閥開啟將廢氣排到煙囪。

氧分析儀連續(xù)測定含氧量，氧含量達(dá)1.5%和3.5%時(shí)觸發(fā)主控制室內(nèi)的報(bào)警，氧含量確實(shí)高時(shí)可用氮?dú)庀♂?。緩沖罐氧含量必須保持低于3.5%，含氫量超過4%，含氧量超過6%就有爆炸的危險(xiǎn)，控制氧含量小于4%，無論氫含量多少不會(huì)形成爆炸性氣體。

兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)最大可處理76 m3·STP/h的廢氣量，這個(gè)數(shù)值略高于大修時(shí)容積控制箱的氣相掃氣流量。兩臺(tái)TEP除氣塔來的含氫廢氣平均廢氣流量為2.1 m3·STP/h。任何一個(gè)衰變箱壓力比整定值下降0.07 bar和0.14 bar時(shí)觸發(fā)衰變箱泄漏報(bào)警，提醒運(yùn)行人員衰變箱存在泄漏。

為了便于將壓縮機(jī)排氣切換到一臺(tái)空的衰變箱，通常在箱體充滿前五天通過021 MP或022 MP在0.48 MPa.g時(shí)發(fā)出信號(hào)通知運(yùn)行人員，以便有充足的時(shí)間排空一臺(tái)存放氣體時(shí)間最久的備用箱。

含氫廢氣的排放速度要保證DVN系統(tǒng)中氫氣含量不超過4%，即保證在不引起燃燒的條件下排放。同時(shí)按照確定的最大排放流速計(jì)算的放射性比活度不能觸發(fā)有關(guān)KRT通道報(bào)警。進(jìn)行排放時(shí)，衰變箱中的壓力降低至0.02 MPa時(shí)，排放閥自動(dòng)關(guān)閉，避免空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

2 運(yùn)行中存在的缺陷及風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 衰變箱的容量不足

秦山二核1號(hào)堆和2號(hào)堆的共用廢氣處理系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有6個(gè)衰變箱，每箱容積為18 m3，衰變箱的設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa.g。壓縮機(jī)的出口壓力到達(dá)0.65 MPa.g時(shí)壓縮機(jī)自動(dòng)停運(yùn)，因此被壓縮的廢氣可最高 0.65 MPa.g儲(chǔ)存在衰變箱內(nèi)。但是為保證對安全閥動(dòng)作有足夠的壓力裕度，衰變箱只允許充到0.63 MPa.g。正常備用的衰變箱壓力為0.02 MPa.g，這樣每個(gè)衰變箱從 0.02 MPa充到0.63 MPa，可以接收113 m3·STP含氫廢氣。

在一個(gè)機(jī)組大修之前假設(shè)沒有衰變箱泄露，沒有衰變箱的相關(guān)檢修，也沒有衰變箱相關(guān)閥門的檢修，這樣會(huì)有5個(gè)衰變箱即565m3·STP容積可提供。另外1個(gè)衰變箱用于接收此前兩個(gè)月兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行工況的含氫廢氣，由于在一個(gè)堆的壽期末一回路稀釋產(chǎn)生的廢水較多，因此正在接收的衰變箱可用空間不會(huì)太多。

查閱“秦山第二核電廠三廢月報(bào)”1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組最近幾年含氫廢氣產(chǎn)生量建立表1。

從表1中可以看出2011年5月207大修初期產(chǎn)生的含氫廢氣量最大，為335.34 m3·STP，其它的大修初期產(chǎn)生的含氫廢氣多在210 m3·STP與290 m3·STP之間。這樣兩臺(tái)機(jī)組大修產(chǎn)生的含氫廢氣總量可能達(dá)到580 m3·STP，若在大修期間出現(xiàn)類似207大修當(dāng)量的含氫廢氣，就會(huì)大大超過580 m3·STP。對于衰變箱設(shè)計(jì)允許在基本負(fù)荷運(yùn)行的情況下有60天的暫存期，在廢氣量大而放射性濃度低的情況下暫存期為45天，該暫存期是放射性廢氣符合向大氣排放準(zhǔn)則規(guī)定所要求的衰變時(shí)間。這樣1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組開始大修的時(shí)間間隔若小于45天，就有可能出現(xiàn)衰變箱容量不足的現(xiàn)象。endprint

若出現(xiàn)衰變箱容量不足會(huì)延長大修時(shí)間，影響到電廠經(jīng)濟(jì)效益，因此可對廢氣處理系統(tǒng)TEG進(jìn)行技改，另外優(yōu)化含氫廢氣的管理，正確的進(jìn)行停堆掃氣操作盡量減少含氫廢氣的產(chǎn)生。

（1）大修前一段時(shí)間要對廢氣處理系統(tǒng)TEG進(jìn)行消缺，保證衰變箱及相關(guān)設(shè)備的完好可用，保證大修開始時(shí)至少3個(gè)TEG衰變箱是空的。大修規(guī)程也明確規(guī)定：大修實(shí)施的前70左右天需考慮TEG衰變箱的容量情況。如果有必要，隔離處于接收狀態(tài)的衰變箱進(jìn)行衰變，這樣大修前可以排放，為大修產(chǎn)生的含氫廢氣預(yù)留盡量多的貯存空間。

（2）大修期間TEP頭箱吹掃是產(chǎn)生含氫廢氣量最多的一個(gè)過程，因此要把盡量減少含氫廢氣產(chǎn)生的重點(diǎn)放在TEP頭箱的吹掃上，要優(yōu)化TEP頭箱吹掃操作盡量一次吹掃成功。TEP頭箱吹掃以及RCV系統(tǒng)容控箱吹掃要盡可能的減少被吹掃的空間，如把TEP頭箱的液位提高到9.5 m。應(yīng)充分考慮大修期間可能誤沖氮?dú)獾母鞣N因素，如氫表的零點(diǎn)是否正確。

（3）TEP脫氣塔每次在“生產(chǎn)命令”結(jié)束后，進(jìn)入“熱備用”之前有一個(gè)約15分鐘的“強(qiáng)制氮?dú)獯祾摺彪A段，掃除脫氣塔排氣冷凝器中的氫氣和放射性氣體，這個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣排向TEG的含氫廢氣系統(tǒng)。若脫氣塔不進(jìn)行檢修，“強(qiáng)制氮?dú)獯祾摺彪A段是沒有必要經(jīng)過的，因此可在“生產(chǎn)命令”結(jié)束前進(jìn)行強(qiáng)制返回，不經(jīng)過“強(qiáng)制氮?dú)獯祾摺倍M(jìn)入“熱備用”狀態(tài)，以減少廢氣量。

（4）除了在管理方面做出要求外，可對TEG系統(tǒng)進(jìn)行技改。增加衰變箱的容積，或者增加一套氫氣復(fù)合器，復(fù)合后即減少了氣體貯存體積，又降低了衰變箱內(nèi)的氫含量，降低了含氫廢氣泄漏后爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 倒箱操作和壓縮機(jī)氮?dú)獯祾邥r(shí)存在較高的風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)衰變箱或衰變箱相關(guān)的閥門等設(shè)備存在泄漏時(shí)，必須把衰變箱儲(chǔ)存的含氫廢氣倒入到其他的衰變箱中，防止含氫廢氣不可控的釋放造成放射性廢氣外溢和氫濃度過高產(chǎn)生爆炸，一臺(tái)衰變箱破裂而導(dǎo)致放射性氣體釋放可能被評估為第III類--稀有事故。在系統(tǒng)長期的運(yùn)行中由于種種原因，所選用的隔膜閥經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，6個(gè)衰變箱的取樣閥內(nèi)漏更為頻繁，TEG002BA衰變箱頂部盲板處在2009年就出現(xiàn)過嚴(yán)重的外漏現(xiàn)象。設(shè)計(jì)上對壓縮機(jī)設(shè)置了氮?dú)獯祾吖芫€，在壓縮機(jī)檢修之前需用氮?dú)獯祾邏嚎s機(jī)及相關(guān)管道10 min至衰變箱，后再吹掃15 min至DVN系統(tǒng)煙囪。

從圖1啟動(dòng)邏輯圖中可以看出，無論壓縮機(jī)是自動(dòng)啟動(dòng)還是手動(dòng)啟動(dòng)都受到油壓異常、壓縮機(jī)膜片損壞、氣體冷卻器出口高溫這三個(gè)壓縮機(jī)保護(hù)信號(hào)的控制，在壓縮機(jī)本體出現(xiàn)故障時(shí)都會(huì)停運(yùn)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)還有一個(gè)緊急停運(yùn)按鈕TEG015TO，可實(shí)現(xiàn)緊急停運(yùn)。

壓縮機(jī)的允許啟動(dòng)信號(hào)有四路分別是：

（1）壓縮機(jī)入口在線至緩沖箱，這時(shí)TEG003VY全開，壓縮機(jī)投自動(dòng)即TEG003CC置自動(dòng)。若壓縮機(jī)選在正常位置則 0.025MPa.g啟動(dòng)，若選在備用位置則在 0.03MPa.g時(shí)啟動(dòng)，緩沖箱壓力降到 0.005MPa.g時(shí)壓縮機(jī)自動(dòng)停運(yùn)。

（2）壓縮機(jī)入口在線至緩沖箱，這時(shí)TEG003VY全開，TEG163VY全關(guān)，壓縮機(jī)投手動(dòng)即TEG003CC置手動(dòng)，在緩沖箱壓力不低于0.005MPa.g時(shí)，通過TEG005CC手動(dòng)啟動(dòng)壓縮機(jī)。

（3）壓縮機(jī)入口在線至衰變箱，這時(shí)TEG003VY全關(guān)，TEG163VY全開，壓縮機(jī)投手動(dòng)即TEG003CC置手動(dòng)，在集氣母管壓力不低于0.005MPa.g時(shí)，通過TEG005CC手動(dòng)啟動(dòng)壓縮機(jī)。

（4）壓縮機(jī)入口在線至衰變箱或者氮?dú)獯祾吖芫€，這時(shí)TEG003VY全關(guān)，TEG163VY非全開（在線至氮?dú)獯祾吖芫€時(shí)163VY全關(guān)），壓縮機(jī)投手動(dòng)即TEG003CC置手動(dòng)，通過TEG005CC手動(dòng)啟動(dòng)壓縮機(jī)。

四路信號(hào)都受到壓縮機(jī)出口旁路閥TEG111VY開啟5秒的限制，這是為了在壓縮機(jī)啟動(dòng)前讓出口母管充分泄壓，調(diào)試期間壓縮機(jī)在出口壓力0.5MPa.g以上啟動(dòng)時(shí)就使壓縮機(jī)熔斷器燒毀。四路信號(hào)中的①、②、③與壓縮機(jī)出口壓力TEG021MP信號(hào)相與，即受到壓縮機(jī)出口壓力的控制，在出口壓力0.65MPa.g時(shí)停運(yùn)壓縮機(jī)，防止下游衰變箱的安全閥起跳。第④路既沒有入口壓力低0.005MPa.g停運(yùn)，也沒有出口壓力高0.65MPa.g停運(yùn)。

由壓縮機(jī)的技術(shù)規(guī)格書知道壓縮機(jī)的吸入口壓力在0.005MPa.g與0.035MPa.g之間。在倒箱操作和對壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)上游壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許壓力，因此啟動(dòng)時(shí)必須把入口進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流時(shí)TEG163VY給出的是非全開信號(hào)，這樣在倒箱操作和壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)使用信號(hào)④來啟動(dòng)壓縮機(jī)。

2.2.1 經(jīng)過如上分析得出以下三種風(fēng)險(xiǎn)：

（1）入口壓力過高的風(fēng)險(xiǎn)：在倒箱操作和壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)，入口壓力不能調(diào)節(jié)太高，而操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口閥，難以精確控制壓力（入口壓力表的量程為0～0.6MPa），可能使得壓縮機(jī)的吸氣壓力過大，吸氣量過大引起壓縮機(jī)出口壓力過高，進(jìn)而引起壓縮機(jī)出口安全閥（0.7MPa.g）起跳，長期這樣運(yùn)行也會(huì)有壓縮機(jī)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）入口壓力過低的風(fēng)險(xiǎn)：在倒箱操作時(shí)入口壓力低的停運(yùn)信號(hào)沒有參與控制，即使遠(yuǎn)小于0.005MPa也不會(huì)停運(yùn)壓縮機(jī)。目前只是人為的去關(guān)注泄漏衰變箱和壓縮機(jī)入口的壓力，這時(shí)泄漏衰變箱就有可能在較低的壓力下引入含氧的空氣，形成易爆炸性的混合氣體，對安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（3）出口壓力過高的風(fēng)險(xiǎn)：在倒箱操作和壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)，出口壓力高停運(yùn)信號(hào)沒有參與控制，即使超壓也不會(huì)停運(yùn)壓縮機(jī)。目前人為的去關(guān)注下游衰變箱的壓力，這樣在進(jìn)行倒箱操作和壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)有可能使下游衰變箱超過出口壓力高停運(yùn)值0.65 MPa.g，甚至到達(dá)設(shè)計(jì)壓力0.7 MPa.g，而引起衰變箱安全閥的起跳，把含氫的放射性廢氣直接排入煙囪，造成放射性廢氣的意外排放，可能被評估為第III類--稀有事故。

2.2.2 綜上所述，提出以下建議

（1）謹(jǐn)慎選擇衰變箱，控制最高壓力。

在進(jìn)行倒箱操作和壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)，盡量選擇空的衰變箱接收，或經(jīng)過計(jì)算衰變箱被充氣后壓力不會(huì)大于0.63 MPa.g。另外操作時(shí)一定要注意壓縮機(jī)的進(jìn)口和出口壓力。

（2）縝密論證，進(jìn)行邏輯修改。

加入一個(gè)出口壓力高保護(hù)信號(hào)，讓信號(hào)④也受到出口壓力高的控制，這樣在進(jìn)行倒箱操作和壓縮機(jī)的氮?dú)獯祾邥r(shí)，衰變箱就不會(huì)被加壓到安全閥的起跳值。加入一個(gè)入口壓力低保護(hù)信號(hào)，讓信號(hào)④在倒箱操作，即TEG163VY非全開時(shí)也受到入口壓力低的控制，入口壓力低時(shí)及時(shí)停運(yùn)壓縮機(jī)，就不會(huì)有衰變箱被吸成負(fù)壓的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)信號(hào)要來自于TEG163VY上游的壓力表，這時(shí)雖然用TEG163VY手動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口壓力難以精確控制，但不會(huì)出現(xiàn)因壓縮機(jī)入口壓力低而頻繁停運(yùn)壓縮機(jī)的情況。

（3）分析源頭，盡量減少倒箱次數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋以前的多次倒箱是由于隔膜閥內(nèi)漏所造成的，根本原因是由于閥門的關(guān)閉力矩難以量化，易發(fā)生膜頭的損壞，建議以后使用力矩扳手，以減少內(nèi)漏。

3 結(jié)語

秦山二核廢氣處理系統(tǒng)排放的放射性廢氣通過衰變、過濾、稀釋后完全能夠滿足國家對放射性廢氣排放的管理要求。如2010年度惰性氣體年排放量僅占年管理目標(biāo)值的13.16%。但在長期的運(yùn)行中也暴露出了一些問題，如隔膜閥內(nèi)漏頻繁、潛在的衰變箱容量不足、倒箱操作時(shí)意外排放的風(fēng)險(xiǎn)，這些都是必須要考慮的問題。同時(shí)廢氣處理系統(tǒng)關(guān)系到核電廠能否經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，若出現(xiàn)處理能力不足就會(huì)拉長大修時(shí)間，若出現(xiàn)兩臺(tái)隔膜壓縮機(jī)長時(shí)間不可運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致TEP脫氣塔不可運(yùn)行最終會(huì)導(dǎo)致機(jī)組向雙相中問停堆退防，對電廠正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

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