AP1000核電站氫氣系統施工和調試要點分析

(山東核電有限公司,山東 煙臺 265116)

1 氫氣系統簡介

氫氣是一種易燃易爆的氣體，它的爆炸極限是4.1%～75%。氫氣系統調試是一項高風險作業(yè)，為了安全順利的完成系統調試工作，就要求從設備安裝、系統聯檢和后期調試各個階段嚴格按照規(guī)范的要求進行。

AP1000核電氫氣系統由美國西屋公司設計，分為高壓氫氣系統、低壓氫氣系統和氫氣升壓系統。這三大系統共同組成了AP1000核電氫氣供應系統，下面對每個系統功能和設備進行簡介。

1.1 高壓氫氣系統

高壓氫氣系統主要的設備有：高壓氫氣鋼瓶、氫氣鋼瓶自動切換裝置、其他相關的閥門、管道和儀表等。主要功能：將高壓氫氣鋼瓶內的高壓(41.4 MPa)氫氣通過減壓裝置減壓至19.3～20.68 MPa，通過CVS注氫模塊向RCS系統提供氫氣，保證一回路在正常運行期間的還原性環(huán)境要求。

1.2 低壓氫氣系統

低壓氫氣系統主要設備：氫氣拖車、氫氣減壓閥、其他相關的閥門、管道和儀表等。主要功能：將氫氣拖車的高壓(20 MPa)氫氣減壓至1.23～1.31 MPa，輸送給DWST除氧單元、CST除氧單元和發(fā)電機氫氣供應系統，利用DWS內的催化劑將含氧水轉化成除氧水，向一回路和二回路提供合格的除氧水；同時向發(fā)電機系統提供高純氫氣，以滿足正常運行期間發(fā)電機冷卻的需求。

1.3 氫氣升壓系統

氫氣升壓站系統主要設備：空氣壓縮機、空氣干燥機、氫氣升壓組件、相關的閥門、管道和儀表等。主要功能：利用氣動升壓泵將低壓氫氣(1～20 MPa)氫氣升壓至41.4 MPa并充裝至高壓氫氣鋼瓶內，充裝好的高壓氫氣鋼瓶運輸至高壓氫氣站使用。

2 系統移交檢查重點分析

建安單位完成設備安裝和系統打壓試驗后，在SPMO的組織下，調試人員對系統進行了聯合檢查，檢查過程中發(fā)現了不少設計、安裝方面的問題，現將系統聯合檢查過程中遇到的典型問題及后續(xù)處理方法進行簡要介紹。

2.1 系統接地檢查

可燃氣體在金屬管道內輸送過程中，氣體分析會與管道產生摩擦，在管道表面產生靜電，金屬管道表面的電壓最高可達幾十千伏，如果靜電沒有及時導出，最終可能導致火災或爆炸事故的發(fā)生。根據國標GB 50177《氫氣站設計規(guī)范》[1]的要求，氫氣站內的設備、管道、構架、電纜金屬外皮、鋼屋架和突出屋頂的放空管、風管等應接到防雷電感應接地裝置上。管道法蘭和閥門等連接處，應采用金屬導線跨接。

在系統聯檢時，部分設備和管道的接地存在不滿足規(guī)范的現象：1)管道沒有進行接地；2)接地線直徑不滿足規(guī)范要求；3)接地線沒有固定措施等，這些不規(guī)范施工可能會導致系統接地失效。

建安單位在SPMO的監(jiān)督下對照規(guī)范要求逐一進行整改，氫氣管道在安裝過程中，施工要嚴格按照規(guī)范的要求進行，監(jiān)理人員需要提高自身知識水平，掌握相關標準規(guī)范建安人員的施工行為。

2.2 設備安裝檢查要點

系統聯檢過程中，要考慮如下幾個方面：1)系統運行階段的可操作性；2)設備維護保養(yǎng)的可行性；3)設備與周圍環(huán)境的適用性。在低壓氫氣系統聯檢是發(fā)現，低壓氫氣轉子流量計和過流逆止閥儀表盤都朝向墻面，系統投運后人員不能準確方便地讀取數據；氫氣升壓模塊安裝在一個非常狹小的柜體內，沒有足夠的空間進行設備的維護保養(yǎng)；氫氣排空管的疏水支管放置在室內，導致管道內積水會排放到室內。流量計最終通過調整的內部轉子，過流逆止閥通過調整引壓管的方式解決了儀表讀數困難的問題，并不是所有的安裝問題都可以通過后期變更加以改正，氫氣升壓模塊就是一個例子，由于其集成化程度很高，如果要進行修改，就需要重新進行設計制造，這將耗費大量的人力和物力，目前還是維持原樣。

設備安裝檢查發(fā)現的問題，其發(fā)生的原因是復雜的。既有在系統設計時，沒有考慮到系統管道在現場的布置情況；又有設計人員在進行產品設計輸入時，對產品的安裝細節(jié)考慮不周；更有建安人員在安裝完設備后，沒有考慮到后續(xù)設備操作的可行性。在施工完成后，現場部分設備、閥門等存在不可達和操作困難的問題。為了盡量避免類似問題的出現：1)設計人員在進行系統設計時，不僅要考慮符合具體設計規(guī)范的要求，還要認真研究用戶實際使用需求；2)制造廠商要及時跟設計單位溝通，確保產品滿足設計要求；3)施工人員要有質疑的態(tài)度，針對一些不合理的施工方案向管理人員反饋，只有這樣才能實現設備合理可靠的安裝。見圖1。

圖1 現場設備安裝圖Fig.1 On-site equipment installation

2.3 系統打壓和吹掃

按照AP1000總承包合同的要求，建安單位負責管道、設備安裝和系統打壓工作，系統吹掃和沖洗工作由調試人員執(zhí)行。在這種工作模式下，建安單位在施工時忽視了管道清潔度和異物的控制，在進行管道切割和打磨作業(yè)時，一些金屬碎屑和固體顆粒就有可能遺留在管道內，后續(xù)進行系統打壓試驗時，需要經常對閥門進行開關操作，這些位于閥門密封面處的固體顆粒與閥芯發(fā)生摩擦，導致密封面發(fā)生損壞，閥門會出現漏氣或漏水現象；有的固體顆粒在泄壓階段被帶至一些死角的位置，形成系統內的異物，這些異物可能會損傷水系統泵的葉輪和儀表等，氫氣系統的固體顆粒可能會與管道碰撞產生電火花。

建議后續(xù)項目調整施工順序，建安單位完成管道和設備安裝后，建安單位負責系統管道的吹掃和沖洗工作，業(yè)主人員現場對沖洗和吹掃的清潔度進行驗收，驗收合格后再執(zhí)行系統打壓工作；管道在安裝前要用壓縮空氣進行徹底吹掃，清除管道內的積灰和固體顆粒；盡量避免對已安裝的豎直管道進行打磨，在車間完成切割后，再運至現場進行焊接。

2.4 系統設計缺陷

西屋公司在進行氫氣系統設計時，沒有考慮到氮氣置換操作，按照目前的設計進行氮氣吹掃后，在執(zhí)行氫氣投運操作時，將有部分空氣被夾帶到系統內；且當發(fā)生需要緊急停運氫氣的狀況時，無法快速完成系統置換，不符合系統安全穩(wěn)定運行的要求；高壓氫氣鋼瓶的接頭型式是按照美標進行設計的，螺紋尺寸和國內鋼瓶不相符；而且低壓和高壓氫氣都沒設計氫氣取樣口和在線氫氣純度儀。

2.4.1 氮氣吹掃

低壓氫氣和高壓氫氣系統都沒有設計專門的氮氣置換管道及其接頭，氫氣系統進氫氣前，必須對管內的空氣用惰性氣體進行置換，空氣含量滿足要求后才可以通氫氣,見圖2。

圖2 低壓氫氣供氣管線改造圖Fig.2 The modification of the low pressure hydrogen system

針對低壓氫氣系統，調試設計了一套供臨時供氣裝置。每條供氫管道處都安裝一個三通及配套的隔離閥，氮氣置換管道通過金屬軟管與氮氣鋼瓶連接。這就保證了當系統發(fā)生突發(fā)狀況需要氮氣置換時，可以隨時投運氮氣置換系統。

對于高壓氫氣系統而言，目前國內的氮氣鋼瓶無法直接與高壓氫氣管道連接。而制作轉換接頭存在高壓氣體泄漏的安全風險。

針對這種狀況，調試人員想到了利用氫氣升壓系統將低壓氮氣灌裝到高壓氫氣鋼瓶內的方式，然后將充有高壓氮氣的氫氣鋼瓶與系統連接，進而完成氮氣置換。在1號機組熱態(tài)功能試驗期間，通過這種臨時措施，安全順利地完成了向RCS系統充注20 MPa高壓氫氣的工作任務。目前高壓氫氣鋼瓶都是美國生產的，國內廠家還不具備該設備的生產能力。AP1000在進行國產化過程中，國內的設備廠家也要提升自身研發(fā)水平，早日具備生產相關配套設施的能力。

2.4.2 氫氣取樣和在線純度監(jiān)測

低壓氫氣和高壓氫氣系統都沒設計氣體取樣口和在線純度儀，在執(zhí)行氫氣系統預運行試驗時，無法分析確認系統氮氣和氫氣置換狀況。根據工程實踐經驗，將高壓氫氣系統充壓至設計壓力，然后排放至微正壓，連續(xù)進行四次就可達到置換要求。低壓氫氣系統通過連續(xù)向DWS除氧模塊供氮氣，通過其排空管道排至室外，連續(xù)進行30 min的置換操作后，低壓氫氣管線內的氧氣含量即可滿足規(guī)范要求。

3 調試試驗執(zhí)行

AP1000氫氣系統需要進行的試驗主要有：閥門單體試驗、系統泄漏率試驗、電氣設備上電試驗、箱體檢查和系統預運行試驗等。

3.1 閥門單體試驗

閥門單體試驗期間，經常遇到如下問題：

(1)閥門操作卡澀或內漏。可能存在的原因：閥門密封面處存在異物；管道在進行對接焊或法蘭安裝時，兩側管道沒有對中，閥門進行開關操作時，閥芯與管道或法蘭墊片產生摩擦。

(2)雖然安全閥出廠前完成了起跳壓力試驗，但在調試過程中，對安全閥進行泄漏率試驗時發(fā)現，存在起跳壓力或密封壓力不滿足要求的狀況。

(3)高壓氫氣切換裝置單體試驗。高壓氫氣系統共有四個高壓氫氣鋼瓶，當一組高壓氫氣鋼瓶壓力降低至報警壓力后，系統將自動切換至備用氣瓶進行供氣。熱態(tài)功能試驗前，為測試閥門性能，在國內供貨商處提前進行相關測試，保證了熱試期間供氣的可靠性。

閥門性能不滿足要求的原因是復雜的，為避免再次發(fā)生問題，廠家應在閥門出廠前嚴格按照要求執(zhí)行出廠試驗，監(jiān)造人員必須設點見證。在儲運時，嚴格按照廠家要求進行閥門的儲運工作。施工期，QC人員確認管道和閥門滿足安裝標準后再進行簽字。

3.2 系統泄漏率試驗

根據國標GB 50177《氫氣站設計規(guī)范》的要求，氫氣管道在通氫氣之前都需要進行泄漏量測量試驗，試驗持續(xù)時間是24 h，驗收準則為平均每小時泄漏率小于0.5%/h。

AP1000氫氣系統泄放管都連至同一條穿過房頂的母管，經過阻火器后排放至室外，每條單獨泄放管道的隔離閥都屬于泄漏率試驗的邊界閥，在房頂進行泄漏率檢查存在較大安全風險，而在地面又無法確認具體哪個閥門存在泄漏。

根據現場實際狀況，調試人員在房頂阻火器處安裝了一塊盲板，通過這種方法，泄漏的氣體將通過泄放母管的疏水管線排出。對管道進行逐段打壓查漏，在疏水管線出氣口涂抹檢漏液，逐個確認存在泄漏的閥門。完成閥門修復工作后，最終氫氣管線泄漏率試驗圓滿成功。

3.3 箱體檢查

升壓站壓縮空氣儲罐沒有設計人孔，人員無法直接進入其內部進行罐體檢查，需要借助內窺鏡進對內部檢查。檢查發(fā)現儲罐存在如下問題。

(1)內表面存在銹蝕。罐體出廠前水壓試驗后，如果沒有用氣體將罐體吹干；或者罐體存儲期間處于潮濕環(huán)境；設備安裝后，環(huán)境中的濕空氣進入箱體，造成內表面腐蝕。

(2)箱體外部油漆破損。施工過程中，對箱體成品保護不到位，將設備表面的漆層破壞。

氣體儲罐在出廠前應充惰性氣體保護，在儲存和安裝完成后，定期檢查罐體壓力，壓力不足時，應及時進行充氣，確保罐體一直處于正壓。如果罐體油漆出現破損時，要及時進行修復。根據腐蝕機理，罐體其他部位漆層完好時，漆層破損的位置極易形成電化學腐蝕，罐體壽命將大大折損。

3.4 系統預運行試驗

在執(zhí)行氫氣系統預運行試驗時，發(fā)現系統和設備存在如下問題。

(1)下游用戶管道沒有執(zhí)行泄漏率試驗，氫氣系統投運后，部分隔離閥出現漏氫現象，被迫停運系統處理存在泄漏的閥門。在核電廠正常運行期間，一回路要一直保持還原性的水化學環(huán)境，要保持高壓氫氣連續(xù)向一回路供氣，如果停運高壓氫氣，電廠將被迫降功率運行或停堆，這將造成重大的經濟損失。

氫氣相關管道進氣之前，都要進行泄漏檢查，只有滿足國標要求后，才可進行系統充氫。一旦出現漏氫氣，首先要切斷氣源，然后再進行惰性氣體置換，再進行處理。

(2)氫氣升壓站是一套自動化的氫氣灌裝設施，其對于各單體設備的可靠性要求很高，在進行升壓站調試過程中，出現過如下問題。

氣動閥閥位反饋不準。每個氣動閥底部都連有一個閥位指示裝置——接近開關。調試過程中，多次發(fā)生接近開關指示與現場實際狀態(tài)不符的現象，需要手動調節(jié)接近開關與氣動閥間隙進行處理。系統維護保養(yǎng)時，應定期對接近開關進行檢查，確保其動作可靠。

氫氣升壓組件運行時，模塊內的氫氣探測器出現氫氣濃度高報警，升壓組件的自動保護系統動作，系統內的高壓氫氣通過泄放管路排放至室外，經過排查，確認排放管道的一個快速接頭處存在安裝缺陷，導致系統排氣時漏氫。

氫氣分子比氮氣分子小很多，氮氣泄漏率試驗檢查合格后，系統正式充氫氣時，要同時檢查各機械連接處是否存在泄漏。

4 總 結

核電廠氫氣系統雖然屬于輔助系統，但對于電廠安全穩(wěn)定運行至關重要。發(fā)電機、除鹽水和一回路加氫都需要連續(xù)穩(wěn)定地供應氫氣，如果氫氣質量不滿足要求，將會導致發(fā)電機定子繞組絕緣性能將會下降，最終出現定子繞組相間短路；除鹽水除氧效果不滿足要求，DWS出水氧含量超標，增加下游系統設備腐蝕風險；向一回路注入的氫氣不滿足要求，會導致一回路惰性氣體含量升高，需要定期進行排氣操作。

氫氣系統調試需要重點關注防火防爆措施，調試前徹底梳理并消除危險源才能保證調試工作安全順利進行。