AP1000高壓氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

孫攀

【摘 要】AP1000核電站采用加注高壓氫氣來控制一回路冷卻劑氧含量在合格水平。隨著核電站使用氫氣壓力等級(jí)的不斷提高，目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范存在指導(dǎo)不足的地方。文章通過對(duì)AP1000核電站高壓氫氣系統(tǒng)分析，總結(jié)AP1000堆型高壓氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的貯存量、氫氣升壓、氣瓶充裝、減壓等問題，以便為國內(nèi)核電高壓氫氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】AP1000；高壓氫氣；設(shè)計(jì)；規(guī)范

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）13-0081-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.037

【Abstract】The AP1000 nuclear power plant uses high pressure hydrogen to control the level of oxygen in the primary coolant.With the continuous increase in the use of hydrogen pressure levels in nuclear power plants，there is currently insufficient guidance in domestic standards.This article analyzes the AP1000 nuclear power station high-pressure hydrogen system，sums up the storage，hydrogen boost，cylinder filling，decompression and other issues that should be noted in the design process of the AP1000 reactor high-pressure hydrogen system，in order to provide for the domestic nuclear high-pressure hydrogen system design reference.

【Key words】AP1000；High pressure hydrogen；Design；Specification

0 引言

核電廠高壓氫氣系統(tǒng)的作用是控制反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的氧含量水平[1]。在核電廠正常運(yùn)行期間，直接向一回路注入20.68MPa的高壓氫氣，抑制水的輻照分解，減少腐蝕產(chǎn)物和活化產(chǎn)物，降低核電廠輻照劑量。

AP1000核電廠采用第三代非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)，四臺(tái)依托化項(xiàng)目由美國西屋聯(lián)隊(duì)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，國家核電技術(shù)公司負(fù)責(zé)引進(jìn)的第三代核電依托項(xiàng)目。由于工程設(shè)計(jì)建造的特殊性，設(shè)計(jì)、建造過程中諸多方面都涉及中美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的匹配性和兼容性的問題?；贑AP1000核電廠在自主化設(shè)計(jì)、建造過程中氫氣管道設(shè)計(jì)建造過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題，通過對(duì)存儲(chǔ)容量、減壓閥配置、管道選材特別是埋地管道設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，希望為國內(nèi)核電廠氫氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出相關(guān)的借鑒參考。

1 供氫站存儲(chǔ)容量

1.1 低壓氫氣存儲(chǔ)容量

AP1000核電站氫氣系統(tǒng)是電站獨(dú)立的氫氣貯存、供應(yīng)系統(tǒng)，為發(fā)電機(jī)冷卻、系統(tǒng)除氧提供不同壓力等級(jí)的氫氣，包括低壓氫氣子系統(tǒng)和高壓氫氣子系統(tǒng)。其中，低壓氫氣子系統(tǒng)為除鹽水運(yùn)輸和儲(chǔ)存系統(tǒng)（DWS）的催化除氧單元CORS 提供除氧用的低壓氫氣，為發(fā)電機(jī)氫氣和二氧化碳系統(tǒng)（HCS）提供冷卻用的低壓氫氣，為氫氣升壓站提供氣源；高壓氫氣子系統(tǒng)為化學(xué)和容積系統(tǒng)（CVS）供氣，用于一回路冷卻劑除氧。

根據(jù)EPRI導(dǎo)則，低壓氫氣儲(chǔ)量應(yīng)至少能維持連續(xù)用戶30天的用量和至少三倍發(fā)電機(jī)置換二氧化碳并達(dá)到要求純度和壓力用量的和[2]。

低壓連續(xù)用戶至少需要存儲(chǔ)容量Q1為：

以AP1000三門核電項(xiàng)目發(fā)電機(jī)為例：發(fā)電機(jī)氣體容積7769 scf，運(yùn)行操作壓力為：94.7 psia，根據(jù)EPRI導(dǎo)則規(guī)定，計(jì)算得出發(fā)電機(jī)啟動(dòng)置換用氫需求：

EPRI導(dǎo)則要求備用氫量與發(fā)電機(jī)啟動(dòng)置換用氫需求計(jì)算方法一樣，所以：

總的存儲(chǔ)容量為：啟動(dòng)需求+備用量+30天連續(xù)用戶量

根據(jù)DL5068-2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)采用外購氫氣供氫時(shí)，氫氣總有效儲(chǔ)存容積應(yīng)為全廠氫冷發(fā)電機(jī)10天的正常消耗量和最大一臺(tái)機(jī)組一次啟動(dòng)充氫量之和[4]。與EPRI相比，對(duì)于存儲(chǔ)量要求較為寬松。在AP1000自主化設(shè)計(jì)過程中，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的引用需要具體問題具體分析。

1.2 高壓氣瓶設(shè)計(jì)容積、在線數(shù)量

AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，采用高壓氣瓶通過CVS（化學(xué)和容積控制系統(tǒng)），直接向一回路注入20.68MPa的高壓氫氣，抑制水的輻照分解，減少腐蝕產(chǎn)物和活化產(chǎn)物，降低核電廠輻照劑量。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中氣瓶容積37.4L，充裝壓力為41.4Mpa的氫氣。

目前設(shè)計(jì)通過一組切換閥門，同時(shí)連接4個(gè)氫氣瓶，但只有1個(gè)氫氣瓶在供氫管線上，當(dāng)上一個(gè)氫氣瓶的壓力降到使用壓力以下時(shí)，自動(dòng)切換到下個(gè)氫氣瓶上，直到4瓶氫氣全部用完。見圖1。

PSAR的3.5.1.2.1.2節(jié)描述[3]：在氫補(bǔ)給管線失效的事故中，能夠釋放到安全殼內(nèi)的氫氣的量受到調(diào)節(jié)流量的閥門和用于隔離補(bǔ)給管系與氫源的常關(guān)/失效關(guān)閉電磁閥的限制。管線破裂事故中允許向安全殼內(nèi)泄漏的氫氣僅限于一瓶儲(chǔ)氣瓶的容量。即一個(gè)高壓氫氣瓶中約697scfm的氫氣全部泄漏到安全殼中，也不會(huì)造成因氫氣積聚而引起爆炸。泄漏的氫氣需要由產(chǎn)生于熱表面的熱力和暖通空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)以使氫氣通過對(duì)流在隔間內(nèi)與空氣進(jìn)行混合，因此氫氣補(bǔ)給管線不允許經(jīng)過沒有暖通空調(diào)系統(tǒng)的隔間。

因?yàn)橐陨螾SAR中的規(guī)定，因此只能1個(gè)高壓氫氣瓶連接到高壓供氫管線上。在設(shè)計(jì)過程中，氣瓶的容積、數(shù)量改變的情況下要考慮滿足PSAR本章節(jié)要求。

2 高壓氫氣減壓

目前國內(nèi)AP1000機(jī)組氫氣供應(yīng)采用外購20MPa成品氫氣，經(jīng)拖車運(yùn)輸、儲(chǔ)存和升壓站加壓方式，為機(jī)組供應(yīng)合格氫氣（拖車氣瓶中氫氣作為被壓縮介質(zhì)，壓縮空氣作為升壓泵動(dòng)力源，將氫氣增壓至41.4Mpa）。無論是低壓用戶還是高壓用戶，都需要對(duì)氣源壓力減壓至所需壓力。一般的高壓氣體通過逐級(jí)減壓防止減壓節(jié)流過程中致冷效應(yīng)引起的溫度降低，導(dǎo)致發(fā)生液化現(xiàn)象。目前國內(nèi)電力設(shè)計(jì)院對(duì)高壓氫氣一般采用兩級(jí)減壓閥方式進(jìn)行減壓，如某百萬機(jī)組采用外購15MPa氫氣瓶組供氫，采用一級(jí)減壓至3.5MPa，再減壓至1.2MPa供氫壓力。

對(duì)于常溫下氫氣減壓來說，兩級(jí)減壓閥不僅設(shè)備成本增加，而且增加了泄漏風(fēng)險(xiǎn)。由于正常環(huán)境溫度下氫氣的焦耳湯姆遜效應(yīng)（焦-湯效應(yīng)）為熱效應(yīng)，焦-湯系數(shù)為負(fù)，減壓后氫氣溫度反而升高；由41.4MPa、20MPa壓力氫氣通過一級(jí)減壓至運(yùn)行供氫壓力理論上是可行的。

溫降與壓降的關(guān)系用焦耳-湯姆遜系數(shù)表示為：

氣體節(jié)流后總是dp<0，若在節(jié)流后溫度升高，dT>0，則μJ<0；反之，dT<0則，μ>0。根據(jù)文獻(xiàn)[6]氫氣的最大上轉(zhuǎn)換溫度為202K（-71℃），即在遼寧徐大堡廠址冬季氣溫條件下（極端最低氣溫-30.6℃），氫氣減壓節(jié)流也不會(huì)產(chǎn)生制冷效應(yīng)。

3 埋地管道設(shè)計(jì)

西屋公司在依托化項(xiàng)目氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，依據(jù)美國氫氣管道ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)和Compressed Gas Association（簡稱CGA）G-5.4氫氣管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，選定氫氣管道材料為TP304L，埋地氫氣管道全程采用玻璃鋼套管保護(hù)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》G B 50177，氫氣管道可以直接埋地，對(duì)氫氣管道材料規(guī)定沒有美標(biāo)操作性強(qiáng)。

根據(jù)CGA-5.4，埋地氫氣管道布置全程套管，主要有兩方面作用：1）增加套管可以為埋地氫氣管道提供防護(hù)，減少土壤長期對(duì)工藝管道產(chǎn)生陰極腐蝕而產(chǎn)生破壞；2）在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，增加套管可以及時(shí)在套管末端檢測(cè)到氫氣泄漏，如果沒有套管，發(fā)生泄漏時(shí)氫氣將彌散在土壤中，危險(xiǎn)性較大[7]。但是由于地理地勢(shì)條件，管道埋深標(biāo)高不一樣，對(duì)于管道中氫氣的泄漏，將會(huì)在套管高點(diǎn)處聚集，反而增加氫氣集聚風(fēng)險(xiǎn)；而且增加套管后，管道的防靜電接地施工將變得困難。某AP1000依托化項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)全程埋地套管后，又增加了套管內(nèi)氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀表，對(duì)投資、后續(xù)維護(hù)帶來很大壓力。

4 結(jié)語

在核電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，氫氣系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間執(zhí)行發(fā)電機(jī)冷卻、一回路冷卻劑除氧，對(duì)核電廠長期安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用；而且氫氣具有著火點(diǎn)能量低，與空氣、氧混合燃燒、爆炸極限寬，燃燒速度快等點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)特別引起重視。

國內(nèi)目前氫氣管道設(shè)計(jì)暫沒有一套完整的氫氣管道標(biāo)準(zhǔn)可參考，氫氣設(shè)計(jì)主要參照GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》和一些化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。文章通過對(duì)中美氫氣規(guī)范中存儲(chǔ)容量、材料選擇要求的對(duì)比和分析，和設(shè)計(jì)實(shí)踐，總結(jié)歸納了核電站氫氣設(shè)計(jì)中需引起注意的幾個(gè)要點(diǎn)。

隨著高壓力氫氣使用的不斷普遍，如何借鑒美標(biāo)規(guī)范中豐富的氫氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)口EPRI導(dǎo)則要求，從而不斷豐富國內(nèi)氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，為國內(nèi)的氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更全面、更靈活、更經(jīng)濟(jì)的選擇，從而為盡快完成吸收消化再創(chuàng)新的過程，為創(chuàng)造具有中國自主化AP1000設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林誠格.非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2010：623.（LINCheng-ge.Advanced passive PWR nuclear power technology[M].Beijing：Atomic Energy Press，2010：623.）.

[2]EPRI URD，Chapter 13 Paragraph 4.2.6.1.1 of Appendix J.

[3]遼寧徐大堡核電廠一期工程初步安全分析報(bào)告版次：B版，P3.5-9.

[4]DL5068-2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].

[5]APP-CVS-M3C-015，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)計(jì)算書.

[6]趙凱華、羅蔚茵.新概念物理教程 熱學(xué)[M].高等教育出版社，1999，P148.

[7]梅健.AP1000氫氣管道設(shè)計(jì)分析[J].中國核電，2015年3月，第8卷，第一期，29-33.