核電站大修機(jī)組反應(yīng)堆廠房一氧化碳濃度異常分析與控制

趙朝陽，趙從華，陳倫道

( 遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116000)

標(biāo)準(zhǔn)狀況下，一氧化碳(CO)為無色無臭、無刺激性的易燃易爆有毒氣體。CO相對分子質(zhì)量為28.01，微溶于水，溶于乙醇、苯等多種有機(jī)溶劑；其與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒和爆炸，空氣混合爆炸極限為12.5%～74.0%。人員作業(yè)過程中長期反復(fù)接觸CO，可能會導(dǎo)致其進(jìn)入人體并與血液中的血紅蛋白結(jié)合(相對于氧氣)，造成人體組織缺氧而導(dǎo)致人員中毒[1-5]。

目前國內(nèi)核電站機(jī)組常見的堆型為法國法馬通M310及其國產(chǎn)化改進(jìn)型號CRP1000及ACPR1000、法國CP1000、美國AP1000以及自主研發(fā)的華龍一號，所有堆型均設(shè)計有反應(yīng)堆廠房，該廠房為核電站核燃料反應(yīng)及其一回路冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備布置廠房。機(jī)組正常運(yùn)行期間，核電站反應(yīng)堆廠房為負(fù)壓封閉狀態(tài)，其內(nèi)部系統(tǒng)介質(zhì)及相關(guān)物項(xiàng)無CO氣體或產(chǎn)生CO氣體的反應(yīng)。

2017年4月,遼寧紅沿河核電站某臺機(jī)組大修期間，反應(yīng)堆廠房首次開啟后測得其氧氣(O2)濃度(為18.3%)低報警，進(jìn)一步使用多功能氣體檢測儀測量發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)堆廠房內(nèi)CO氣體的濃度為100～130 ppm(1 ppm=1×10-6)，超過了我國《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》(GBZ 2.1—2007)國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值，即CO氣體8 h時間加權(quán)平均容許濃度為20 mg/m3(相當(dāng)于16 ppm),存在人員中毒的風(fēng)險，不滿足人員現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的要求。紅沿河核電站通過中廣核經(jīng)驗(yàn)反饋系統(tǒng)將該問題反饋至集團(tuán)內(nèi)其他核電站，最終發(fā)現(xiàn)所有正在運(yùn)行的機(jī)組通過采取管線測量反應(yīng)堆廠房內(nèi)氣體中CO濃度均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，但是正在大修期間的機(jī)組反應(yīng)堆廠房內(nèi)氣體中未測出CO氣體。為此，有必要對該核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常的原因進(jìn)行分析，并提出有針對性的安全控制措施。

1 核電站反應(yīng)堆廠房產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w的原因分析

1. 1 反應(yīng)堆廠房狀態(tài)分析

以紅沿河核電站CPR1000機(jī)組為例，核電站反應(yīng)堆廠房又稱安全殼，是一個帶有準(zhǔn)球形穹頂?shù)膱A柱形預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地面高度約60 m,直徑約37 m，內(nèi)部體積約為49 400 m3。該機(jī)組功率運(yùn)行期間，反應(yīng)堆廠房處于負(fù)壓封閉狀態(tài)，安全殼連續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)正常投運(yùn)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆廠房空氣內(nèi)部循環(huán)，環(huán)境溫度為40℃左右，一回路冷卻系統(tǒng)溫度為300℃左右。該機(jī)組大修期間，機(jī)組從反應(yīng)堆功率運(yùn)行模式降至余熱排出系統(tǒng)冷卻停堆模式后，安全殼換氣通風(fēng)系統(tǒng)投運(yùn)，反應(yīng)堆廠房與外界進(jìn)行正常氣體交換，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和外界一致。

根據(jù)反應(yīng)堆廠房狀態(tài)設(shè)置分析，反應(yīng)堆廠房在機(jī)組功率運(yùn)行時CO氣體濃度異常超標(biāo)的原因可能為：機(jī)組功率運(yùn)行期間，高溫環(huán)境狀態(tài)下，反應(yīng)堆廠房內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行理化反應(yīng)產(chǎn)生CO，并在封閉空間內(nèi)長時間積累導(dǎo)致的。

1. 2 反應(yīng)堆廠房內(nèi)一氧化碳產(chǎn)生機(jī)理的調(diào)查

核電站反應(yīng)堆廠房內(nèi)部主要有核燃料反應(yīng)堆和其他一回路主要設(shè)備以及部分專設(shè)安全系統(tǒng)和核輔助系統(tǒng)設(shè)備，相關(guān)系統(tǒng)主要介質(zhì)為水和潤滑油，沒有系統(tǒng)使用CO為介質(zhì)。根據(jù)核電站發(fā)電原理分析，機(jī)組功率運(yùn)行期間，反應(yīng)堆廠房內(nèi)系統(tǒng)正常運(yùn)行沒有產(chǎn)生CO氣體的反應(yīng)，因此不存在反應(yīng)堆廠房內(nèi)系統(tǒng)泄漏或正常反應(yīng)產(chǎn)生CO中間產(chǎn)物導(dǎo)致空氣中CO濃度增加的原因。

根據(jù)CO氣體理化性質(zhì)分析可知，含碳物質(zhì)經(jīng)過不完全燃燒或受熱分解后會產(chǎn)生CO氣體[6]。通過調(diào)查分析反應(yīng)堆廠房內(nèi)各類材料物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其中轉(zhuǎn)動設(shè)備及閥門使用的潤滑油、脂，高溫管道保溫棉，廠房內(nèi)使用的油漆及電纜為反應(yīng)堆廠房內(nèi)主要受熱會分解的物質(zhì)，這些物質(zhì)在高溫環(huán)境下受熱緩慢分解可能產(chǎn)生CO氣體[7]。

1. 3 反應(yīng)堆廠房內(nèi)物質(zhì)受熱分解試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)樣品為紅沿河核電站反應(yīng)堆廠房內(nèi)使用的6類潤滑油、脂以及耐輻照玻璃保溫棉、油漆。

1.3.2 試驗(yàn)工具

本次試驗(yàn)使用工具包括加熱器、多功能測量儀表Drager—X-am2500、溫槍、鋼板、氣體采樣瓶、氣體含量分析儀Dgilent Technologies 789A等。

1.3.3 試驗(yàn)方法

本次反應(yīng)堆廠房內(nèi)物質(zhì)的受熱分解(燃燒)試驗(yàn)分為4組：第一組為保溫棉受熱分解試驗(yàn)；第二組為6類潤滑油、脂受熱分解試驗(yàn)；第三組為6類油漆受熱分解試驗(yàn)；第四組為電纜受熱分析試驗(yàn)。

試驗(yàn)人員采用加熱器加熱鋼板至300℃左右，模擬機(jī)組功率運(yùn)行期間反應(yīng)堆廠房內(nèi)可能達(dá)到的最高溫度。試驗(yàn)期間分別將4組試驗(yàn)樣品放在高溫鋼板上，并通過測溫槍持續(xù)測量鋼板溫度，使用加熱器持續(xù)加熱且控制溫度在300℃左右，使用多功能測量儀表測量其周圍空氣中CO濃度，使用氣體采樣瓶收集氣體并使用氣體含量分析儀Dgilent Technologies 789A進(jìn)行氣體含量分析。

1.3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

第一組試驗(yàn)，反應(yīng)堆廠房內(nèi)使用的保溫棉在高溫受熱情況下未分解產(chǎn)生CO氣體，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 第一組試驗(yàn)樣品高溫受熱情況下產(chǎn)生的CO氣體濃度

第二組試驗(yàn)，反應(yīng)堆廠房內(nèi)使用的6類潤滑油、脂在高溫受熱情況下都會分解產(chǎn)生CO氣體，其試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 第二組試驗(yàn)樣品高溫受熱情況下產(chǎn)生的CO氣體濃度

第三組試驗(yàn)，反應(yīng)堆廠房內(nèi)使用的6類油漆在高溫受熱情況下未分解產(chǎn)生CO氣體，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 第三組試驗(yàn)樣品高溫受熱情況下產(chǎn)生的CO氣體濃度

第四組試驗(yàn)，反應(yīng)堆廠房內(nèi)使用的電纜在高溫受熱情況下未分解產(chǎn)生CO氣體，其試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由于取樣點(diǎn)、測量點(diǎn)及試驗(yàn)空間為非密封性的，因此以上試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)僅可作為定性分析的依據(jù)。

表4 第四組試驗(yàn)樣品高溫受熱情況下產(chǎn)生的CO氣體濃度

1. 4 反應(yīng)堆廠房內(nèi)產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w的原因

上述第二組試驗(yàn)樣品的6類潤滑油、脂均由基礎(chǔ)油和添加劑組成?；A(chǔ)油大部分都是礦物基礎(chǔ)油(約占95%以上)，化學(xué)成分主要是高沸點(diǎn)、高分子量烴類和非烴類混合物，其組成一般為烷烴(直鏈、支鏈、多支鏈)、環(huán)烷烴(單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán))、芳烴(單環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴)、環(huán)烷基芳烴及其他非烴類化合物。烴類化學(xué)物質(zhì)在高溫條件下會發(fā)生熱裂解反應(yīng)，CO氣體是烴類化學(xué)物質(zhì)熱裂解反應(yīng)的副產(chǎn)物之一[8]。

通過對潤滑油(脂)的來源進(jìn)行調(diào)查以及機(jī)組大修期間對反應(yīng)堆廠房的排查，確認(rèn)一回路系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑泵的電機(jī)正常運(yùn)行時會揮發(fā)出微量的油氣及部分設(shè)備的潤滑油、脂在高溫環(huán)境下的受熱分解。

根據(jù)理論分析及試驗(yàn)結(jié)果判斷，核電站機(jī)組功率運(yùn)行期間，反應(yīng)堆廠房內(nèi)產(chǎn)生CO氣體的原因?yàn)椋涸诟邷丨h(huán)境下，一回路系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑泵的電機(jī)正常運(yùn)行時揮發(fā)的微量油氣及部分設(shè)備的潤滑油、脂會受熱分解；同時，機(jī)組功率運(yùn)行期間反應(yīng)堆廠房處于微負(fù)壓封閉狀態(tài)，導(dǎo)致反應(yīng)堆廠房內(nèi)CO氣體長期聚積使其濃度增加。

2 反應(yīng)堆廠房一氧化碳?xì)怏w濃度異常的安全控制

2.1 反應(yīng)堆廠房一氧化碳?xì)怏w濃度異常安全控制標(biāo)準(zhǔn)

我國《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》(GBZ 2.1—2007)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：作業(yè)場所CO氣體8 h時間加權(quán)平均容許濃度(PC-TWA)為20 mg/m3(相當(dāng)于16 ppm)，短時間接觸容許濃度(PC-STEL)為30 mg/m3(相當(dāng)于24 ppm)；即使當(dāng)日的PC-TWA符合要求時，PC-STEL也不應(yīng)超過其規(guī)定限值；當(dāng)接觸濃度超過PC-TWA、達(dá)到PC-STEL水平時，一次持續(xù)接觸時間不應(yīng)超過15min，每個工作日接觸次數(shù)不應(yīng)超過4次，相繼接觸的間隔時間不應(yīng)短于60 min。此外，我國《呼吸防護(hù)用品的選擇、使用與維護(hù)》(GB/T 18664—2002)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：CO氣體立即危及生命和健康濃度(IDLH)為1 700 mg/m3(相當(dāng)于1 500 ppm)。國外對工作場所CO氣體濃度限值也有一定的規(guī)定，如法國電力公司(EDF)規(guī)定工作場所CO氣體濃度的控制限值為25 ppm。

由于核電機(jī)組大修期間，在安全殼換氣通風(fēng)系統(tǒng)投運(yùn)前，有部分工作需要在反應(yīng)堆廠房內(nèi)進(jìn)行，因此可能存在人員接觸CO氣體環(huán)境進(jìn)行作業(yè)的情況。根據(jù)法規(guī)規(guī)定和不同濃度CO氣體對人體健康的影響，本文制定了核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常情況的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，見表5。

表5 核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常情況的安全控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2 通過投運(yùn)安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路來降低一氧化碳?xì)怏w的濃度

安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)具有對反應(yīng)堆廠房內(nèi)大氣進(jìn)行小風(fēng)量清洗，并使排氣經(jīng)高效過濾器和碘吸附器過濾后通過煙囪排出，實(shí)現(xiàn)對安全殼大氣的間斷性更新的功能。因此，核電站機(jī)組大修前可以通過投運(yùn)安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路來降低反應(yīng)堆廠房內(nèi)CO氣體的濃度，滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

核電站《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：機(jī)組在功率運(yùn)行模式下，為了恢復(fù)安全殼內(nèi)氧氣含量，安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路投用時間不得大于50 h/a，總共投用時間不得大于180 h/a。因此，在投運(yùn)安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路降低CO氣體濃度時需要嚴(yán)格控制投用時間。根據(jù)安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路流量及反應(yīng)堆廠房氣體總量，通過建立數(shù)學(xué)模型[9]可得到反應(yīng)堆廠房CO氣體初始濃度與安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路投用時間的關(guān)系式，用于計算出反應(yīng)堆廠房CO氣體不同初始濃度下使用安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路吹掃CO氣體所需要的時間。

反應(yīng)堆廠房CO氣體初始濃度與安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路投用時間的關(guān)系式為

CgQdt-CQdt=V0dc

(1)

微積分求解得：

(2)

式中：Q為安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣流量(m3/h)；Cg為大氣中CO氣體初始濃度(ppm,即10-6)；C0為安全殼內(nèi)CO氣體初始濃度(ppm,即10-6)；T為安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路投用時間(h)；V0為安全殼的體積(m3)；C為排出CO氣體濃度(ppm,即10-6)；Cz為掃氣結(jié)束后CO氣體濃度(ppm,即10-6)。

根據(jù)核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常情況的安全控制標(biāo)準(zhǔn)(見表5)，要求反應(yīng)堆廠房作業(yè)環(huán)境CO氣體濃度小于16 ppm，因此Cz取16×10-6(16 ppm)；其他參數(shù)取值為：Q=1 500 m3/h,Cg=0(0 ppm),V0=49 400 m3。采用計算機(jī)軟件可模擬出安全殼內(nèi)CO氣體初始濃度C0與安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路投用時間T之間的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 安全殼內(nèi)CO氣體初始濃度C0與安全殼內(nèi)大 氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路投用時間T之間的關(guān)系曲線Fig.1 Curve of the relationship between the initial CO concentration C0 in the containment and the operation time T of the scavenging air loop of the atmospheric monitoring system in the containment

由于建立數(shù)學(xué)模型時假設(shè)反應(yīng)堆廠房內(nèi)初始與新進(jìn)CO氣體均勻混合，但實(shí)際情況是安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)吹掃前期CO氣體濃度降低速率大，隨著CO氣體濃度降低，CO氣體濃度降低速率減小，說明安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路排放CO氣體濃度前期較高，后續(xù)逐漸降低，因此通過數(shù)學(xué)模型計算出的安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路吹掃CO氣體的理論投用時間會大于實(shí)際需要的投用時間。而在實(shí)際工作中，安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)掃氣回路吹掃CO氣體時按照理論投用時間進(jìn)行控制，時間裕量可以為后續(xù)工作的有序開展提供有力保障。

3 結(jié)論與建議

(1) 針對核電站大修機(jī)組反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常問題，本文通過物質(zhì)受熱分解試驗(yàn)及CO氣體產(chǎn)生機(jī)理的分析，最終確定核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常的原因?yàn)椋涸诟邷丨h(huán)境下，反應(yīng)堆冷卻劑泵的電機(jī)正常運(yùn)行時揮發(fā)的微量油氣及部分設(shè)備的潤滑油、脂受熱分解產(chǎn)生了CO氣體；同時，核電站機(jī)組功率運(yùn)行期間，反應(yīng)堆廠房處于微負(fù)壓封閉狀態(tài)，導(dǎo)致反應(yīng)堆廠房內(nèi)CO氣體長期聚積而使其濃度升高。

(2) 核電站反應(yīng)堆廠房發(fā)生CO氣體職業(yè)健康有害因素，嚴(yán)重影響了核電站機(jī)組正常檢修工作，本文制定了核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常情況的安全控制標(biāo)準(zhǔn)和通過建立安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)降低CO氣體濃度的理論研究模型，從源頭上解決了核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體職業(yè)健康有害因素在核電機(jī)組大修期間對檢修工作人員的傷害。但本文僅對核電站反應(yīng)堆廠房CO氣體濃度異常情況進(jìn)行了初步分析探討，還希望國內(nèi)外核電站安全管理工作者地行更深入的研究，以提出更加合理的安全管控對策。