核電廠壓空管網(wǎng)異常運(yùn)行與波動(dòng)特征

于澤生

中核遼寧核電有限公司 遼寧 葫蘆島 125000

前言

壓空系統(tǒng)管網(wǎng)根據(jù)重要性劃分為不同等級(jí)的區(qū)域，在異常工況下將逐步隔離次要區(qū)域，優(yōu)先保證重要區(qū)域供氣。壓空管網(wǎng)有總體的供氣流量平衡，在壓力變化和壓力波動(dòng)方式上也有相應(yīng)特征。

1.核電廠壓空管網(wǎng)總體介紹與異常工況運(yùn)行

1.1 管網(wǎng)布置

對(duì)于M310核電機(jī)組，壓空管網(wǎng)依托地下廊道遍布核島、常規(guī)島和外圍的各個(gè)廠房。其中SAP為壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)，主要設(shè)備包括主空壓站內(nèi)的主空壓機(jī)、干燥器和儲(chǔ)罐，分別位于5、6號(hào)機(jī)核島的應(yīng)急空壓機(jī)、干燥器和儲(chǔ)罐，以及地下廊道內(nèi)通向各個(gè)廠房前的管道。對(duì)于用戶壓空管網(wǎng)，由主空壓站生產(chǎn)出的壓空分別供給儀用壓縮空氣分配系統(tǒng)（SAR）和公用壓縮空氣分配系統(tǒng)（SAT）。SAR的主要用戶為氣動(dòng)閥門、儀表和氣封裝置等；SAT的主要作用為系統(tǒng)吹掃、提供正壓和氣動(dòng)泵動(dòng)力，SAT在各個(gè)預(yù)期用氣的房間內(nèi)設(shè)置快速接頭，用于接設(shè)臨時(shí)用氣設(shè)備[1]。

1.2 壓空系統(tǒng)異常工況運(yùn)行

在兩臺(tái)機(jī)組的核島廠房W214、W254房間內(nèi)分別設(shè)置由兩臺(tái)應(yīng)急空壓機(jī)，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降至低值（0.68/0.66MPa）時(shí)應(yīng)急啟動(dòng)，為SAR管網(wǎng)供氣。根據(jù)壓空的功能和重要程度，壓空管網(wǎng)可劃分為以下四個(gè)等級(jí)，當(dāng)發(fā)生壓力下降的異常工況時(shí)，根據(jù)壓降嚴(yán)重程度，自動(dòng)切除低優(yōu)先級(jí)管網(wǎng)、啟動(dòng)應(yīng)急空壓機(jī)。

當(dāng)壓力低于0.76MPa時(shí)，為常規(guī)島/外圍廠房公用壓空供氣的5M1/6M2SAT002VA自動(dòng)關(guān)閉，切除該區(qū)域負(fù)荷。如果壓力繼續(xù)下降，當(dāng)降低到0.68MPa時(shí)，將啟動(dòng)處于基本負(fù)荷狀態(tài)的應(yīng)急空壓機(jī)；降低到0.66MPa時(shí)，將啟動(dòng)第二臺(tái)處于備用狀態(tài)的應(yīng)急空壓機(jī)。應(yīng)急空壓機(jī)啟動(dòng)后，為防止逆止閥失效導(dǎo)致應(yīng)急空壓機(jī)供氣流向可能存在漏點(diǎn)的SAT區(qū)域，將人為關(guān)閉5M1/6M2SAP069VA，切斷SAR管網(wǎng)與上游聯(lián)系。若此時(shí)壓力依然無(wú)法維持，下降至0.58MPa時(shí)，氣動(dòng)調(diào)閥5M1/6M2SAP067VA將接受經(jīng)PID計(jì)算得到的開(kāi)度指令進(jìn)行動(dòng)作，管網(wǎng)壓力越低關(guān)閉速度越快，直至全關(guān)，切除常規(guī)島/外圍廠房?jī)x用壓空，但即使壓力為零的情況下閥門全關(guān)也需要約20min[2]。

2.壓空管網(wǎng)波動(dòng)特征

2.1 空壓機(jī)加卸載與壓空總流量平衡

田灣5、6號(hào)機(jī)組主空壓機(jī)和應(yīng)急空壓機(jī)均為無(wú)錫壓縮機(jī)股份有限公司供貨的無(wú)油螺桿式空壓機(jī)，工作原理為壓縮機(jī)氣缸內(nèi)平行配置的互相嚙合的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子作反方向旋轉(zhuǎn)，從而使處于轉(zhuǎn)子齒槽之間的容積產(chǎn)生周期性的變化，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，齒槽不斷完成吸氣、容積封閉、容積壓縮和排氣過(guò)程，最終完成壓縮空氣的平穩(wěn)連續(xù)產(chǎn)出。

由于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速一定，產(chǎn)氣量為恒定值，主空壓機(jī)為0.9MPa下35m3/min，應(yīng)急空壓機(jī)為0.9MPa下25m3/min，但是壓空管網(wǎng)總體用氣量在各個(gè)工況下并不相同，為了平衡供氣量和耗氣量，空壓機(jī)設(shè)置了加載運(yùn)行和卸載運(yùn)行模式，加、卸載運(yùn)行通過(guò)位于空壓機(jī)進(jìn)氣管線上的減荷閥和空壓機(jī)本體出口的壓力傳感器控制。當(dāng)空壓機(jī)保持卸載運(yùn)行使壓力下降到加載值時(shí)，空壓機(jī)開(kāi)始進(jìn)行加載運(yùn)行，減荷閥打開(kāi)，空壓機(jī)以額定流量輸出壓空；當(dāng)空壓機(jī)持續(xù)加載使壓力上升到卸載值時(shí)，空壓機(jī)開(kāi)始進(jìn)行卸載運(yùn)行，減荷閥關(guān)閉，只有極少量空氣進(jìn)入，防止氣缸真空度過(guò)大使排氣溫度過(guò)高，空壓機(jī)不對(duì)外輸出壓空。所以，在空壓機(jī)正常加卸載運(yùn)行期間，壓空流量平衡的關(guān)系為：

在該式中，耗氣流量在不進(jìn)行吹掃等特定工作時(shí)較為穩(wěn)定，相當(dāng)部分用于管網(wǎng)泄漏的補(bǔ)償。當(dāng)管網(wǎng)供需關(guān)系達(dá)到穩(wěn)態(tài)進(jìn)行周期性波動(dòng)時(shí)，空壓機(jī)在完整波動(dòng)周期內(nèi)的累計(jì)加載運(yùn)行時(shí)間即與耗氣流量成正比。

2.2 壓空管網(wǎng)壓力波動(dòng)方式

受空壓機(jī)加卸載、管網(wǎng)壓空儲(chǔ)罐和逆止閥、以及耗氣流量的影響，近空壓機(jī)側(cè)上游管網(wǎng)和下游末端管網(wǎng)的壓力波動(dòng)特點(diǎn)有顯著的不同。整體呈現(xiàn)上游波動(dòng)大、平均壓力高，下游波動(dòng)小、平均壓力低的特點(diǎn)。以各廠房?jī)?nèi)用戶管網(wǎng)儲(chǔ)氣罐的前的逆止閥為邊界，上游管網(wǎng)指主空壓站壓空設(shè)施和從主空壓站通向各廠房在廊道內(nèi)管道，下游管網(wǎng)為各個(gè)廠房?jī)?nèi)用戶管道管網(wǎng)。

2.2.1 近主空壓機(jī)上游管網(wǎng)波動(dòng)方式

表1 壓空系統(tǒng)切除管網(wǎng)方式

對(duì)于上游管網(wǎng)，流量為全廠耗氣需求流量，壓空供求關(guān)系的改變會(huì)迅速體現(xiàn)在壓力變化上。在廠內(nèi)無(wú)極端用氣變化時(shí)，總耗氣流量變化較小，上游壓空管網(wǎng)壓力波動(dòng)方式直接取決于空壓機(jī)加卸載運(yùn)行狀態(tài)。

在空壓機(jī)卸載期間，上游管網(wǎng)處于一種“自由落體”狀態(tài)。在無(wú)逆止閥阻攔的路徑中，管道內(nèi)殘存的壓空將從壓力高點(diǎn)，一般為壓空儲(chǔ)罐，流向壓力低點(diǎn)。這一現(xiàn)象在主空壓機(jī)出口的濕壓空儲(chǔ)罐最為明顯。該儲(chǔ)罐與空壓機(jī)間不設(shè)置逆止閥，目的就是使?jié)駜?chǔ)罐與上游壓力共同變化，在空壓機(jī)卸載期間反向向空壓機(jī)出口處補(bǔ)氣，減緩該處壓力下降的速率，保證一定的卸載時(shí)間，防止空壓機(jī)過(guò)于頻繁地加卸載切換。在干燥器預(yù)過(guò)濾器持續(xù)排污、空壓機(jī)內(nèi)部管線泄漏和下游其他儲(chǔ)罐的緩沖等因素的作用下，濕儲(chǔ)罐在卸載期間的壓力下降速率要遠(yuǎn)高于其下游地點(diǎn)的壓力下降速率，這就導(dǎo)致空壓機(jī)卸載時(shí)間的長(zhǎng)短幾乎不受管網(wǎng)總體耗氣量變化的影響，而是主要取決于濕儲(chǔ)罐的容量、加卸載值區(qū)間大小和附近設(shè)備管道的漏氣量這些正常不會(huì)改變的參數(shù)，故主空壓機(jī)在各種工況下的卸載時(shí)間基本不變，約為30s。

2.2.2 上游管網(wǎng)壓力波動(dòng)方式

對(duì)于上游管網(wǎng)，其一個(gè)完整的壓力波動(dòng)周期并不是一個(gè)加載與一個(gè)卸載的循環(huán)，而是多個(gè)加卸載循環(huán)組成的一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間跨度的波動(dòng)，這種現(xiàn)象的主要原因就是壓空壓力的傳遞在廣泛分布且布置曲折的核電廠壓空管網(wǎng)中有一定滯后性。在已經(jīng)減緩了空壓機(jī)加卸載導(dǎo)致的劇烈波動(dòng)的ZC干儲(chǔ)罐下游，主要為廊道內(nèi)的通向各個(gè)廠房的0SAP管線內(nèi)，如圖1中代表TW2SAT201MP壓力變化趨勢(shì)的第一條紅色趨勢(shì)線所示，雖然壓力傳感器所在位置仍能明顯地顯示出主空壓機(jī)加卸載造成的壓力影響，但壓力的整體變化趨勢(shì)已經(jīng)形成一個(gè)獨(dú)立的波動(dòng)規(guī)律，即每3-4個(gè)連續(xù)的短加載和1個(gè)長(zhǎng)加載組成一個(gè)完整波動(dòng)周期，時(shí)長(zhǎng)約20min。在連續(xù)短加載期間，整體壓力趨勢(shì)處于波峰，上游管網(wǎng)壓力梯度建立后繼續(xù)短暫加載即可達(dá)到卸載值；在長(zhǎng)加載期間，整體壓力趨勢(shì)處于波谷，上游管網(wǎng)壓力梯度建立后仍需一段較長(zhǎng)時(shí)間的加載才能達(dá)到卸載值。

圖1 壓空管網(wǎng)壓力波動(dòng)趨勢(shì)圖

2.2.3 下游管網(wǎng)壓力波動(dòng)方式

對(duì)于下游管網(wǎng)，其波動(dòng)的方式按照整體耗氣量的大小分為兩種情況。

當(dāng)下游管網(wǎng)整體耗氣量較大時(shí)，其對(duì)上游管網(wǎng)的依賴性高、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，其整體性波動(dòng)特征與上游管網(wǎng)相同，但不可避免是下游管網(wǎng)的空壓機(jī)加卸載的瞬間波動(dòng)離空壓機(jī)距離越遠(yuǎn)特征越弱。如在圖1中，最下方黃色線的為6M2SAR151MP的趨勢(shì)圖，體現(xiàn)了6號(hào)機(jī)常規(guī)島儀用壓空母管壓力在調(diào)試期間某一時(shí)段管線的波動(dòng)方式，因?yàn)檎{(diào)試期間該區(qū)域管網(wǎng)耗氣量較大，其整體性的波動(dòng)特征仍與上游管網(wǎng)的6M2SAT201MP的整體性波峰波谷保持一致。但因?yàn)楣艿谰嚯x距主空壓機(jī)較遠(yuǎn)，已處于末端管網(wǎng)，空壓機(jī)加卸載瞬時(shí)造成的壓力突變已幾乎完全消失，曲線接近圓滑。

當(dāng)下游管網(wǎng)整體耗氣量較小時(shí)，其對(duì)上游管網(wǎng)的依賴性低、關(guān)聯(lián)性弱，其整體性波動(dòng)特征不同于上游管網(wǎng)，呈現(xiàn)出獨(dú)立的整體性波動(dòng)特征。如圖2中的紫色和黃色曲線，分別代表5號(hào)機(jī)下游管網(wǎng)上5M1SAP001MP和5M1SAR151MP的壓力波動(dòng)趨勢(shì)；最上方的紅色線為5M1SAT201MP，反應(yīng)的是位于上游的廊道壓空的壓力變化。在趨勢(shì)圖所在的時(shí)期，5號(hào)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，整體耗氣量較小，而6號(hào)機(jī)處于集中調(diào)試期間，占用了主空壓機(jī)的主要耗氣份額。

圖2 壓空管網(wǎng)壓力波動(dòng)趨勢(shì)圖

3.結(jié)論

核電廠壓空系統(tǒng)通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)并根據(jù)用戶重要程度建立不同保障程度的壓空管網(wǎng)。同時(shí)，壓空管網(wǎng)作為一個(gè)開(kāi)式系統(tǒng)，其不同區(qū)域的壓力水平與供氣和耗氣流量緊密相連，且受管道管徑和位于管網(wǎng)位置的顯著影響。可以通過(guò)對(duì)壓力波動(dòng)趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)對(duì)整個(gè)壓空管網(wǎng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行總體評(píng)估，進(jìn)而確定供氣可靠程度并有利于發(fā)現(xiàn)潛在漏氣點(diǎn)，壓空系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行作為核電站核安全縱深防御的重要一環(huán)，對(duì)于整個(gè)電站的平穩(wěn)運(yùn)行有著重要的意義。