核電廠氫氣點(diǎn)火器溫濕度影響因素的研究

和富凱，劉立凱，郭艷輝，謝 謹(jǐn)

（山東核電有限公司，山東威海 264000）

1 氫氣點(diǎn)火器簡介

核電廠發(fā)生某些嚴(yán)重事故后，燃料組件中的鋯合金與水蒸汽達(dá)到一定溫度將發(fā)生鋯水反應(yīng)，快速產(chǎn)生大量氫氣[1]。氫氣的爆炸極限為4%～75%，常規(guī)的消氫方法無法及時有效的消除氫氣，需在核島內(nèi)設(shè)置多處氫氣點(diǎn)火器，通過氫氣點(diǎn)火器的工作使氫氣濃度快速降低[2]。

核電廠氫氣濃度控制系統(tǒng)主要用于控制安全殼內(nèi)氫氣濃度，防止由于事故工況下氫氣濃度增加，而產(chǎn)生氫氣爆炸風(fēng)險。氫氣點(diǎn)火器是氫氣濃度控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分，在事故工況下，當(dāng)氫氣濃度監(jiān)測儀監(jiān)測到安全殼內(nèi)氫氣濃度過高時，可以將氫氣點(diǎn)火器通電工作，當(dāng)氫氣點(diǎn)火器的點(diǎn)火元件達(dá)到927 ℃時，它將燃燒安全殼內(nèi)的氫氣，從而降低氫氣濃度。

氫氣點(diǎn)火器由點(diǎn)火元件、電連接器、不銹鋼殼體和高溫電纜組成。其中，不銹鋼殼體由不銹鋼框架以及面板構(gòu)成，是點(diǎn)火器的主要支撐結(jié)構(gòu)，耐腐蝕和輻照環(huán)境；加熱元件主要由鎳基合金電阻絲、絕緣氧化鋁粉及不銹鋼外殼組成，冷端采用鎳絲補(bǔ)償，另外使用了少量的高熔點(diǎn)玻璃密封；殼體面板采用石墨作為密封材料；電連接器安裝在不銹鋼殼體內(nèi)，由不銹鋼、陶瓷柱及PIN 針、苯醚撐硅橡膠O 形圈組成；外部的高溫電纜為銅鎧裝高溫電力電纜。氫氣點(diǎn)火器體型小巧，同時設(shè)置了兩塊擋水板防止水滴飛濺對點(diǎn)火元件產(chǎn)生影響（圖1）。

圖1 氫氣點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)

工作時，外部電源通過高溫電纜和電連接器為點(diǎn)火元件持續(xù)供電，使加熱元件中的電阻絲通電迅速發(fā)熱（可在3 min 內(nèi)升溫達(dá)到927 ℃），當(dāng)加熱元件達(dá)到927 ℃時與事故后產(chǎn)生的氫氣接觸并將其快速消除。在我國的三代核電機(jī)組中共布置有60 余臺氫氣點(diǎn)火器，按設(shè)計(jì)分布在核島內(nèi)的各個角落，通過高溫快速燃燒消氫，從而降低事故工況下核島內(nèi)的氫氣濃度，避免發(fā)生爆炸的風(fēng)險。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

核島內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，部分氫氣點(diǎn)火器處于高溫、高濕的工作環(huán)境中，而高溫和濕度可能影響其正常工作。本文將通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬在不同溫濕度條件下，氫氣點(diǎn)火器運(yùn)行的穩(wěn)定溫度和溫度達(dá)標(biāo)時間，來模擬核電廠實(shí)際環(huán)境中溫濕度對氫氣點(diǎn)火器的影響。

設(shè)計(jì)了試驗(yàn)相關(guān)的臺架，由密封立方實(shí)驗(yàn)艙、濕度控制儀、加熱器、溫濕度監(jiān)測器以及壓縮空氣模塊組成。其中，密封立方實(shí)驗(yàn)艙由1 m×1 m×1 m 的PE 材料環(huán)境箱組成，內(nèi)設(shè)溫濕度監(jiān)測器和加熱器，在環(huán)境箱側(cè)面開孔，用于連接壓縮空氣和濕度控制儀；濕度控制儀由水箱和充氣泵構(gòu)成，通過充氣泵循環(huán)，帶動水箱內(nèi)水汽蒸發(fā)，從而達(dá)到控制濕度的目的；壓縮空氣用于快速降低濕度，密封環(huán)境箱內(nèi)的濕度無法主動降低，需要外部輸入壓縮空氣來降低濕度。

選取編號為ZHI-I-01 和ZHI-I-02 的氫氣點(diǎn)火器，將其置于密封立方實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)（圖2）。設(shè)置密封艙內(nèi)的溫度保持不變，通過濕度控制儀改變實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)濕度，測試在不同濕度環(huán)境下、使用不同工作電壓時的穩(wěn)定溫度和溫度達(dá)標(biāo)時間的變化。

圖2 試驗(yàn)臺架

將25 ℃、32 ℃點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)溫度，在每個溫度下選取5 個濕度工況（12%、30%、50%、70%和95%，表1）。將氫氣點(diǎn)火器置于密封箱中，按照圖3 接通電路，并在不同電壓（201 V、204 V、207 V、210 V、213 V、216 V、219 V、222.2 V）條件下通電，記錄點(diǎn)火元件溫度達(dá)到927 ℃所需時間，待溫度穩(wěn)定后（3 min）記錄每個輸入電壓下的點(diǎn)火元件表面溫度，即為穩(wěn)定溫度。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置電路

3 數(shù)據(jù)分析

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)整理后，建立溫度達(dá)標(biāo)時間與輸入電壓、穩(wěn)定溫度與時間、穩(wěn)定溫度與功率之間的對應(yīng)關(guān)系（圖4～圖5）。

圖4 氫氣點(diǎn)火器溫度達(dá)標(biāo)時間—電壓曲線

圖5 氫氣點(diǎn)火器穩(wěn)定溫度—電壓曲線

由圖4 可以看出，在最低電壓201 V 下，氫氣點(diǎn)火器ZHI-I-01 通電63 s、ZHI-I-02 通電72 s 后溫度即可達(dá)到927 ℃的標(biāo)準(zhǔn)要求，均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范中的180 s 要求。由圖5 可以看出，在最低電壓201 V 下，3 min內(nèi)ZHI-I-01 達(dá)到1030 ℃，ZHI-I-02 達(dá)到980 ℃，遠(yuǎn)高于927 ℃設(shè)計(jì)要求[6]。考慮到核電廠供電電壓處于（220±5%）V（即209～231 V）標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，兩臺氫氣點(diǎn)火器在設(shè)計(jì)中裕量足夠。

在理論方面，氫氣點(diǎn)火器中的點(diǎn)火元件可以看做是純電阻，根據(jù)功率公示和歐姆定律得到P=U2R，可知電阻絲發(fā)熱功率只與通入電壓的大小和電阻絲電阻有關(guān)，其溫度與發(fā)熱功率正相關(guān)，與環(huán)境中的溫濕度無關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在不同環(huán)境溫濕度情況下，氫氣點(diǎn)火器通電點(diǎn)火后的規(guī)律明顯：隨著工作電壓的升高，溫度達(dá)標(biāo)時間縮短，穩(wěn)定時點(diǎn)火元件表面的溫度升高，不同溫濕度條件下，兩臺點(diǎn)火器在不同工作電壓下的穩(wěn)定溫度變化較小，可忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，氫氣點(diǎn)火器通電后的穩(wěn)定溫度和溫度達(dá)標(biāo)時間都遠(yuǎn)高于技術(shù)規(guī)范的要求，擁有足夠的裕度。且在相同溫度不同濕度的環(huán)境下，兩臺氫氣點(diǎn)火器通入不同等級的電壓，穩(wěn)定溫度及溫度達(dá)標(biāo)時間變化較小，可以認(rèn)定環(huán)境濕度并未對氫氣點(diǎn)火器通電時的表面溫度造成影響。

在相同濕度不同溫度環(huán)境下，兩臺氫氣點(diǎn)火器在通入不同等級的電壓下穩(wěn)定溫度以及溫度達(dá)標(biāo)時間變化較小，環(huán)境溫度并未對氫氣點(diǎn)火器通電時的表面溫度造成影響。

綜上所述，在現(xiàn)場復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，氫氣點(diǎn)火器通電時的性能不受環(huán)境溫濕度因素的影響。