核電廠含氫廢氣處理系統(tǒng)氦檢漏技術(shù)研究

趙 玄 高 誼 周小龍

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 前言

核電機(jī)組 TEG 系統(tǒng)主要由有 4 個(gè) 60 m3和 4 個(gè)18 m3的衰變箱及配套設(shè)備組成，系統(tǒng)總?cè)莘e約317 m3。氦氣泄漏試驗(yàn)作為最終的驗(yàn)收試驗(yàn)，僅針對(duì)含氫廢氣處理部分進(jìn)行。 具體包括：緩沖罐、衰變箱、含氫廢氣壓縮機(jī)、壓縮氣體冷卻器、汽水分離器等設(shè)備，以及上述設(shè)備的附屬管線、閥門。

TEG 系統(tǒng)檢漏的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)單位參考國(guó)外核電廠運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行制造水平而設(shè)定的。 其高標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于檢漏系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 核電TEG 氦檢漏系統(tǒng)應(yīng)滿足如下技術(shù)指標(biāo)[1-2]。

點(diǎn)試驗(yàn)檢漏系統(tǒng)可以檢測(cè)出10-9Pa·m3/s 級(jí)別的漏點(diǎn)。

總試驗(yàn)檢漏系統(tǒng)可以檢測(cè)出10-6Pa·m3/s 級(jí)別的漏點(diǎn)。

1 TE G 系統(tǒng)的氦檢漏系統(tǒng)配置分析

TEG 系統(tǒng)的（真空法）氦檢漏系統(tǒng)主要由氦質(zhì)譜儀、輔助抽氣泵組、管道及閥門、輔助設(shè)備以及輔助控制系統(tǒng)等組成。 系統(tǒng)的常用配置見(jiàn)下表1。

1.1 氦質(zhì)譜儀選型分析

目前市面流行機(jī)型主要有Leybold PHOENIX L300i 系 列 、ULVAC HELIOT700/900 系 列 、INFICON系列的UL1000 氦質(zhì)譜檢漏儀等，也是目前TEG 系統(tǒng)氦檢漏系統(tǒng)所采用的常用機(jī)型。其主要性能參數(shù)如下表2 所示。

1.1.1 質(zhì)譜儀性能參數(shù)選擇分析

氦質(zhì)譜儀而言的工作真空、極限真空、節(jié)流閥處的抽速、被檢件的漏氣量以及虛漏的總氣流量有如下關(guān)系[3]：

式中：

PP—工作真空，單位為Pa。

PL—極限真空，單位為Pa。

Sj—節(jié)流閥處的抽速，單位為m3/s。

Q0—被檢件的漏氣，單位為 Pa·m3/s。

∑Qi—虛漏的總氣流量，單位為 Pa·m3/s。

通常：PL 遠(yuǎn)小于 PP，所以：

由（2）式可見(jiàn)：工作真空PP越高、節(jié)流閥處的抽速Sj越大，氦質(zhì)譜儀就越能適應(yīng)在惡劣條件下進(jìn)行檢漏。

檢漏時(shí)若質(zhì)譜室中的壓力太低，需通過(guò)高真空擋板閥 （或針閥） 放入氣量QT使質(zhì)譜室的壓力達(dá)到PP值。若節(jié)流閥處的抽速為Sj，即QT=SjPP，而系統(tǒng)有效最小可檢漏率可用下式求得：

式中：qmin—系統(tǒng)有效最小可檢漏率，單位為Pa·m3/s。

γmin—檢漏儀的濃度靈敏度。

QT—通過(guò)高真空擋板閥（針閥）T 的空氣流量。

由式（3）可知，對(duì)于某一特定的氦質(zhì)譜儀來(lái)說(shuō)，qmin一定，因此，SjPP越大，即 QT越大，γmin就越小，即儀器的濃度靈敏度就越高，對(duì)檢漏越有利。

對(duì)漏氣和出氣都很大的被檢件進(jìn)行檢漏時(shí)， 如：TEG 系統(tǒng)，SjPP越大越好。 檢漏中必須加輔助真空系統(tǒng)輔助氦質(zhì)譜儀抽氣，輔助系統(tǒng)有分流作用，可降低檢漏靈敏度。 但SjPP越大，輔助系統(tǒng)的分流作用就會(huì)越小， 對(duì)系統(tǒng)檢漏靈敏度影響越小。 其中，PHOENIX L300i、UL1000、ULVAC HELIOT710 具有較高 SjPP，更有利于氦檢漏試驗(yàn)。

1.1.2 系統(tǒng)靈敏度（有效最小可檢漏率）分析

系統(tǒng)靈敏度除了與氦檢漏系統(tǒng)本身有關(guān)外，還與被檢系統(tǒng)有關(guān)。 如上所述，氦檢漏系統(tǒng)本身靈敏度至少要高出被檢系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)0.5～1 個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。 考慮輔助泵分流作用， 泵組在10 Pa 以下的實(shí)際抽速與檢漏儀的實(shí)際抽速之比可達(dá)到100∶1，氦質(zhì)譜儀最小可檢漏率應(yīng)比被檢系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)高3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)， 因此檢漏 儀 的 Leybold PHOENIX L300i、ULVAC HELIOT710、INFICON 系列的 UL1000 氦質(zhì)譜檢漏儀本身的最小可檢漏率可滿足系統(tǒng)檢漏要求。

表1 TEG 系統(tǒng)的氦檢漏系統(tǒng)的常用配置

表2 氦檢漏儀的主要參數(shù)

1.2 輔助真空系統(tǒng)的選型分析

輔助真空系統(tǒng)具有預(yù)抽容器、分流氣體、減小示漏氣體反應(yīng)時(shí)間和清除時(shí)間等功能。其配置選型主要根據(jù)TEG 系統(tǒng)容器的結(jié)構(gòu)尺寸、 檢漏要求和檢漏條件選擇。 一般的輔助真空系統(tǒng)由主泵、前級(jí)泵、次級(jí)泵、真空管道等組成。

1.2.1 主泵的選型分析

（1）主泵類型選擇。

主泵類型可以選擇的機(jī)組很多。 其中，國(guó)產(chǎn)ZJB帶溢流閥羅茨真空泵、 歐瑞康萊寶WAU 系列歐瑞康萊寶羅茨泵都是有代表性的機(jī)型。國(guó)產(chǎn)ZJB 帶溢流閥羅茨真空泵具有過(guò)載自動(dòng)保護(hù)，價(jià)格便宜，對(duì)注重投資成本的用戶有著不小的誘惑力。 歐瑞康萊寶WAU系列的可以在大氣下啟動(dòng)， 既可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制程序， 又提高了從大氣壓到1 000 Pa 范圍內(nèi)機(jī)組的抽速，在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)（即使在極限壓強(qiáng)附近）具有高抽速；同時(shí)它采用風(fēng)冷，無(wú)需循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

（2）主泵極限壓力的選擇。

主泵的選型是根據(jù)真空室空載時(shí)要求達(dá)到的極限壓力來(lái)確定的[5]。 通常選取主泵的極限壓力需比真空室空載極限壓力低半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)，相關(guān)規(guī)程規(guī)定TEG 系統(tǒng)氦檢漏要求系統(tǒng)壓力應(yīng)在10 Pa 以下。即抽氣系統(tǒng)的極限壓力至少達(dá)到1×100 Pa。 RUVAC WAU1001 的理論極限壓力達(dá) 1×10-2Pa， 與 SV300 配合實(shí)際極限壓力達(dá)5×10-1Pa； 國(guó)產(chǎn)ZJB-150 30+2S-230 理論極限壓力可達(dá)1×10-2Pa，空載時(shí)，實(shí)際極限壓力也能達(dá)到1×10-1Pa，因此，兩種泵均可滿足TEG系統(tǒng)氦檢漏試驗(yàn)要求。

（3）主泵抽速的選擇。

主泵抽速由真空室最大放氣量、系統(tǒng)漏氣量及所需要的工作壓力來(lái)確定[6]。 從羅茨泵組（WAU1001+SV300）抽速曲線上分析，在 10～1 000 Pa 區(qū)間，實(shí)際抽速優(yōu)于800 m3/h，有利于TEG 氦檢漏試驗(yàn)，詳見(jiàn)下圖1。

圖1 VACUUM PUMP WAU1001 抽速曲線

實(shí)際檢漏中，有效抽速?zèng)Q定了抽氣時(shí)間。 低真空時(shí)（忽略漏氣）抽氣時(shí)間[7]：

式中：t—抽氣時(shí)間（s）。

V—真空設(shè)備容積（L）。

S—泵的有效抽速（L/s）。

Pi—設(shè)備開(kāi)始抽氣時(shí)的壓力（Pa）。

P—設(shè)備經(jīng)t 時(shí)間的抽氣后的壓力（Pa）。

上式中泵組的抽速非恒定，必須根據(jù)不同泵組的實(shí)際抽速曲線，進(jìn)行分段積分計(jì)算，使理論值更加接近實(shí)際值。 段數(shù)愈多，計(jì)算的抽氣時(shí)間愈接近變抽速的實(shí)際狀況。

TEG 系統(tǒng)單個(gè)容器（衰變罐）的容積有60 m3，整個(gè)系統(tǒng)的容器的容積約300 m3?？紤]抽氣管道流導(dǎo)作用、工作時(shí)長(zhǎng)等相關(guān)因素，單臺(tái)60 m3的系統(tǒng)衰變箱，最長(zhǎng)抽氣時(shí)間應(yīng)控制在6 h 之內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)表明：?jiǎn)蝹€(gè)60 m3衰變箱使用WAU1001+SV300 抽真空，抽到10 Pa 以下的抽氣時(shí)間在約為180 min，抽到5 Pa 約為270 min；使用ZJB-150 30+2S-230 抽真空，抽到10 Pa 以下的抽氣時(shí)間約為 240 min； 抽到 5 Pa 約為 360 min。 而且，在進(jìn)入10 Pa 以下的真空度時(shí)，檢漏有效最小可檢漏率就可達(dá)到1×10-9Pa·m3/s 數(shù)量級(jí)， 此時(shí)開(kāi)始檢漏，可滿足有效最小可檢漏率要求。

1.2.2 前級(jí)泵的選擇

羅茨泵的抽速與前級(jí)泵抽速之間的關(guān)系，主要取決于容積效率和羅茨泵許可的壓力差。如果容積效率低，則羅茨泵機(jī)組的有效抽速將會(huì)明顯下降。 在中真空和高真空范圍內(nèi)，抽速比多采用10∶1。 在入口壓力有較大變化或前級(jí)壓力變小，則壓縮比降低，故抽速比多選擇 5∶1。

羅茨泵組的抽速和效率與羅茨泵與前級(jí)泵的抽速配比以及壓力工作點(diǎn)有關(guān)。 表3 中，WAU1001 搭配SV200B 抽速配比為 5.33∶1，ZJB-150 30 的抽速配比為 5∶1，兩者均為合理搭配。 WAU1001+SV300B 羅茨泵組抽速配比趨向于3∶1，但由于在對(duì)TEG 系統(tǒng)抽真空時(shí)，由于被抽對(duì)象體積大，系統(tǒng)未配置粗抽泵，羅茨泵組在低真空運(yùn)行，氣體流動(dòng)狀態(tài)為粘滯流，溫升可能較高，受最大允許溫升限制，羅茨泵在較高壓力下啟動(dòng)時(shí)，壓力下降速度很快，達(dá)到了要求的壓力，啟動(dòng)時(shí)雖然超過(guò)了最大許可壓力差，但短時(shí)間超負(fù)荷羅茨泵的馬達(dá)不會(huì)發(fā)生問(wèn)題，3∶1 也可滿足系統(tǒng)泵組抽速搭配。

1.3 抽氣管道的設(shè)計(jì)

由真空基本方程可以知道，泵的抽氣能力受流導(dǎo)影響，最大限度地加大流導(dǎo)U 是提高抽氣能力最有效的方法，但流導(dǎo)受限于被檢系統(tǒng)管道直徑、泵抽氣口直徑、管道復(fù)雜程度以及管道內(nèi)壁狀況等條件。 并且“木桶效應(yīng)”影響，流導(dǎo)受限于串聯(lián)管系中流導(dǎo)最小的那部分管路；泵的抽速增大，相應(yīng)泵組重量和體積更大，離被檢對(duì)象距離更大，將導(dǎo)致抽氣管路更長(zhǎng)，流導(dǎo)降低。所以，在分析泵組抽速的同時(shí)，合理分配管路流導(dǎo)是提高抽氣能力的優(yōu)化方式。

流導(dǎo)與管徑間的關(guān)系如下：

溫度20℃，粘滯流狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)管流導(dǎo)：

式中：U管20℃—20℃，管道流導(dǎo)，m3/h。

d—管道內(nèi)徑，單位：m。

L—管道長(zhǎng)度，單位：m。

U總—管道總流導(dǎo)，m3/h。

U1、U2、Un—管道某一節(jié)流導(dǎo)，m3/h。

Pa—管道的平均壓力，單位：Pa。

表3 泵組抽速比

從粘滯流流導(dǎo)公式可看出：管道流導(dǎo)與管徑的4次方成正比；而與管道的長(zhǎng)度成反比。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢漏時(shí)，受進(jìn)氣口大小影響，管道系統(tǒng)進(jìn)氣口需采用管徑為?50 mm 的真空管轉(zhuǎn)接， 我們以兩種管徑（?100 mm 和?50 mm）搭配連接為管道系統(tǒng)，管道配備總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，令管徑?100 mm 的管長(zhǎng)為a，則管徑?50 mm的管長(zhǎng)為 （L-a）， 代入上述式中， 以羅茨泵組（WAU1001+SV300）參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析，管道總流導(dǎo)變化如圖2 所示如下。

圖2 流導(dǎo)變化曲線

計(jì)算分析結(jié)果表明：管道總長(zhǎng)一定情況下，管徑對(duì)流導(dǎo)的影響極大，管道系統(tǒng)流導(dǎo)隨DN100 mm 管長(zhǎng)增加急劇上升。串聯(lián)管道的總流導(dǎo)受限于串聯(lián)管道中流導(dǎo)最小的管道。 在選擇管路時(shí)，應(yīng)盡可能地選擇大管徑抽氣系統(tǒng)，盡量避免在管路中變徑或增設(shè)小管徑管道。 并且，抽氣管道總流導(dǎo)等于各串聯(lián)管道流導(dǎo)倒數(shù)和的倒數(shù)，管道越長(zhǎng)，流導(dǎo)越小，即管道總流導(dǎo)大小與抽氣管道總長(zhǎng)度呈反比例關(guān)系，抽氣管道總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，抽氣能力越弱。在檢漏時(shí)，盡量將泵組靠近被檢設(shè)備縮短抽氣管長(zhǎng)度對(duì)減少抽氣時(shí)間，提高工作效率。

系統(tǒng)檢漏采用的DN50 mm 管道規(guī)格一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為3 m，DN100 mm 管道規(guī)格一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為4 m，為使系統(tǒng)流導(dǎo)盡量大，控制DN50 mm 管為一節(jié)，使用多節(jié)DN100 mm 管道， 計(jì)算整個(gè)抽氣系統(tǒng)抽氣時(shí)間，以確保合理分配管路系統(tǒng)和安排檢測(cè)場(chǎng)地布設(shè)。系統(tǒng)抽氣時(shí)間與管道長(zhǎng)度變化如下圖3 所示。

依圖3 可知，通過(guò)增加DN100 mm 管道的節(jié)數(shù)來(lái)增加管道的總長(zhǎng)度，系統(tǒng)的流導(dǎo)呈反比例減小。 但通過(guò)使用羅茨泵組 （WAU1001+SV300） 對(duì)系統(tǒng)抽氣發(fā)現(xiàn)，使用4 m 長(zhǎng)的DN100 mm 管道抽至5 Pa 僅需220 min， 使用 20 m 長(zhǎng)的 DN100 mm 管道抽至 5 Pa 僅需267 min，管道長(zhǎng)度對(duì)抽氣時(shí)間影響非常小，時(shí)間差在工作時(shí)間允許范圍之內(nèi)。因此，控制小管徑管道長(zhǎng)度，可適當(dāng)延長(zhǎng)大管徑管道，合理布置采集平臺(tái)，20 m 范圍之內(nèi)， 抽氣時(shí)間約為 4 h。 另外， 計(jì)算表明，WAU1001+SV300 泵組可滿足現(xiàn)場(chǎng)檢漏要求。 也就是說(shuō)盡量避免在管路中變徑或增設(shè)小管徑管道。

圖3 抽氣時(shí)間與管道長(zhǎng)度變化關(guān)系曲線

2 結(jié)論

根據(jù)以上理論與實(shí)踐參數(shù)的分析，得出分析結(jié)果如下：

（1） 氦 質(zhì) 譜 檢 漏 儀 PHOENIX L300i、INFICON UL1000、HELIOT 710 等當(dāng)今主流機(jī)型性能均能滿足CPR1000 堆型核電站的TEG 系統(tǒng)的氦檢漏要求。

（2）羅茨泵組（WAU1001+SV300）的性能可滿足CPR1000 堆型核電站的TEG 系統(tǒng)的氦檢漏要求。

（3）系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)應(yīng)避免小管徑串聯(lián)，在條件運(yùn)行情況下應(yīng)盡量降低管道總長(zhǎng)度，3 m 長(zhǎng)DN50 mm管道搭配 20 m 長(zhǎng) DN100 mm 在羅茨泵組（WAU1001+SV300）強(qiáng)勁抽力下4 h 即可滿足檢漏真空要求。