三代核電機組一回路鈍化加氫工藝問題研究及改進應用

陳　旭，尹銳佳

三代核電機組一回路鈍化加氫工藝問題研究及改進應用

陳旭，尹銳佳

（中廣核工程公司，廣東 深圳 518026）

三代核電機組在熱態(tài)功能試驗（簡稱熱試）期間需執(zhí)行加氫鈍化，以改善一回路表面鈍化效果。國內(nèi)某三代核電機組首次執(zhí)行一回路加氫時速率較慢，導致一回路氫氣測量值無法在預計時間內(nèi)達到鈍化開始時的限值。我們結(jié)合現(xiàn)場實際情況，分析了問題的相關(guān)環(huán)節(jié)，并在滿足系統(tǒng)正常運行要求和工業(yè)安全要求的前提下，針對影響因素進行處理和優(yōu)化，合理改進原有加氫方案，保證熱試期間一回路的加氫速率，節(jié)約熱試工期，對后續(xù)三代核電、“華龍一號”機組的建設有參考意義。

三代核電；熱試鈍化；加氫速率

三代核電機組調(diào)試期間執(zhí)行熱態(tài)功能試驗（簡稱熱試）時，需在熱停堆平臺連續(xù)運行300 h，完成一回路壓力容器、主管道、堆內(nèi)構(gòu)件等與冷卻劑接觸的金屬表面首次鈍化。鈍化效應生成的鈍化膜對裝料后機組的正常運行非常重要，能起抑制、減緩金屬腐蝕和減少放射性雜質(zhì)生成的作用[1]。一回路水質(zhì)化學指標對生成鈍化膜具有重要意義，三代核電機組熱試期間的鈍化方案與中國改進型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）機組相比，水質(zhì)化學指標控制難度更大，一回路水中需添加氫氣（簡稱加氫），以改善一回路表面鈍化效果。

國內(nèi)某三代核電核電廠1號機組熱試期間首次采用加氫鈍化方案，水中氫氣測量值達到規(guī)定標準是鈍化開始計時的標志。而一方面在實際情況中，氫氣測量值增速較緩，無法在預期時間內(nèi)達到規(guī)定標準；另一方面氫氣屬易燃易爆氣體，應謹慎操作，以防范氫爆風險。由于以上兩個方面使鈍化開始前的加氫工作占用了較長的工期，制約了工程主線的進展。為安全、快速、有效地完成三代核電機組熱試期間一回路加氫鈍化工作，需找出原加氫方案不足之處，找到問題癥結(jié)，采取有效措施，實施改進并實踐應用。

1　一回路加氫工藝介紹及現(xiàn)狀

1.1　一回路加氫工藝流程

一回路加氫工作是通過化學和容積控制系統(tǒng)（RCV）完成的，如圖1所示，從一回路冷卻劑引出下泄流體經(jīng)過RCV高壓減壓站和下泄熱交換器，進行降溫降壓，10%流量的流體進入容控箱，實現(xiàn)容控箱的化學平衡，維持液位穩(wěn)定；90%流量的流體進入主下泄管線，經(jīng)過加氫站，到達上充泵入口。

圖1　RCV系統(tǒng)加氫工藝流程示意圖

加氫站是RCV執(zhí)行加氫操作的重要設備，主要由氣體分離器、噴射泵和混合管組成。噴射泵通過射流抽吸作用抽出氣體分離器上部氣相空間氫氣，混合高壓射流流體，噴射至泵出口主下泄流體中，在安裝有一定傾斜角度葉片的混合管內(nèi)充分攪混。經(jīng)氣體分離器后，溶解有氫氣的主下泄流體進入上充泵入口，經(jīng)上充主管線重新注入一回路，由此通過下泄、加氫、上充注入增加一回路水中氫氣體積。

混合有氫氣的主下泄流體經(jīng)氣體分離器時，沒有溶解的氫氣重新聚集至分離器頂部，由噴射泵抽吸后噴射至下一次混合流體中，從而實現(xiàn)噴射泵—攪混管線—氣體分離器—噴射泵的循環(huán)。噴射泵高壓射流流體來自上充泵出口引流回流，容控箱頂部氣相空間通過廢氣處理系統(tǒng)（TEG）進行氮氣連續(xù)吹掃，位于容控箱至TEG的出口管線上的調(diào)節(jié)閥維持容控箱氣相壓力穩(wěn)定至設定值。

1.2　一回路加氫現(xiàn)狀

RCV試驗程序TP-RCV-123執(zhí)行一回路加氫試驗時要求配置1臺上充泵運行，上充主管線流量為31.7 t/h，噴射泵高壓射流流量調(diào)整為1.1 t/h，容控箱氣相壓力控制至1.5 bar（g）（1 bar=0.1 MPa，a為絕壓壓力，g為表壓），簡明配置方案如圖2所示。在氫氣可有效溶解至水中且未發(fā)生大量析出逃逸前提下，保證加氫站正常設計能力，該方案可滿足一回路加氫速率要求，可在10 h內(nèi)將一回路水中氫氣增加至35 Ncm3/kg（N為標準工況，即在標準溫度25 ℃、1.013×105Pa大氣壓下，單位質(zhì)量的液體中所含有的氫氣體積，由系統(tǒng)氫表測定，下同）。

圖2　三代核電機組原加氫方案配置簡明示意圖

然而現(xiàn)場實際操作過程中，一回路加氫速率緩慢，經(jīng)過兩天的操作，一回路氫氣測量值僅增加至9 Ncm3/kg，不滿足一回路氫氣測量值35 Ncm3/kg的鈍化開始計時標準，嚴重制約熱試期間工程主線的進度。

2　加氫速率緩慢原因分析

2.1　加氫速率影響因素分析

氫氣在水中的溶解速度與溫度及壓力有關(guān)。當溫度一定時，氫氣在水中的溶解度隨壓力升高而升高；當壓力一定時，氫氣溶解度隨溫度升高而降低。三代核電機組熱試期間，機組處于熱停堆工況，一回路壓力為154 bar（g），一回路冷卻劑（水）溫度為303 ℃，此工況下氫氣理論飽和溶解度大于35 Ncm3/kg，但實際操作結(jié)果與理論結(jié)果相差過大。

一回路加氫為一個動態(tài)循環(huán)過程，氫氣測量值逐步動態(tài)累積。加氫速率快，氫氣在一回路水中的增加量大于析出量，氫氣測量值就增加；反之，測量值可能減小。針對涉及加氫回路動態(tài)循環(huán)管線的穩(wěn)壓器、下泄管道、RCV加氫站、容控箱和上充管線，分析加氫速率較慢原因如下：

（1）熱試期間整個一回路不是水實體，穩(wěn)壓器內(nèi)部處于氣液兩相狀態(tài)，一回路介質(zhì)處于上充下泄的動態(tài)平衡，因此不能根據(jù)亨利定律（一定溫度的密封容器內(nèi)，稀薄溶液中溶質(zhì)的氣體分壓與該氣體在溶液中的測量值成正比）以當前壓力與溫度分析氫氣在一回路水中的飽和溶解度。

（2）熱試期間，穩(wěn)壓器頂部汽相空間投運氮氣連續(xù)吹掃，導致該空間內(nèi)氫氣獲得的實際氣體分壓較小，一回路中已溶解的氫氣可能在穩(wěn)壓器內(nèi)析出逃逸，導致氫氣含量降低，影響加氫速率。

（3） RCV 加氫站實際運行能力達不到設計要求，或設計出力不足，導致加氫速率過慢。

（4）氣源端輸送的氫氣純度達不到標準，較多更難溶解于水的氮氣聚集至氣體分離器上部氣空間，導致加氫站內(nèi)氫氣混合后溶解速率變慢，影響加氫速率。

（5）根據(jù)RCV系統(tǒng)設計要求，若維持容控箱液位平穩(wěn)，已溶解有氫氣10%流量的下泄流體進入容控箱，TEG執(zhí)行容控箱上部氣相空間氮氣連續(xù)吹掃，氫氣在氣相空間獲得的氣體分壓較小，在容控箱內(nèi)析出并吹掃至TEG系統(tǒng)，影響加氫速率。

2.2　加氫速率影響因素驗證

根據(jù)上述分析，為準確判斷影響因素，現(xiàn)場進行試驗驗證。驗證方法、過程分析和結(jié)論如表1所示。

表1　加氫速率影響因素驗證

從表1結(jié)論可知，影響一回路加氫速率因素有：

（1）加氫站加氫出力不足；

（2）氫氣在容控箱、穩(wěn)壓器中析出逃逸。

3　加氫速率緩慢改進處理

根據(jù)表1中驗證結(jié)果，針對判斷出的影響因素，采取以下改進措施，并檢查解決效果。

（1）加氫站改進。加氫站抽吸氫氣的動力源為噴射泵，其工作原理如圖3所示。

原加氫方案配置中，噴射泵入口高壓射流流量為1.1 t/h，對應噴射泵入口壓力為4～6 bar（g）。在一定范圍內(nèi)，噴射泵高壓射流流量越大，抽吸氫氣越多，噴射泵出口流體中氫氣測量值就越大。通過調(diào)整噴射泵入口調(diào)節(jié)閥，增大噴射泵入口壓力，可提高射流流量。

圖3　噴射泵工作原理圖

噴射泵高壓射流引自上充泵出口高壓流體，是上充泵出口管線的一個分支。由圖1可知，上充泵出口總流量包含上充主管線流量、主泵軸封流量（7.2 t/h）和引至噴射泵入口的高壓射流流量。根據(jù)設計要求，噴射泵入口允許最大壓力為30 bar（g），壓力越大，射流流量越大，由于軸封流量經(jīng)調(diào)節(jié)后保持恒定，為保證一定的上充流量，滿足一回路冷卻劑化學均衡和凈化效果，噴射泵入口高壓射流流量不宜過大，考慮一定裕度情況下，經(jīng)現(xiàn)場驗證，將噴射泵射流流量調(diào)整至3 t/h，不會對RCV系統(tǒng)正常運行功能造成影響，對應噴射泵入口壓力約為20 bar（g），處于設計允許范圍內(nèi)。

為了驗證噴射泵入口壓力對一回路氫氣測量值變化的影響，現(xiàn)場調(diào)整調(diào)節(jié)閥，改變噴射泵入口壓力，在入口壓力分別為4 bar（g）、10 bar（g）、15 bar（g）、20 bar（g）平臺下各維持6 h，執(zhí)行一回路加氫操作，檢查每6 h內(nèi)一回路氫氣測量值變化量，結(jié)果如圖4所示。

圖4　噴射泵入口壓力對一回路氫氣測量值變化量的影響

由圖4可知，提高噴射泵入口壓力可提高一回路氫氣測量值變化量，即對加氫速率有明顯促進作用，但隨著時間推移，一回路氫氣測量值逐漸增大，氫氣溶解逐漸減緩。圖4中曲線在一回路氫氣測量值為20.36 Ncm3/kg時出現(xiàn)拐點，之后加氫速率變慢，測量值變化量曲線呈下降趨勢。

為單獨驗證噴射泵入口壓力為20 bar（g）時的加氫速率，在一回路氫氣測量值為5.90 Ncm3/kg時，檢測6 h內(nèi)氫氣測量值變化量，得到每小時一回路氫氣測量值變化量為1.78 Ncm3/kg，綜上可知，提高噴射泵入口噴射壓力，可明顯提高一回路加氫速率。

（2）容控箱改進

考慮將容控箱氮氣吹掃隔離，吹掃流量降低為0，假設容控箱內(nèi)氫氣全部析出，按進入容控箱最大下泄流量為7 t/h和氫氣最大測量值35 Ncm3/kg計算，106 min后，容控箱上部氣相空間氫氣體積分數(shù)會超過4%，達到氫爆風險閾值，故不能隔離容控箱吹掃。

容控箱底部出口管線和氣體分離器水側(cè)出口管線相連，在容控箱吹掃不能隔離的前提下，容控箱氣相壓力決定了氣體分離器壓力。為驗證容控箱壓力對加氫速率影響，調(diào)整容控箱氮氣吹掃壓力。在容控箱壓力為1.0 bar（a）、2.5 bar（a）、3.5 bar（a）平臺下各維持8 h，執(zhí)行一回路加氫操作，檢查每8 h內(nèi)一回路氫氣測量值變化量，結(jié)果如圖5所示。

從圖5看出，提高容控箱壓力，在一定程度上能加快一回路氫氣測量值變化量，即提高加氫速率。根據(jù)驗證結(jié)果，考慮容控箱設計壓力范圍為0～4 bar（a），故在原加氫方案要求容控箱壓力設置為1.5 bar（a）的基礎上，可在加氫操作時將容控箱壓力提高至3.5 bar（a）。

圖5　容控箱壓力變化對一回路氫氣測量值變化量的影響

根據(jù)氫氣理論飽和溶解度曲線，結(jié)合一回路加氫循環(huán)回路試驗相關(guān)參數(shù)，經(jīng)分析換算，預測得到一回路氫氣測量值、上充泵出口氫氣測量值和容控箱壓力關(guān)系圖，如圖6所示，說明執(zhí)行加氫操作時，一回路的氫氣測量值與容控箱壓力成正比關(guān)系。

圖6　一回路氫氣測量值與容控箱壓力關(guān)系圖

（3）穩(wěn)壓器改進

容控箱吹掃隔離后存在氫爆風險，同理不能隔離穩(wěn)壓器頂部氣相空間的氮氣連續(xù)吹掃。而通過降低穩(wěn)壓器連續(xù)噴淋流量，減小由噴淋造成的氫氣析出逃逸，則不利于一回路水質(zhì)均勻及一回路鈍化。綜上，對于穩(wěn)壓器運行不采取特殊處理措施，保持原有操作。

（4）設備配置改進

RCV系統(tǒng)設計有2臺上充泵，正常運行工況配置為1臺運行、1臺備用，單臺泵額定流量為40 t/h；當一回路充水、大流量硼化操作時同時運行2臺上充泵，雙泵運行出口總額定流量為76 t/h。上充泵出口流量越大，上充主管線流量也越大，有以下優(yōu)點：

1）能夠?qū)⒏嗳芙庥袣錃獾睦鋮s劑注入到一回路中，增加一回路氫氣測量值；

2）加快一回路換水速率，使一回路氫氣測量值更加接近上充管線中氫氣測量值。

4　一回路加氫工藝方案改進和應用效果

實施上述改進后，有效改善了一回路加氫速率。由此對原有加氫方案進行相應改進，如表2所示。

表2　三代核電機組加氫方案改進

對機組進行充分的風險分析，按照表2所示改進方案，適當改變RCV系統(tǒng)運行狀況，對機組正常運行無影響，三代核電機組改進后的加氫方案配置簡明示意圖如圖7所示。

圖7　三代核電機組改進后加氫方案配置簡明示意圖

現(xiàn)場按改進后的加氫方案進行實際驗證，一回路加氫速率由原來每天4.5 Ncm3/kg提高至每天9.4 Ncm3/kg，加氫時間縮短50%，使熱試鈍化開始時間提前2天，大幅節(jié)約熱試關(guān)鍵路徑時間和人力物力成本。

5　結(jié)論

本文通過對國內(nèi)暫無先例可循的三代核電機組加氫工藝方案探究，對加氫原理進行分析，找出影響加氫的因素，在不影響系統(tǒng)正常運行、固有參數(shù)設置和工業(yè)安全前提下，改進了加氫方案，顯著提高了熱試期間一回路加氫速率，節(jié)約了一回路鈍化時間，使加氫速率不成為制約熱試工期的關(guān)鍵路徑，取得良好的經(jīng)濟效益。

［1］ 汲大朋，南夏瑜，郭均．壓水堆核電機組一回路鈍化膜的研究［J］．大亞灣核電，2017（2）：9-10．

［2］ 郭利民，廖偉明．核電廠系統(tǒng)與設備［R］．臺山：臺山核電合營有限公司培訓中心，2012．

［3］ Instruction for operation and maintenance for water jet pump 1/2RCV3330EJ［R］．深圳：中廣核工程有限公司，2012．

The Study and Improvement for the Passivation Hydrogenation in the Primary Circuit of Generation ⅢNPP

CHEN Xu，YIN RuiJia

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd. Shenzhen of Guangdong Prov. 518026，China）

The Generation Ⅲ nuclear power plant need to perform hydrogenation passivation during the hot functional test (HTF) to improve the surface passivation effect of the primary circuit. A domestic Generation Ⅲ nuclear power plant takes a long time to reach the hydrogen measuring value threshold within the expected time at the first hydrgenation in the HFT. Combined with the actual situation of the site, relevant links of the problem are analyzed. The influencing factors are processed and optimized, while meeting the normal operation requirements of the system and the requirements of industrial safety, the original hydrogenation scheme is reasonably improved, the hydrogenation rate of the primary circuit during HFT is ensured, and the duration is shorted. It has reference significance for the construction of followup Generation Ⅲ nuclear power plants and HPR1000s.

Generation Ⅲ nuclear power plant; HFT passivation; hydrogenation speed

TL48

A

0258-0918（2022）02-0359-06

2021-05-12

陳 旭（1988—），男，四川瀘州人，工程師，學士，現(xiàn)從事“華龍一號”核島調(diào)試相關(guān)研究