AP1000 主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)空氣露點(diǎn)溫度控制

李敏華

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江臺(tái)州 317112）

1 VES 空氣露點(diǎn)溫度概述

AP1000 應(yīng)急可居留系統(tǒng)（Main Control Room Emergency Habitability System，VES）設(shè)計(jì)上能自動(dòng)啟動(dòng)和非能動(dòng)運(yùn)行，不依靠廠內(nèi)和廠外交流電源、操縱員的動(dòng)作或能動(dòng)部件，能為主控室人員提供72 h 的可供呼吸的空氣。VES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有4 個(gè)壓空儲(chǔ)罐模塊，總?cè)莘e約41.8 m3，每個(gè)模塊包括8 只單獨(dú)的儲(chǔ)氣罐，每個(gè)模塊的8 只儲(chǔ)氣罐與一根直管相連，4 個(gè)模塊支管連接到一條公共的供氣母管上，從公共供氣母管供氣到主控室（圖1），VES 儲(chǔ)氣罐的正常壓縮空氣補(bǔ)充由CAS 高能壓空機(jī)提供。

圖1 AP1000 應(yīng)急可居留系統(tǒng)

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，在模式功率運(yùn)行、啟動(dòng)、熱備用、安全停堆模式下和受輻照燃料組件操作期間，VES 系統(tǒng)要求可運(yùn)行，這其中包括儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度滿足要求（露點(diǎn)溫度監(jiān)督試驗(yàn)至少每92 d 執(zhí)行一次），否則在VES 系統(tǒng)觸發(fā)后，由于空氣相對(duì)濕度高，在經(jīng)過系統(tǒng)減壓閥后可能使設(shè)備結(jié)冰，導(dǎo)致流道堵塞，VES 無法為主控室人員提供可供呼吸的空氣，主控室人員可居留性無法得到保證，技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，如若出現(xiàn)VES 儲(chǔ)氣罐空氣露點(diǎn)溫度不合格問題，需要在6 h 內(nèi)降至模式3.36 h 內(nèi)降至模式5。

2 影響VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度的因素

2.1 VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)有液態(tài)水

根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，建筑安裝期間VES 儲(chǔ)氣罐防異物控制做得不好，正常敞開對(duì)空，無有效防護(hù)或者保養(yǎng)，特別是夏天，環(huán)境空氣相對(duì)濕度高，極易在VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)部出現(xiàn)凝結(jié)水；另外建筑安裝期間進(jìn)行的VES 儲(chǔ)氣罐壓力試驗(yàn)，加壓的空氣幾乎沒經(jīng)除濕就進(jìn)入到儲(chǔ)氣罐內(nèi)，在壓力試驗(yàn)時(shí)，可能有水析出，導(dǎo)致VES儲(chǔ)氣罐內(nèi)積水。VES 儲(chǔ)氣罐是相對(duì)封閉的罐體，本體無低點(diǎn)疏水閥，每個(gè)儲(chǔ)氣罐有兩個(gè)接口：一個(gè)是0.95 cm 直徑的充氣/排氣管道，通過卡套與儲(chǔ)氣罐本體連接；另一個(gè)是儲(chǔ)氣罐末端直徑長(zhǎng)約10 cm 的堵頭，一旦水在儲(chǔ)氣罐內(nèi)積聚較難被發(fā)現(xiàn)同時(shí)也很難清理干凈。另外儲(chǔ)氣罐材料為碳鋼，水在儲(chǔ)氣罐內(nèi)積聚久了，儲(chǔ)氣罐內(nèi)壁腐蝕，水更加難清理。VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)存在液態(tài)水，水分子緩慢交換進(jìn)入到罐內(nèi)含水量極少的空氣中，導(dǎo)致空氣露點(diǎn)溫度上升。

2.2 高能壓空機(jī)供給空氣質(zhì)量

如果高能壓空過濾器失效或者運(yùn)行異常，充入VES 儲(chǔ)氣罐的空氣露點(diǎn)溫度不滿足要求會(huì)導(dǎo)致VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)露點(diǎn)溫度上升。

2.3 VES 儲(chǔ)氣罐壓力邊界設(shè)備檢修導(dǎo)致環(huán)境空氣進(jìn)入

VES 儲(chǔ)氣罐壓力邊界設(shè)備故障，儲(chǔ)氣罐排氣至常壓進(jìn)行設(shè)備的檢修，檢修過程中可能存在環(huán)境空氣進(jìn)入VES 儲(chǔ)氣罐，影響儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度。

3 VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)露點(diǎn)溫度計(jì)算及分析

根據(jù)VES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：在23.44 MPa 壓力下儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度不超過4.4 ℃，對(duì)應(yīng)常壓下的露點(diǎn)溫度要求不超過-53.9 ℃。因?yàn)闊o法直接測(cè)量VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)高壓空氣的露點(diǎn)溫度，所以日常使用的為常壓下VES 空氣露點(diǎn)溫度。

3.1 VES 儲(chǔ)氣罐對(duì)空后再次充氣過程中露點(diǎn)溫度計(jì)算及分析

由于設(shè)備檢修VES 儲(chǔ)氣罐對(duì)空，假設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃，儲(chǔ)氣罐內(nèi)是41.8 m3、相對(duì)濕度為50%的常壓空氣，經(jīng)查其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)濕度是8669 mg/m3，則VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)水的質(zhì)量為8669×41.8=362 364 mg=362.364 g；假設(shè)經(jīng)高能壓空機(jī)補(bǔ)入9450 m3、露點(diǎn)溫度為-56 ℃的空氣（對(duì)應(yīng)絕對(duì)濕度為13.7 mg/m3）將VES儲(chǔ)氣罐布置正常儲(chǔ)氣量，則補(bǔ)入的水的質(zhì)量為9450×13.7=129 465 mg=129.465 g。補(bǔ)入后VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為（8669×41.8+8×9450×13.7）/9491.8=51.81 mg/m3，對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度為-45.25 ℃，不滿足-53.9 ℃的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

從上述計(jì)算可以看出：

（1）常壓下儲(chǔ)氣罐內(nèi)41.8 m3內(nèi)空氣所含水的質(zhì)量是補(bǔ)入的9450 m3空氣內(nèi)的水質(zhì)量3 倍左右，儲(chǔ)氣罐內(nèi)露點(diǎn)溫度不滿足要求主要原因是初始儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣含水量高。

（2）由于VES 儲(chǔ)氣罐進(jìn)入管和排氣管是同一根管，所以需要多次充排來降低儲(chǔ)氣罐空氣露點(diǎn)溫度。

（3）根據(jù)計(jì)算露點(diǎn)溫度為-53.9 ℃的空氣，其絕對(duì)濕度為17.9 mg/m3，VES 正常儲(chǔ)氣氣量為9491.8 m3，則對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)水質(zhì)量為170 g，對(duì)應(yīng)170 毫升的水。含水量是非常小的。常壓下測(cè)得的露點(diǎn)溫度為-56 ℃，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)濕度為13.7 mg/m3，此時(shí)VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)水質(zhì)量為130 mg，對(duì)應(yīng)130 mL 的水。從露點(diǎn)溫度-56 ℃升高至-53.9 ℃，只需40 mL 的水進(jìn)入到VES 儲(chǔ)氣罐空氣中或者有4.6 m3環(huán)境空氣進(jìn)入到VES 儲(chǔ)氣罐中。假設(shè)初始VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)有水，則很有可能由于水的揮發(fā)導(dǎo)致VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度不合格。另外系統(tǒng)敞口后空氣進(jìn)入也很有可能導(dǎo)致VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度不合格。

3.2 通過充排方式降低VES 儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度

如果充排方案采?。号欧乓话塍w積后再補(bǔ)入露點(diǎn)溫度為-56 ℃的空氣。充排一次完成后，對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為：（51.81+13.7）/2=32.75 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-49.06 ℃，露點(diǎn)溫度不滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；繼續(xù)一次充排，充排后對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為：（32.75+13.7）/2=23.2 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-51.84 ℃，露點(diǎn)溫度不滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行第三次充排，對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)絕對(duì)濕度為（23.2+13.7）/2=18.46 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-53.65℃，露點(diǎn)溫度不滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行第四次充排，對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為（18.46+13.7）/2=16.08 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-54.7 ℃，露點(diǎn)溫度滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

由此可以看出，初次給VES 儲(chǔ)氣罐充氣，如果采用對(duì)半充排的方案，則至少需要4 次充排，越往后充排1 次VES 儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度下降越小。高能壓空機(jī)給VES 儲(chǔ)氣罐充氣速度約105 m3/h，排氣速度與充氣速度基本一致，則充排一次需要96 h，充排4 次大概需要連續(xù)充排16 d。

3.3 提高高能壓空供氣質(zhì)量對(duì)VES 儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度影響

之前假設(shè)的是通過高能壓空機(jī)充入露點(diǎn)溫度為-56 ℃的空氣。如果首次充入壓空露點(diǎn)溫度是-62 ℃的空氣（絕對(duì)濕度6.1 mg/m3），充滿后對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為（8669×41.8+8×9450×6.1）/9491.8=44.25 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-46.58 ℃；以露點(diǎn)溫度為-62 ℃的空氣充排1 次，對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為（44.25+6.1）/2=25.17 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-51.19 ℃；充排2 次，對(duì)應(yīng)VES 儲(chǔ)氣罐絕對(duì)濕度為（25.17+6.1）/2=15.63 mg/m3，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為-54.94 ℃。由此看出，提高充氣質(zhì)量后，充排2 次的VES 儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度比之前空氣品質(zhì)的空氣充排4 次的還要低。提高高能壓空空氣質(zhì)量后節(jié)省了8 d 工期。

4 控制VES 儲(chǔ)氣罐空氣露點(diǎn)溫度措施

4.1 嚴(yán)控建筑安裝階段和調(diào)試階段VES 儲(chǔ)氣罐的保養(yǎng)

建筑安裝階段以及調(diào)試期間要嚴(yán)格遵守設(shè)備運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)要求，保證VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)無異常積水和銹蝕。在系統(tǒng)移交生產(chǎn)前，要使用內(nèi)窺鏡到VES 儲(chǔ)氣罐逐一檢查，內(nèi)窺鏡從VES 儲(chǔ)氣罐堵頭處進(jìn)入，如果發(fā)現(xiàn)有水，使用熱風(fēng)進(jìn)行吹掃直至無可視的液態(tài)水。

4.2 精確計(jì)算，準(zhǔn)備好儲(chǔ)氣罐排空后重新充氣方案

由于儲(chǔ)氣罐取樣口在充氣路徑上，如果充上氣即進(jìn)行取樣，取到的很可能不是VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)代表的樣品，而是剛從高能壓空機(jī)出口的空氣，樣品露點(diǎn)溫度可能合格，但是靜置一段時(shí)間后，VES 儲(chǔ)氣罐空氣擴(kuò)散均勻，此時(shí)取樣樣品露點(diǎn)溫度可能會(huì)不合格。所以不要被充氣時(shí)的取樣結(jié)果迷惑，在排空后重新充氣，要精確計(jì)算、準(zhǔn)備好充排方案，充排后的露點(diǎn)溫度要保持一定裕量。

4.3 提高高能壓空機(jī)供氣質(zhì)量

在使用高能壓空機(jī)給VES 儲(chǔ)氣罐充氣時(shí)，嚴(yán)控高能壓空機(jī)出口空氣質(zhì)量，建議將出口空氣露點(diǎn)溫度控制在-60 ℃以下，具體做法為：高能壓空機(jī)給VES 儲(chǔ)氣罐充氣時(shí)加強(qiáng)高能壓空機(jī)出口空氣露點(diǎn)溫度巡檢，若露點(diǎn)溫度升至-60 ℃，及時(shí)更換高能壓空機(jī)過濾器，保證其出口空氣露點(diǎn)溫度足夠低。

4.4 避免環(huán)境空氣進(jìn)入VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)

正常VES 儲(chǔ)氣罐處于高壓狀態(tài)，環(huán)境空氣不可能進(jìn)入儲(chǔ)氣罐內(nèi)。如果VES 儲(chǔ)氣罐邊界設(shè)備因檢修，需排空儲(chǔ)氣罐至常壓，此時(shí)要做好工作計(jì)劃，系統(tǒng)開口盡量小、開口時(shí)間盡量短，在工作結(jié)束重新充氣時(shí)要考慮充排一次，避免設(shè)備檢修時(shí)環(huán)境空氣中水分進(jìn)入到VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)導(dǎo)致露點(diǎn)溫度異常上升。

5 快速提高VES 儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度的設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前設(shè)計(jì)：VES 儲(chǔ)氣罐充氣管線與排氣管線是同一根，所以如若需要提高露點(diǎn)溫度，需要采用排氣后充氣的方式，這種方式耗時(shí)長(zhǎng)，效率慢，且在規(guī)定模式下若出現(xiàn)VES 儲(chǔ)氣罐空氣露點(diǎn)溫度不合格，依據(jù)技術(shù)規(guī)格書在6 h 內(nèi)退防到熱備用狀態(tài)，36 h退防到冷停堆狀態(tài)。按照目前設(shè)計(jì)，如果出現(xiàn)VES 儲(chǔ)氣罐露點(diǎn)溫度不合格，采用充排方式至少需要24 h 恢復(fù)露點(diǎn)溫度。可以考慮對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行如下優(yōu)化：儲(chǔ)氣罐充氣口從堵頭處連接，充氣口和排氣口分開且在儲(chǔ)氣罐兩側(cè)（圖2）。這樣VES 儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體可以采用吹掃的形式進(jìn)行換氣，初次充氣也不需要多次充排，直接吹掃即可，大大提高了效率，節(jié)省了時(shí)間。如果出現(xiàn)露點(diǎn)溫度不合格的問題也能快速恢復(fù)，提高電廠經(jīng)濟(jì)。

圖2 儲(chǔ)氣罐入口管道優(yōu)化

6 結(jié)束語

介紹控制AP1000 主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)空氣露點(diǎn)溫度的原因以及溫度限值，分析了可能影響空氣露點(diǎn)溫度的因素，利用科學(xué)計(jì)算，定性地展示了各因素的影響，給出了控制VES 儲(chǔ)氣罐空氣露點(diǎn)溫度措施。針對(duì)目前AP1000 主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)設(shè)計(jì)無法快速提高VES 空氣露點(diǎn)溫度的問題，也提出了優(yōu)化方案。