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认识核电站中氢气的使用和风险控制

作者 李华升 刘宇

氢是一种在元素周期表中位于第一位的化学元素,通常的单质形态是氢气。常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的由双原子分子组成的气体,是世界上已知的密度最小的气体

1     氢气的物理化学性能与原理

氢气有一项优异的物理性能,就是氢气分子极小,扩散能力极强。因此只要在燃料中添加一点氢气,就可以稳定燃烧,防止火焰熄灭,这种稳定燃烧的行为,对于提高燃烧器的安全性有好处,因此称作Hydrogen Doping。这种扩散能力用在传热上,就是换热系数极高,可以设计出紧凑的换热器来。

氢气可以抑制冷却剂中溶解氧生成,因而具有减少反应堆结构材料腐蚀的重要作用。纯水暴露在电离辐射下将产生氢和氧,向反应堆冷却剂中注入氢气大大消除了生成游离氧。另外,向反应堆冷却剂中加入过量氢迫使反应:

2H2辐照    2H2+O2

反应平衡向左移,必然消耗氧。如果溶解氢浓度足够高,在平衡状态下只存在极少量的氧。因此当反应堆冷却剂中有过量溶解氧存在时,冷却剂中不会存在辐照作用下产生有效的净分解。

根据氢气特有的物理化学性能,核电站往往采用工业界成熟可靠的工程技术,在汽轮发电机冷却和抑制堆芯燃料与一回路结构材料的腐蚀等方面均使用了氢气。

2     作为汽轮发电机的冷却介质

目前,全世界大功率汽轮发电机(包括火电厂、核电站)的冷却,绝大部分采用氢气作为中间冷却介质,工业界内称氢冷发电机。其基本流程是发电机内的氢气在发电机的两端风扇的驱动下,以闭式循环方式在发电机内部作强制循环流动,使发电机的铁芯和转子绕组得到冷却。其间,氢气流经位于发电机四角处的四个氢气冷却器,经氢气冷却器冷却后的氢气又重新进入铁芯和转子绕组作反复循环。氢气冷却器的冷却水来自闭式循环冷却水系统。

氢气的相对原子质量最轻,为1.008在标准状态下其密度仅相当于同体积空气1/14.5(或6.96%),所以用氢气作发电机的冷却介质时,其通风损耗可减少到空气冷却时通风损耗的6.96%,从而可使温升减少,发电效率提高。

在气体中,氢气的导热能力最好,其导热系数是空气的6.69倍;氢气具有很大的扩散速度,在距离漏点0.25m处氢气基本上已完全扩散。因此用氢气代替空气作发电机的冷却介质时,一方面可提高绝缘材料本身的导热能力,另一方面也能提高绝缘层间隙中的导热能力,从而提高发电机的冷却效果。另外,氢气的表面散热系数大,是空气的1.5倍。表面散热系数越大,在相同温差下所散发的热量越多,这有利于降低表面温度差,提高冷却效果。

氢冷却方式的汽轮发电机要求建立专用的供气系统。该系统应具备以下功能:给发电机充以氢气和空气;进行这两种气体的置换,补漏气;自动监视和保持氢的额定压力和纯度。具体地说,氢冷发电机的氢气系统主要由气体分配系统,气体净化系统,测量、控制和信号系统及安全消防系统组成,如下图1所示。

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1. 氢冷发电机氢气系统原理图

以国内某核电站发电机氢气冷却系统为例,该系统内氢气的正常运行压力为0.4MPa(g),冷氢气温度为45,氢气温升为21,最大氢漏量为12m3/天,机内容积110m3。实际上核电站发电机氢冷系统考虑一次性罐充和日常泄漏损耗的补充,其消耗的氢气量通过计算大约是5700m3(一年的消耗量,标准状态下的体积)。正常情况下对氢气的纯度和压力,以及发电机局部过热等参数进行连续监测,参数异常时主控制室产生报警,同时设有就地监测的仪表。通常设置发电机密封油系统防止发电机冷却用氢气向外的泄漏,同时保证氢气的纯度。同时设置了漏氢在线监测和报警装置。

氢冷汽轮发电机的制造标准、工艺和技术相对成熟,而且在火电工业和核电工业都有广泛的应用。有关氢冷汽轮发电机的防火、防爆问题,在设计、制造、安装、运行和检修等方面,工业界已有完善的应对措施和成熟的工艺技术,并积累了丰富的实践经验。

汽轮发电机氢气冷却子系统不执行核安全相关功能,属于非核安全相关系统,布置在汽轮机厂房,周围无核安全相关物项,因此即使发生氢气泄漏引起的火灾或者一定程度的爆炸,也不会影响核电厂安全。

3     压水堆一回路注氢控制氧含量

压水堆核电厂为了降低堆芯燃料和一回路表面的腐蚀,需将反应堆冷却剂中的氧含量控制在要求限值以下。通常通过化学和容积控制系统向反应堆冷却剂中添加化学物和/或氢气的方法,控制反应堆冷却剂中氧的含量。

3.1传统的能动压水堆采用低压注氢

传统压水堆核电厂通常使用低压氢气(0.4MPa),覆盖容控箱(~0.1MPa),通过容控箱提供连续上充流来控制反应堆冷却剂中的氢含量,一回路注氢原理参见图2所示。

 

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通过化容系统向一回路注入氢气,以某核电厂为例,单台机组一年消耗掉的氢气量约为100m3(标准状态下的体积),当然反应堆启动过程中也要消耗一定体积的氢气(一次启动大约消耗10m3标准体积的氢气)。对比常规岛汽轮发电机氢冷系统的耗氢量,通过化容系统向一回路注氢所消耗的氢气量是比较小的。

对于我国一部分传统的压水堆核电站而言,考虑到氢气的供应,通常在核电站内设置专门的氢气生产和分配系统,采用电解的方式生产氢气,再经过氢气分配系统向核岛化容系统和常规岛的汽轮发电机氢冷系统供应氢气。

 3.2 AP1000采用高压注氢

与传统的能动压水堆核电厂相比,AP1000项目的化学和容积控制系统(CVS)有较大简化。首先,AP1000主泵为屏蔽泵,取消了轴封注水,无需CVS系统保持连续的上充和下泄;其次,AP1000堆芯设计采用控制棒、灰棒对反应堆进行负荷跟踪操作,大大减少了运行调硼和CVS下泄的操作。因此AP1000项目的CVS系统取消了容控箱,采用直接向一回路注入高压氢气的工艺。由于反应堆运行压力在15.5MPa,因此设计从一回路注氢的压力为15.5MPa

一回路高压注氢主要由电厂气体系统(PGS)及CVS共同完成,PGS系统通过厂区氢气升压站内的增压泵将低压氢气升压后,灌充至37.4L41.4MPa的高压氢气瓶中,并运输至厂区的高压氢气站,再经减压后进入汽轮机厂房第一跨内的CVS氢气添加控制阀组,途径辅助厂房,最终进入安全壳厂房。AP1000核电厂共设置了两组高压氢气瓶,每组由2个氢气瓶组成;当一组氢气瓶压力低不足以供应氢气时,切换到另外一组继续供应。

由于一回路注氢都是为了控制一回路冷却剂中氧的含量,因此对于大多数压水堆核电厂而言,氧的控制指标是类似的,因此AP1000除了在注氢方式和管线设置上有差异外,如果反应堆冷却剂装量基本相同的话,一回路冷却剂对氢气的消耗量与传统压水堆大致相同。

AP1000项目的注氢系统流程示意如下:

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4     使用氢气过程中对相关风险的控制

在利用氢气特有的理化性能为工程服务的同时,不可回避氢气易燃易爆的危害。趋利避害,在应用中利用工程手段把氢气的风险和危害控制在有限的范围内,因此在设计核电厂的制氢站和氢气分配系统时,就需充分考虑氢气生产制备和分配传输过程中防火防爆的措施。

核电厂中应用氢气不论作为汽轮发电机的冷却介质,还是一回路化学添加成分抑制冷却剂中氧的含量,其主要功能都是非核安全相关的,但仍需要从工业安全角度和对核安全功能影响方面考虑使用过程中对燃烧和爆炸风险的控制。

4.1 从工业安全角度考虑氢气燃烧或爆炸风险

众所周知,氢气有易燃易爆等特性,氢气相关的工艺系统一旦发生泄漏,是比较容易发生燃烧甚至爆炸。尽管核电厂使用氢气并不执行核安全相关的功能,但氢气生产制备、传输分配等工艺系统,从工业安全角度采取适当的工程措施预防泄漏事件的发生,尽可能地降低氢气燃烧或爆炸的风险。

工业界已制定了相对完备的规范标准,对预防氢气泄漏,消除或降低氢气燃烧、爆炸影响的工艺方法、工程措施和管理要求等作了详细规定,主要包括以下方面:

(一)氢气系统管道、阀门的选型考虑了氢气的压力、易燃易爆、容易泄漏等危险因素,对管道试验和焊缝无损检测提出较高的要求。系统设置压力、流量仪表等能够间接反映氢气泄漏的措施;

(二)制氢站、升压站、氢气站,贯穿的厂内区域以及汽轮发电机厂房在总平面布置、建筑泄爆、管道布置、电气防爆、防雷、防静电、氢气监测、房间通风等方面的设计等均需考虑了相应的措施,满足相关标准规范的要求;

(三)厂区氢气管线采用直埋或直埋加全程玻璃钢套管的敷设方式,考虑了静电接地和防腐,并设置有相应的泄漏探测措施,能够监测到可能的氢气泄漏,并设置管线压力低、流量高的报警,以便采取进一步的修复或控制措施。根据工程实际需要,有的氢气管线采取套管式双层设计(中间充入氮气)防止其泄漏。为了预防氢气管道断裂情况下过量氢气泄漏的风险,一些工程设计中采取了超流量限制的措施。

(四)除了采取相应的措施防止氢气泄漏外,为了防止管道泄漏后氢气因局部积聚产生破坏性的爆燃风险,需在设计中采用一定的工程措施,包括:设置机械通风、隔间开有便于扩散的孔洞等,以便泄漏的氢气比较容易扩散到更大的空间;

    (五)工程实际中,仅从设计上采取防止氢气泄漏的措施是不够的,还应辅以完善的管理措施,通过适当的管理程序,使氢气相关的工艺系统、关键设备处于良好的状态,这些管理措施包括:定期巡检监视、定期检修更换,以及应急培训演练等。

4.2 对核安全功能影响的考虑

尽管核电厂中使用氢气用于执行非核安全相关的功能,但由于核电厂区别于其他工业设施在于有核安全相关的问题,因此在氢气相关工艺系统的设计中需充分考虑对核安全相关物项的影响,必要时采取相应的设计措施消除或减少氢气泄漏对核安全相关物项的功能影响。这些措施主要包括:

(一)按照核安全法规和导则的要求,氢气相关的工艺系统,不论制氢站、升压站,还是厂区氢气管道,不应由于其泄漏引发氢气燃烧或爆炸,对核安全相关物项的功能造成不可接受的影响;

(二)若氢气管道进入核岛区域,除了工业安全中考虑的工程措施外,可能还需要其他适当的设计考虑,比如:对安全壳隔离的措施、采用抗震设计,在相关隔间内不再布置核安全有关的物项或者采取物理、空间隔离等;

(三)若氢气管道采用高压设计,还应考虑高压管道可能产生的甩击效应、飞射物影响,设计上考虑适当的压力裕量等。

    当然,为了应对事故工况下氢气风险,安全壳在内部结构布置采取了有利于安全壳大气搅浑防止氢气局部积累的措施,安全壳内设有氢气复合器、氢点火器以及氢气监测仪表等控制氢气风险的措施,这些设计措施也是能够用于应对氢气管道泄漏导致的燃烧或爆炸风险。

5     核电厂事故工况下氢气风险控制

核电厂在正常运行情况下,不会产生氢气外逸到安全壳内,即使一回路有微量的氢气泄漏,也会得到较快地扩散,并最终被安全壳通风系统带到安全壳外。

但是在设计基准事故,以及严重事故情况下,安全壳内可能由于以下原因产生氢气:锆燃料包壳与水反应、水辐照分解、结构材料的腐蚀和反应堆冷却剂系统内溶解的氢等。核电厂设置了较多的工程措施控制安全壳内氢气的积聚:安全壳具有足够大的自由容积,以容纳设计基准事故和严重事故下的氢气释放量;安全壳隔间流道设计促进自然循环和改善混合;设置安全壳可燃气体控制系统,控制安全壳内的可燃气体的浓度,以确保维持安全壳的完整性。另外,为了监测事故后安全壳内的氢气浓度,还设置安全壳内氢气浓度监测系统。

安全壳内可燃气体控制系统主要执行以下功能:

a 设计基准事故后控制安全壳内的平均氢气浓度,限制和降低因局部氢气积聚及其燃烧威胁安全壳完整性的风险;

b 在堆芯降级或堆芯熔化期间,限制安全壳内整体平均氢气浓度低于10%,以此来限制其燃烧或爆燃引起的安全壳失效风险,确保严重事故下安全壳的完整性。

c 事故后安全壳内氢气浓度监测,以评估事故后安全壳内氢气燃烧或爆燃的风险和非能动氢气复合器的工作状态,同时也可作为了解堆芯恶化状况的辅助参考手段。

国内某型号压水堆核电厂的安全壳内可燃气体控制由安全壳大气监测系统和安全壳消氢系统组成。安全壳消氢系统设置33台完全独立的非能动氢气复合器(PAR)用于设计基准事故和严重事故工况下消除安全壳内的氢气。其中2PAR同时用于应对设计基准事故和严重事故,其余31PAR仅用于应对严重事故。应对设计基准事故的2PAR为安全相关,满足单一故障准则,即考虑了单台氢复合器故障时另外一台仍能满足要求,把设计基准事故下安全壳内的氢气浓度控制在燃烧浓度限值以下。严重事故下,在氢气产量达到100%锆水反应产生氢气量情况下,安全壳消氢系统能够将安全壳大空间的氢气浓度控制在10% vol以下。非能动自催化氢气复合器没有转动部件,不需要电源以及其它支持系统,利用催化原理,使氢气和氧气在常温条件下复合生成水,从而达到消氢的目的。在机组正常运行时,非能动氢气复合器处于备用状态。当安全壳内的氢浓度达到设备的启动阈值时,非能动氢气复合器自动工作,使安全壳内气体混合物中的氢气和氧气在催化剂的催化复合作用下成为水蒸汽。以某种类型的非能动氢气复合器为例,单台非能动氢气复合器的消氢能力是5.36kg/h(在4%体积浓度氢,1.5bar下,温度50℃),相当于设计基准事故下产氢速率的13倍,计算分析表明在设计基准事故情况下,安全壳内的氢气浓度不会超过4%。在严重事故下,100%的堆芯燃料包壳与水和蒸汽发生化学反应,计算分析表明安全壳内的平均氢气浓度小于10%,可以有效地将安全壳内的氢浓度控制在安全范围之内。

安全壳大气监测系统的主要作用是在一回路破口事故(LOCA)后使安全壳内的大气混合均匀,并对安全壳大气进行氢气浓度连续监测。混合功能由安全壳大气监测子系统完成,该子系统由两条并联管线组成,一条正常工作,另一条备用,每条管线主要由安全壳上部空气的排气管道、1100%容量的风机以及引回安全壳下部的回风管线组成。氢气浓度连续测量功能由另一个安全壳大气监测子系统完成,该子系统由氢分析仪取样管道及测氢阀门组成,测氢阀门与旁路的风机进出口端相接。氢气浓度连续测量冗余的两列组成,连续在线监测得到安全壳内氢气浓度信号,并在主控室显示,实时的氢气分布情况是评价可燃气体控制系统效率的基础,同时也为采取额外的措施(如启动喷淋系统等)和评估氢爆风险提供信息。

6     总结

氢气基于特有的理化性能,广泛运用于常规工业生产的多个领域,在石油、化工等领域已有成熟应用经验,已形成了一整套完善的技术标准和规范体系。长期以来工业界大量成功的工程实践表明,发生氢气燃烧引起火灾或者爆燃造成破坏性影响的概率极低。

在核电厂氢气的使用中,严格按照国家法律法规的要求,以及现有的规范标准进行设计、建造、维护和运行,并通过严格的核安全审评和工业安全专篇审查,风险是可控的。