核電站壓縮空氣系統(tǒng)研究與分析

康樂嘉　李康樂

【摘 要】壓縮空氣系統(tǒng)是核電廠重要的全廠性公用系統(tǒng)，本文以ACP1000堆型核電站壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)功能、流程及設(shè)備類型等方面出發(fā)，通過對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型、布置方案的安全性、合理性和先進(jìn)性。并通過與其他堆型核電站的對(duì)比分析，提出了系統(tǒng)優(yōu)化觀點(diǎn)，從而為以后的核電機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)以作參考。

【關(guān)鍵詞】核電站；壓縮空氣系統(tǒng)；空壓機(jī)；設(shè)備布置

0 前言

核電站壓縮空氣系統(tǒng)是核電廠重要的全廠性公用系統(tǒng)，其為核電廠核島、常規(guī)島和BOP子項(xiàng)在正常運(yùn)行、事故、調(diào)試、檢修維護(hù)工況下提供壓縮空氣動(dòng)力氣源。系統(tǒng)雖不執(zhí)行安全功能，但是需要其在事故工況下為某些安全級(jí)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)提供儀表用壓縮空氣動(dòng)力氣源。因此系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的供氣能力，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能保證事故情況下的持續(xù)供氣能力，同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)節(jié)能、環(huán)保，方案先進(jìn)合理。

1 系統(tǒng)流程

1.1 空壓機(jī)啟動(dòng)方案

正常運(yùn)行狀態(tài)下，主空壓站的四臺(tái)空壓機(jī)中的兩臺(tái)運(yùn)行，以保證向WAS、WAI系統(tǒng)的正常供氣。在負(fù)荷高峰時(shí)，所有設(shè)備會(huì)全部投入工作。供氣管網(wǎng)的壓力變化范圍是0.86～1.0MPa（abs）。

應(yīng)急空壓機(jī)配備應(yīng)急電源供電?？諌簷C(jī)具有順序控制、定期自動(dòng)切換的功能。壓縮機(jī)組及其輔助設(shè)備發(fā)生故障后自動(dòng)切換。

1.2 WAI系統(tǒng)安全級(jí)儲(chǔ)罐功能

WAI系統(tǒng)設(shè)有許多安全級(jí)儲(chǔ)罐來為RCV等安全級(jí)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)提供儀表用壓縮空氣，反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)安裝一個(gè)向RCV化學(xué)和溶劑控制系統(tǒng)控制儀表供氣的WAI003BA貯氣罐，其所貯氣量足以滿足RCV系統(tǒng)的控制閥在冷停堆過渡24小時(shí)過程中向RCV系統(tǒng)控制儀表供氣，使反應(yīng)堆達(dá)到冷停堆狀態(tài)。

反應(yīng)堆廠房還設(shè)有兩個(gè)小的貯氣罐WAI008BA和WAI009BA，向核取樣系統(tǒng)的RNS101VP/RNS102VP供氣。

電氣廠房?jī)?nèi)設(shè)置一臺(tái)貯氣罐WAI016BA，保證TSA汽機(jī)旁路系統(tǒng)大氣泄壓閥在失去氣源情況下的正常運(yùn)行，并使反應(yīng)堆達(dá)到冷停堆狀態(tài)，以及在失去電源情況下10小時(shí)的正常運(yùn)行。相關(guān)的緩沖罐的容量可保證所述閥門的兩次全開和全關(guān)操作的用氣量。

為預(yù)防TFA輔助給水系統(tǒng)汽動(dòng)泵調(diào)節(jié)閥在失氣工況下不可調(diào)，設(shè)置023BA/024BA/025BA貯氣罐。

2 主要設(shè)備選型和技術(shù)參數(shù)

2.1 空氣壓縮機(jī)

壓縮空氣的分配管網(wǎng)按最大工作壓力1.0MPa（abs），最高工作溫度50℃進(jìn)行設(shè)計(jì)。在特殊情況下的用氣量：電廠運(yùn)行時(shí)WAS系統(tǒng)瞬時(shí)最大流量2900m3/h；安全殼壓力試驗(yàn)最大流量6300m3/h。

WAI系統(tǒng)氣動(dòng)控制裝置用儀表壓縮空氣以及WAS系統(tǒng)一些維修氣動(dòng)工具使用的壓縮空氣，均對(duì)壓縮空氣品質(zhì)有品質(zhì)要求。其中WAI氣體要求為無油壓縮空氣?？諌簷C(jī)配套的各級(jí)過濾器發(fā)揮不同的功能作用，來保證最終的產(chǎn)氣質(zhì)量。儀表用壓縮空氣要求品質(zhì)最高，無論壓縮空氣由主空壓機(jī)生產(chǎn)還是應(yīng)急空壓機(jī)生產(chǎn)，均經(jīng)過靠近用戶的應(yīng)急空壓機(jī)站的干燥器、過濾器處理才供應(yīng)儀表使用，有利于保證儀表用氣品質(zhì)，提高用氣閥門的安全可靠性。

ZC廠房?jī)?nèi)四臺(tái)主空氣壓縮機(jī)的容量須能保證：當(dāng)兩臺(tái)主空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，能滿足一臺(tái)核電機(jī)組運(yùn)行而另一臺(tái)停運(yùn)時(shí)所需要的WAI和WAS系統(tǒng)流量；當(dāng)四臺(tái)主空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，能滿足反應(yīng)堆安全殼壓力試驗(yàn)時(shí)的流量要求。

空壓站配置多臺(tái)空壓機(jī)組聯(lián)合工作，空壓機(jī)組根據(jù)空壓機(jī)壓力信號(hào)和負(fù)荷來控制啟停的臺(tái)數(shù)，滿足核電站不同工況下對(duì)供氣的要求，方案合理，節(jié)約能耗。

2.2 干燥器

本案例核電工程空壓機(jī)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(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)，并且占地面積更小、配管簡(jiǎn)單、使用方便，可顯著節(jié)約能耗，在今后的核電站工程設(shè)計(jì)中可進(jìn)行調(diào)研優(yōu)化。

2.3 儲(chǔ)氣罐

壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)置緩沖罐以減少系統(tǒng)氣流波動(dòng)并貯存一定的氣量。對(duì)于安全重要的驅(qū)動(dòng)裝置所需的壓縮空氣，設(shè)有專用的儲(chǔ)氣罐來保證其在臨時(shí)失氣情況下執(zhí)行相應(yīng)的安全功能。

貯氣罐應(yīng)根據(jù)其所承擔(dān)的功能進(jìn)行設(shè)備分級(jí)，如WAI003BA貯氣罐應(yīng)按安全3級(jí)，抗震I類，質(zhì)保Q2。

貯氣罐容積應(yīng)根據(jù)所服務(wù)的所有氣動(dòng)控制裝置等用氣設(shè)備的最大耗氣量、需持續(xù)時(shí)間、允許的最低工作壓力、最不利停電時(shí)氣罐內(nèi)壓力（備用空氣壓縮機(jī)失效時(shí)）來確定，并考慮適當(dāng)余量。

3 設(shè)備布置

四臺(tái)主空氣壓縮機(jī)、四組干燥裝置及一個(gè)貯氣罐安裝在ZC廠房的空氣壓縮機(jī)房?jī)?nèi)，每臺(tái)主空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣在進(jìn)入系統(tǒng)之前由設(shè)在ZC機(jī)房?jī)?nèi)的干燥器予以干燥；四臺(tái)冷卻水泵安裝在ZC廠房的水泵間；兩臺(tái)冷卻塔安裝在壓縮機(jī)房的屋頂上。一個(gè)10m3的空氣貯罐設(shè)置在ZC廠房?jī)?nèi)，以緩沖系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)，并提供少量的儲(chǔ)備容量。

應(yīng)急空氣壓縮機(jī)和干燥器以及兩個(gè)緩沖罐安裝在每臺(tái)核電機(jī)組的應(yīng)急空壓機(jī)房?jī)?nèi)，為儀表用壓縮空氣分配系統(tǒng)提供后備氣源。一臺(tái)帶基本負(fù)荷的應(yīng)急空壓機(jī)根據(jù)壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)壓力的下降程度自動(dòng)啟動(dòng)，另一臺(tái)則處于備用狀態(tài)。應(yīng)急壓縮空氣干燥器確保供給儀表用壓縮空氣分配系統(tǒng)的氣體達(dá)到預(yù)期的露點(diǎn)要求。將應(yīng)急空壓機(jī)站設(shè)置在安全性更高的核島廠房，設(shè)計(jì)上具有更高的安全性。

4 與其他核電站的對(duì)比分析

1）不同于一般核電工程2個(gè)機(jī)組共用一個(gè)壓縮空氣站。在福清1/2和3/4工程中考慮到工程建設(shè)周期接近的因素，進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，將四臺(tái)機(jī)組共建一個(gè)壓縮空氣站，設(shè)置6臺(tái)無油水冷空氣壓縮機(jī)組（四臺(tái)250kW，兩臺(tái)300kW），降低了土建和設(shè)備投資，節(jié)省了建設(shè)用地。

2）與M310機(jī)組相比，ACP1000的設(shè)計(jì)中，將WAP的兩臺(tái)儲(chǔ)氣罐都設(shè)置在了應(yīng)急空壓機(jī)房（M310中干燥器出口的儲(chǔ)氣罐設(shè)置在L廠房），有利于設(shè)備和管道布置；另根據(jù)事故工況下穩(wěn)壓器氣動(dòng)泄壓閥RCS030/031/032VP供氣要求，需增設(shè)三個(gè)8.75m3安全級(jí)儲(chǔ)氣罐。

3）根據(jù)某些工程調(diào)試過程反饋，氣動(dòng)控制裝置大量接頭采用銅質(zhì)管道管件，其優(yōu)點(diǎn)是安裝較為方便，缺點(diǎn)是如安裝精度不夠，會(huì)導(dǎo)致很多漏氣，密封性受到影響。由于管道的泄露會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氣罐貯存氣量泄露，供氣時(shí)間低于設(shè)計(jì)值，從而影響安全供氣，因此此問題在后續(xù)設(shè)計(jì)中需要關(guān)注改進(jìn)。安全等級(jí)較高的儀表供氣管道，為保證安全，應(yīng)盡可能采用焊接連接形式。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[責(zé)任編輯：田吉捷]