M310核電站含氫廢氣處理系統(tǒng)容量分析及優(yōu)化

董 亮，劉紅坤，唐 輝，劉一鳴，劉 妍

(華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036)

構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源結(jié)構(gòu)體系是我國下一個(gè)五年規(guī)劃的首要任務(wù)，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵所在。當(dāng)前我國能源結(jié)構(gòu)仍以煤為主，石油和天然氣對(duì)外依存度高，在此大背景下，核能作為低碳、可靠、穩(wěn)定的高質(zhì)量能源，可以在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和應(yīng)對(duì)氣候變化中發(fā)揮重要作用。

核能的發(fā)展要以高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)，提高核電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和安全性尤為重要，針對(duì)現(xiàn)有電站存在的安全問題，進(jìn)行合理的優(yōu)化和改造是很有價(jià)值的重要實(shí)踐。核電站運(yùn)行過程中反應(yīng)堆冷卻劑及其容器會(huì)釋放出氫氣并夾帶含放射性的惰性氣體[1-2]，帶來氫氣安全和放射性釋放的問題。含氫廢氣處理系統(tǒng)是專門應(yīng)對(duì)此問題的設(shè)施，其主要對(duì)象是氫氣和惰性氣體。含氫廢氣處理工藝的核心目標(biāo)是降低放射性水平和保證氫氣安全。使用衰變工藝降低放射性，原理是利用其主要核素半衰期較短(2.8 h～5.3 d)，將待處理的氣體集中貯存若干時(shí)間，核素經(jīng)多次衰變后，放射性水平降低到達(dá)排放指標(biāo)時(shí)排放。因待處理氣體中氫氣含量較高，易燃易爆，在轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存過程中，需要特別注意氫氣的安全，控制含氧量，避免泄漏導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸等安全問題。

M310系列核電站(含已運(yùn)行的CNP、CPR堆型，如秦山二期、陽江核電站)，所用含氫廢氣處理工藝都相同。含氫廢氣處理系統(tǒng)的處理策略是不分離兩類氣體，采用壓縮貯存衰變和稀釋排放的技術(shù)解決放射性釋放和氫氣安全問題。其原理是將含氫廢氣加壓后儲(chǔ)存在衰變箱中，儲(chǔ)存期內(nèi)(45天)，核素經(jīng)多次衰變，放射性水平可降低至千分之一，檢測(cè)達(dá)標(biāo)后可排放。期間通過防爆設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)房間氫氣含量、持續(xù)通風(fēng)來控制氫氣泄漏危險(xiǎn)。

壓縮貯存衰變工藝成熟，處理后的氣體放射性水平滿足設(shè)計(jì)要求，但也存在一些明顯的問題，如在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，衰變箱容量緊張，尤其在容控箱吹掃和大修期間對(duì)一回路吹掃時(shí)更為明顯[3-4]，此外還有緩沖罐容量偏小，壓縮機(jī)啟動(dòng)頻繁，易損壞。衰變箱容積不足導(dǎo)致對(duì)一回路吹掃操作形成明顯制約，影響大修進(jìn)程；控制不力也可能導(dǎo)致氫氣泄漏、爆炸和放射性物質(zhì)不受控地釋放等安全問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國內(nèi)在運(yùn)核電機(jī)組49臺(tái)，其中M310系列(含CNP、CPR系列)36臺(tái)[5]，占比73.5%，采取有效措施解決此問題有明顯的安全和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

業(yè)內(nèi)專家提供了多種建議，比如：增大衰變箱容積[6-7]，改為吸附工藝或者燃燒/催化氧化工藝[6，8]。最初衰變箱容積為108 m3，改造方案之一是將衰變箱容積增大為312 m3，增加189%，占用了大量的核島廠房空間，土建成本高；改用吸附工藝但吸附劑的裝填量計(jì)算不成熟；催化燃燒工藝需要增加稀釋工序，增設(shè)關(guān)鍵設(shè)備催化反應(yīng)器，目前該設(shè)備還需依賴進(jìn)口，采購受限；這些建議都可以緩解該問題，但仍存在受場(chǎng)地可用空間限制、合理的吸附劑裝填量和稀釋氣量難以確定的問題，未合理地辨識(shí)出系統(tǒng)的容量，并非最優(yōu)方案。為推動(dòng)解決上述問題，本文從氫氣產(chǎn)生的源頭著手，調(diào)查研究各種運(yùn)行工況及操縱規(guī)程、規(guī)范，分析氣體產(chǎn)生量和組份，找出關(guān)鍵因素，得到氣體流量的峰值，探索設(shè)置合理的系統(tǒng)容量，避免過大冗余造成的浪費(fèi)，為后續(xù)制定詳細(xì)的工藝方案、確定設(shè)備容量、布置方案以及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)提供支撐。

1 核島含氫廢氣中的氫氣

1.1 氫氣的來源及去向

壓水堆核電站核島的氫氣來源主要有三個(gè)途徑，分別為：一回路輻照產(chǎn)生的氫氣、化學(xué)容積和控制系統(tǒng)提供的上充流中溶解的氫氣、容控箱覆蓋的氫氣。

氫氣的去向較多，具體如圖1所示。

圖1 氫氣的走向圖

1.2 氫氣釋放情況

含氫廢氣的釋放有以下幾種情況，列于表1。

表1 含氫廢氣的主要釋放途徑[9-11]

2 氫氣釋放分析與計(jì)算

2.1 關(guān)鍵因素識(shí)別

本節(jié)目的是基于對(duì)各種工況釋放的氫氣量分析，找到釋放含氫氣體的量大、時(shí)間集中的工況和位置，判斷制約含氫廢氣處理系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素。

經(jīng)過調(diào)研和初步計(jì)算，表1中各工況氫氣的釋放量列于表2。

表2 含氫廢氣的釋放量

經(jīng)分析，功率運(yùn)行、負(fù)荷跟蹤、啟堆、主泵軸封泄漏中的氫氣釋放量遠(yuǎn)小于冷停堆及大修、容控箱停堆吹掃工況兩工況, 制約系統(tǒng)容量關(guān)鍵因素為狀態(tài)3——冷停堆及大修，以及容控箱停堆吹掃。

2.2 過程分析與計(jì)算

兩個(gè)關(guān)鍵因素中，容控箱停堆吹掃過程排氣量更大，可包絡(luò)冷停堆及大修過程的氫氣釋放量，需重點(diǎn)分析。除此之外，也需考慮兩個(gè)因素疊加的情況。

2.2.1運(yùn)行情況調(diào)研

核電廠的《化學(xué)與放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范》[13]文件對(duì)一回路中的氫氣含量有要求，如表3所列。此外，對(duì)停堆過程中氫氣含量控制還有如下要求：反應(yīng)堆停堆前，降低氫氣含量的操作應(yīng)把握好“足夠早”和“足夠遲”二點(diǎn)，“足夠早”是指不延誤停堆，“足夠遲”是指只有在達(dá)到次臨界停堆前24小時(shí)才允許氫氣濃度降到20～5 NmL/kg(N表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，下同)范圍內(nèi)，防止在低氫濃度下功率運(yùn)行。

表3 反應(yīng)堆冷卻劑水化學(xué)對(duì)氫氣含量的要求

通過調(diào)研，M310核電廠容控箱吹掃排氣操作步驟如下：

1)關(guān)閉排氣閥門，將容控箱內(nèi)液位升至1.9 m，壓縮氣相空間；

2)打開排氣閥門，排氣，降壓至絕壓1.0 bar，關(guān)閉排氣閥門(持續(xù)1 min)；

3)將容控箱內(nèi)液位恢復(fù)正常液位1.47 m，同時(shí)向箱內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?，一次排氣操作完成?/p>

4)重復(fù)上述過程，操作頻率約4 h一次，直至氫氣含量達(dá)標(biāo)。

運(yùn)行人員一般在停堆前兩天開始對(duì)容控箱吹掃排氣，每班一次或兩次。

2.2.2過程及計(jì)算模型

容控箱排氣/吹掃是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，包含壓縮氣相體積、排氣、關(guān)閥、補(bǔ)氣、恢復(fù)氣相體積，除溫度外，壓力、體積均在變化，直接使用壓力或體積做計(jì)算基準(zhǔn)都不易分析。雖然壓力、體積在變，但分子數(shù)量或者說物質(zhì)的量總數(shù)沒有變，可從物質(zhì)的質(zhì)量守恒的角度入手，用分段衡算的方法來描述、分析這個(gè)過程。

物理化學(xué)提供了理想氣體狀態(tài)方程和帶多參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方程，在低于幾千個(gè)千帕的壓力下，理想氣體狀態(tài)方程可以滿足一般的工程計(jì)算需要[14]，對(duì)難液化的氣體如氦氣、氫氣、氮?dú)狻⒀鯕馑m用的壓力范圍相對(duì)較寬。經(jīng)驗(yàn)方程多需要迭代或者查找工程參數(shù)，使用不便。

對(duì)于本體系來說，主要的組分分別為氫氣、氮?dú)夂脱鯕?，?jì)算的要求精度不高，故選用理想氣體狀態(tài)方程合理：

pV=nRT

(1)

(2)

式中，p為氣體的壓力，Pa；V為氣體體積，m3；T為溫度，K；n為物質(zhì)的量，mol；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K);k為混合氣體中的組份序號(hào)。

第一次吹掃排氣過程如表4中步驟S1～S5所示，每個(gè)步驟有不同的狀態(tài)參數(shù)，可計(jì)算出排出氫氣的量和容控箱內(nèi)剩余氣體的氫氣量，進(jìn)而可計(jì)算出容控箱恢復(fù)氣相容積和壓力后氫氣的含量。

表4 吹掃排氣步驟及狀態(tài)參數(shù)

混合氣體中k組分的含量為：

(3)

式中，Y為混合氣體中k組分的含量；n為物質(zhì)的量，mol；k為混合氣體中的組份序號(hào)。

第二次至第N次的容控箱吹掃排氣操作可以用同樣的步驟來描述。區(qū)別在于：后續(xù)吹掃的初始狀態(tài)，容控箱內(nèi)的氣體不再是純氫氣，變?yōu)闅錃夂偷獨(dú)獾幕旌衔?，氫氣的含量可由上一次排氣的最后一個(gè)步驟計(jì)算出來。順序計(jì)算，可以得到每次容控箱吹掃操作的排氣量。計(jì)算出容控箱內(nèi)的氫氣含量，有助于分析含氫廢氣排放量及成分，確定該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量。

基于第2.1節(jié)的分析，容控箱停堆吹掃對(duì)系統(tǒng)容量影響最大，其氫氣釋放量超過了冷停堆及大修過程時(shí)反應(yīng)堆冷卻劑釋放氫氣的量，對(duì)于處理氫氣的系統(tǒng)容量而言，能處理容控箱停堆吹掃的氫氣，自然也可應(yīng)對(duì)冷停堆及大修過程時(shí)反應(yīng)堆冷卻劑釋放氫氣?；谧顕?yán)苛的假設(shè)，以上兩工況同時(shí)發(fā)生，含氫氣體釋放量疊加也需考慮。

2.2.3單因素分析

本節(jié)分析僅進(jìn)行容控箱吹掃操作時(shí)排氣體積和氫氣含量的變化規(guī)律，為控制變量數(shù)，僅考慮的容控箱排氣，暫不考慮下泄流釋放的氫氣，對(duì)應(yīng)的工況為停堆前吹掃容控箱并調(diào)節(jié)硼濃度的過程[15]。

基于2.2.2節(jié)的計(jì)算模型，計(jì)算后結(jié)果顯示：隨排氣次數(shù)增加，混合氣體中氫氣的濃度降低，呈現(xiàn)先快速下降，后緩慢降低的趨勢(shì)。在第5次吹掃操作后，吹掃混合氣中氫氣的含量降到2%。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，空氣中氫氣含量在4%以下可視為安全[12]，此時(shí)，排氣總體積為20.75 Nm3。吹掃排氣中氫氣含量隨吹掃次數(shù)的變化關(guān)系示于圖2。

圖2 容控箱排氣體積與氫氣含量隨吹掃排氣次數(shù)的變化關(guān)系圖

經(jīng)計(jì)算，每次對(duì)容控箱吹掃時(shí)最大排氣體積為4.15 Nm3，但排氣中的氫氣含量呈逐漸下降趨勢(shì)；每次排氣的體積相同，原因是每次排氣操作的始末狀態(tài)相同(溫度、壓力和和容控箱液位變化)。

2.2.4多因素分析

在容控箱停堆吹掃的基礎(chǔ)上，疊加反應(yīng)堆冷卻劑流體釋放出氫氣對(duì)容控箱氣相空間中氫氣量的貢獻(xiàn)，對(duì)應(yīng)的工況為停堆前吹掃容控箱疊加反應(yīng)堆冷卻劑在容控箱內(nèi)釋放氫氣的過程。

計(jì)算假設(shè)：

(1)容控箱停堆吹掃排氣前氣相空間氫氣含量為100%；

(2)排氣時(shí)下泄的反應(yīng)堆冷卻劑中氫氣全部釋放到容控箱；

(3)鑒于尚未查到氫氣溶解達(dá)到相平衡的時(shí)間，假定前兩次排氣過程中一回路總?cè)芙鈿浜坎蛔?，此處與第二項(xiàng)假設(shè)不一致，但足夠保守。

基于2.2.2節(jié)的計(jì)算模型，計(jì)算后結(jié)果顯示：隨排氣次數(shù)增加，混合氣體中氫氣的濃度降低，呈現(xiàn)先快速下降，后緩慢降低的趨勢(shì)。在第11次吹掃操作后，吹掃混合氣中氫氣的含量降到3.0%(V/V)，第11次排氣操作結(jié)束時(shí)，一回路堆冷卻劑中的氫氣含量降到5.82 NmL/kg(見圖3、4)，此時(shí)，排氣總體積為45.65 Nm3。相對(duì)于單獨(dú)進(jìn)行容控箱停堆吹掃的過程，此處排氣中氫氣含量降低速度明顯變慢，原因是水中釋放的氫氣延緩了氣相中氫氣含量下降的速率。

圖3 容控箱排氣體積與氫氣含量隨吹掃排氣次數(shù)的變化關(guān)系圖

圖4 一回路水中的氫氣含量與吹掃排氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)隨吹掃排氣次數(shù)的變化關(guān)系圖

最大單次最大排氣體積為4.15 Nm3，每次排氣中的氫氣含量呈逐漸下降趨勢(shì)；每次排氣的體積相同，原因是每次排氣操作的始末狀態(tài)相同(溫度、壓力和和容控箱液位變化)。

3 討論

3.1 調(diào)研的排氣數(shù)據(jù)

CPR1000(M310系列電站中的一種)機(jī)組各類含氫廢氣的排氣量列于表5。表5中體現(xiàn)的是排氣總體積，未能體現(xiàn)出排氣量的峰值。

表5 CPR1000機(jī)組各類含氫廢氣的排氣量

3.2 討論

含氫廢氣總體積和氫氣含量影響著工藝和設(shè)備處理能力的選擇。為在滿足放射性衰變的前提下保證工藝中氫氣安全，提高經(jīng)濟(jì)性，需在源頭調(diào)配好含氫廢氣的體積，將包容含氫的設(shè)備容積和數(shù)量控制在滿足要求的最小值，必要時(shí)考慮采用氧化除氫的手段。儲(chǔ)存含氫廢氣的容器和房間，應(yīng)監(jiān)測(cè)氫氣含量，設(shè)備制造、布置、房間通風(fēng)、照明和用電設(shè)備都應(yīng)嚴(yán)格要求。還需保證對(duì)惰性氣體滯留(貯存或者吸附)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，使其衰變降低放射性，在滿足氣載放射性流出物惰性氣體控制值不超過在6×1014Bq/a的前提下，做到合理可行盡量低[16-17]。

壓縮貯存衰變工藝屬于間歇操作工藝，對(duì)容控箱進(jìn)行吹掃操作，在容控箱吹掃疊加反應(yīng)堆冷卻劑在容控箱內(nèi)釋放氫氣工況時(shí)排出的含氫廢氣總體積最大，為45.65 Nm3。如果采用加壓儲(chǔ)存則體積僅為7.61 m3，相對(duì)于調(diào)研到的衰變箱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)75 Nm3/h和總?cè)莘e108 m3，僅占衰變箱容積的7.05%。實(shí)際的吹掃操作還可以精細(xì)化設(shè)計(jì)，衰變箱容積尚有較大的裕量可以挖掘。

對(duì)于連續(xù)操作的吸附衰變工藝，為使出口氣體的劑量水平較低，需保證放射性核素衰變時(shí)間足夠久，則吸附劑對(duì)惰性氣體的滯留/延遲時(shí)間成為關(guān)鍵因素，單次吹掃最大排氣量比排氣總體積更為重要。經(jīng)計(jì)算，單次操作最大的排氣量為4.15 Nm3，其中氫氣體積分?jǐn)?shù)范圍100%～3%。

如在吸附衰變工藝需要進(jìn)行氫氣濃度控制(稀釋或采用氫氣燃燒/催化氧化工藝)，則需要對(duì)排放氣體稀釋，若使氫氣含量降至4%以下[14,16]，則每次操作最大的排氣量為103.75 Nm3；假設(shè)單次排放的氣體在2小時(shí)內(nèi)處理完，則系統(tǒng)的處理能力為57 Nm3/h(10%的裕量)；此容量在原工藝壓縮機(jī)的處理能力范圍內(nèi)，可有效利用成熟的設(shè)備。

為提升經(jīng)濟(jì)性，如果可以接受較長(zhǎng)的時(shí)間處理一次排氣(大于2 h，不超過4 h，一個(gè)排氣操作周期)，則所需的系統(tǒng)處理能力可進(jìn)一步降低，相關(guān)設(shè)備的容量相應(yīng)降低，減少設(shè)備占用廠房空間，降低氫氣爆炸后果的嚴(yán)重程度，設(shè)備采購和建筑結(jié)構(gòu)投資變小，整體經(jīng)濟(jì)性好。

綜上所述，對(duì)于壓縮貯存衰變工藝，有望在不增設(shè)衰變箱的情況下解決容積不足的問題；對(duì)于連續(xù)操作的吸附衰變工藝，給出了建議的系統(tǒng)處理容量和進(jìn)一步優(yōu)化的方向。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)計(jì)算，壓縮貯存衰變工藝中含氫廢氣最大的排放體積遠(yuǎn)小于調(diào)研到的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和衰變箱容積，可結(jié)合氣體成分檢測(cè)手段對(duì)排氣的操作步驟精細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)管道設(shè)備的吹掃應(yīng)適度、適量，控制氮?dú)獾氖褂昧?，?yōu)化使用當(dāng)前的衰變箱的容積。

(2)若采用連續(xù)操作的吸附衰變工藝，為保證排放氣體放射性水平達(dá)標(biāo)，吸附劑對(duì)氣體的吸附滯留時(shí)間應(yīng)保證放射性核素衰變到可排放水平，控制在不超過3×107Bq/Nm3，吸附劑裝填體積可按單次操作最大的排氣量為4.15 Nm3的系統(tǒng)容量來設(shè)計(jì)。

(3)如需在氫氣的爆炸下限運(yùn)行，需補(bǔ)充不燃?xì)怏w來稀釋氫氣，系統(tǒng)容量可確定為單次排氣最大的排氣量不超過57 Nm3/h。