含氢废气处理系统运行缺陷及风险分析

李建业++张永锋++刘宇

摘 要：秦山二厂含氢废气处理系统采用加压贮存法，加压贮存法结构简单，废气处理工艺比较成熟。废气处理系统没有直接的安全功能，但能防止向环境泄露，保护环境，使废气的放射性排放保持在可接受的范围。本文主要介绍秦山二厂含氢废气处理系统的工艺流程，相关运行参数，核心设备的工作原理；分析了系统运行中存在的风险，如：衰变箱的容量不足、倒箱操作时易导致压缩机损坏甚至放射性气体意外排放等，通过分析缺陷原因提出了相应的解决办法。

关键词：废气 缺陷 风险分析 解决办法

中图分类号：TQ639 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0108-03

核电站在正常运行工况和预计运行事件中，不可避免地产生放射性含氢废气。 目前国内压水堆核电站最常用的处理放射性含氢废气的方法是加压贮存和活性炭吸附，秦山二核根据自己的特点采用加压贮存法。加压贮存系统结构简单，废气处理工艺比较成熟，适合于处理流量变化较大的放射性废气，但是秦山二核1、2号堆的共用废气处理系统运行中存在衰变箱的容量不足、倒箱操作时易导致压缩机损坏甚至放射性气体意外排放的风险。该文对上述风险进行深入分析并提出改进建议。

1 秦山二核含氢废气处理系统

1.1 含氢废气来源

含氢废气来自于反应堆冷却剂系统的稳压器卸压箱、化学和容积系统的容积控制箱、核岛疏水排气系统的反应堆冷却剂疏水箱和硼回收系统的除气塔和前贮槽等，这类放射性废气由氢气、氮气和含Xe、Kr的惰性气体组成。本系统采用压缩贮存、裂变的方法降低含氢废气放射性，在贮存期满取样合格后通过辅助厂房通风系统DVN稀释后送至烟囱排放。

1.2 含氢废气分系统工艺流程

含氢废气分系统工艺流程图见图1，来自于一回路冷却剂的含氢废气通过母管送入一个容积为5m3的缓冲罐。在缓冲罐上游设有氧含量分析仪监测氧含量，系统设置了两台流量为38m3·STP/h的压缩机，一主一备，废气经压缩并冷却至50 ℃后送入容积为18 m3的衰变箱中贮存，经过60天的衰变，经取样分析合格后，由排放阀经核岛辅助厂房通风系统DVN除碘后排入烟囱。

1.3 含氢废气分系统运行相关参数

缓冲箱起到了稳定压力的作用，当缓冲箱的压力升到了0.025 MPa.g时启动正常压缩机，压力继续上升到0.03 MPa.g时启动备用压缩机。当压力降到0.005 MPa.g时两台压缩机均停止运行。当缓冲箱压力降至 0.003 MPa.g时在控制间内发出警报，需开启氮气阀补氮气，当压力回升至0.025 MPa.g 时氮气管线关闭并且正常压缩机启动。当缓冲箱压力升至0.04 MPa.g时发出压力高报警信号，压力继续升高至0.35 MPa.g时安全阀开启将废气排到烟囱。

氧分析仪连续测定含氧量，氧含量达1.5%和3.5%时触发主控制室内的报警，氧含量确实高时可用氮气稀释。缓冲罐氧含量必须保持低于3.5%，含氢量超过4%，含氧量超过6%就有爆炸的危险，控制氧含量小于4%，无论氢含量多少不会形成爆炸性气体。

两台压缩机并联运行时最大可处理76 m3·STP/h的废气量，这个数值略高于大修时容积控制箱的气相扫气流量。两台TEP除气塔来的含氢废气平均废气流量为2.1 m3·STP/h。任何一个衰变箱压力比整定值下降0.07 bar和0.14 bar时触发衰变箱泄漏报警，提醒运行人员衰变箱存在泄漏。

为了便于将压缩机排气切换到一台空的衰变箱，通常在箱体充满前五天通过021 MP或022 MP在0.48 MPa.g时发出信号通知运行人员，以便有充足的时间排空一台存放气体时间最久的备用箱。

含氢废气的排放速度要保证DVN系统中氢气含量不超过4%，即保证在不引起燃烧的条件下排放。同时按照确定的最大排放流速计算的放射性比活度不能触发有关KRT通道报警。进行排放时，衰变箱中的压力降低至0.02 MPa时，排放阀自动关闭，避免空气进入系统。

2 运行中存在的缺陷及风险分析

2.1 衰变箱的容量不足

秦山二核1号堆和2号堆的共用废气处理系统共设计有6个衰变箱，每箱容积为18 m3，衰变箱的设计压力为0.7 MPa.g。压缩机的出口压力到达0.65 MPa.g时压缩机自动停运，因此被压缩的废气可最高 0.65 MPa.g储存在衰变箱内。但是为保证对安全阀动作有足够的压力裕度，衰变箱只允许充到0.63 MPa.g。正常备用的衰变箱压力为0.02 MPa.g，这样每个衰变箱从 0.02 MPa充到0.63 MPa，可以接收113 m3·STP含氢废气。

在一个机组大修之前假设没有衰变箱泄露，没有衰变箱的相关检修，也没有衰变箱相关阀门的检修，这样会有5个衰变箱即565m3·STP容积可提供。另外1个衰变箱用于接收此前两个月两台机组正常运行工况的含氢废气，由于在一个堆的寿期末一回路稀释产生的废水较多，因此正在接收的衰变箱可用空间不会太多。

查阅“秦山第二核电厂三废月报”1号机组和2号机组最近几年含氢废气产生量建立表1。

从表1中可以看出2011年5月207大修初期产生的含氢废气量最大，为335.34 m3·STP，其它的大修初期产生的含氢废气多在210 m3·STP与290 m3·STP之间。这样两台机组大修产生的含氢废气总量可能达到580 m3·STP，若在大修期间出现类似207大修当量的含氢废气，就会大大超过580 m3·STP。对于衰变箱设计允许在基本负荷运行的情况下有60天的暂存期，在废气量大而放射性浓度低的情况下暂存期为45天，该暂存期是放射性废气符合向大气排放准则规定所要求的衰变时间。这样1号机组和2号机组开始大修的时间间隔若小于45天，就有可能出现衰变箱容量不足的现象。endprint

若出现衰变箱容量不足会延长大修时间，影响到电厂经济效益，因此可对废气处理系统TEG进行技改，另外优化含氢废气的管理，正确的进行停堆扫气操作尽量减少含氢废气的产生。

（1）大修前一段时间要对废气处理系统TEG进行消缺，保证衰变箱及相关设备的完好可用，保证大修开始时至少3个TEG衰变箱是空的。大修规程也明确规定：大修实施的前70左右天需考虑TEG衰变箱的容量情况。如果有必要，隔离处于接收状态的衰变箱进行衰变，这样大修前可以排放，为大修产生的含氢废气预留尽量多的贮存空间。

（2）大修期间TEP头箱吹扫是产生含氢废气量最多的一个过程，因此要把尽量减少含氢废气产生的重点放在TEP头箱的吹扫上，要优化TEP头箱吹扫操作尽量一次吹扫成功。TEP头箱吹扫以及RCV系统容控箱吹扫要尽可能的减少被吹扫的空间，如把TEP头箱的液位提高到9.5 m。应充分考虑大修期间可能误冲氮气的各种因素，如氢表的零点是否正确。

（3）TEP脱气塔每次在“生产命令”结束后，进入“热备用”之前有一个约15分钟的“强制氮气吹扫”阶段，扫除脱气塔排气冷凝器中的氢气和放射性气体，这个阶段会产生大量的废气排向TEG的含氢废气系统。若脱气塔不进行检修，“强制氮气吹扫”阶段是没有必要经过的，因此可在“生产命令”结束前进行强制返回，不经过“强制氮气吹扫”而进入“热备用”状态，以减少废气量。

（4）除了在管理方面做出要求外，可对TEG系统进行技改。增加衰变箱的容积，或者增加一套氢气复合器，复合后即减少了气体贮存体积，又降低了衰变箱内的氢含量，降低了含氢废气泄漏后爆炸的风险。

2.2 倒箱操作和压缩机氮气吹扫时存在较高的风险

当衰变箱或衰变箱相关的阀门等设备存在泄漏时，必须把衰变箱储存的含氢废气倒入到其他的衰变箱中，防止含氢废气不可控的释放造成放射性废气外溢和氢浓度过高产生爆炸，一台衰变箱破裂而导致放射性气体释放可能被评估为第III类--稀有事故。在系统长期的运行中由于种种原因，所选用的隔膜阀经常出现内漏现象，6个衰变箱的取样阀内漏更为频繁，TEG002BA衰变箱顶部盲板处在2009年就出现过严重的外漏现象。设计上对压缩机设置了氮气吹扫管线，在压缩机检修之前需用氮气吹扫压缩机及相关管道10 min至衰变箱，后再吹扫15 min至DVN系统烟囱。

从图1启动逻辑图中可以看出，无论压缩机是自动启动还是手动启动都受到油压异常、压缩机膜片损坏、气体冷却器出口高温这三个压缩机保护信号的控制，在压缩机本体出现故障时都会停运压缩机。压缩机还有一个紧急停运按钮TEG015TO，可实现紧急停运。

压缩机的允许启动信号有四路分别是：

（1）压缩机入口在线至缓冲箱，这时TEG003VY全开，压缩机投自动即TEG003CC置自动。若压缩机选在正常位置则 0.025MPa.g启动，若选在备用位置则在 0.03MPa.g时启动，缓冲箱压力降到 0.005MPa.g时压缩机自动停运。

（2）压缩机入口在线至缓冲箱，这时TEG003VY全开，TEG163VY全关，压缩机投手动即TEG003CC置手动，在缓冲箱压力不低于0.005MPa.g时，通过TEG005CC手动启动压缩机。

（3）压缩机入口在线至衰变箱，这时TEG003VY全关，TEG163VY全开，压缩机投手动即TEG003CC置手动，在集气母管压力不低于0.005MPa.g时，通过TEG005CC手动启动压缩机。

（4）压缩机入口在线至衰变箱或者氮气吹扫管线，这时TEG003VY全关，TEG163VY非全开（在线至氮气吹扫管线时163VY全关），压缩机投手动即TEG003CC置手动，通过TEG005CC手动启动压缩机。

四路信号都受到压缩机出口旁路阀TEG111VY开启5秒的限制，这是为了在压缩机启动前让出口母管充分泄压，调试期间压缩机在出口压力0.5MPa.g以上启动时就使压缩机熔断器烧毁。四路信号中的①、②、③与压缩机出口压力TEG021MP信号相与，即受到压缩机出口压力的控制，在出口压力0.65MPa.g时停运压缩机，防止下游衰变箱的安全阀起跳。第④路既没有入口压力低0.005MPa.g停运，也没有出口压力高0.65MPa.g停运。

由压缩机的技术规格书知道压缩机的吸入口压力在0.005MPa.g与0.035MPa.g之间。在倒箱操作和对压缩机的氮气吹扫时上游压力远远超过允许压力，因此启动时必须把入口进行节流，节流时TEG163VY给出的是非全开信号，这样在倒箱操作和压缩机的氮气吹扫时使用信号④来启动压缩机。

2.2.1 经过如上分析得出以下三种风险：

（1）入口压力过高的风险：在倒箱操作和压缩机的氮气吹扫时，入口压力不能调节太高，而操作人员手动调节压缩机入口阀，难以精确控制压力（入口压力表的量程为0～0.6MPa），可能使得压缩机的吸气压力过大，吸气量过大引起压缩机出口压力过高，进而引起压缩机出口安全阀（0.7MPa.g）起跳，长期这样运行也会有压缩机损坏的风险。

（2）入口压力过低的风险：在倒箱操作时入口压力低的停运信号没有参与控制，即使远小于0.005MPa也不会停运压缩机。目前只是人为的去关注泄漏衰变箱和压缩机入口的压力，这时泄漏衰变箱就有可能在较低的压力下引入含氧的空气，形成易爆炸性的混合气体，对安全生产产生严重影响。

（3）出口压力过高的风险：在倒箱操作和压缩机的氮气吹扫时，出口压力高停运信号没有参与控制，即使超压也不会停运压缩机。目前人为的去关注下游衰变箱的压力，这样在进行倒箱操作和压缩机的氮气吹扫时有可能使下游衰变箱超过出口压力高停运值0.65 MPa.g，甚至到达设计压力0.7 MPa.g，而引起衰变箱安全阀的起跳，把含氢的放射性废气直接排入烟囱，造成放射性废气的意外排放，可能被评估为第III类--稀有事故。

2.2.2 综上所述，提出以下建议

（1）谨慎选择衰变箱，控制最高压力。

在进行倒箱操作和压缩机的氮气吹扫时，尽量选择空的衰变箱接收，或经过计算衰变箱被充气后压力不会大于0.63 MPa.g。另外操作时一定要注意压缩机的进口和出口压力。

（2）缜密论证，进行逻辑修改。

加入一个出口压力高保护信号，让信号④也受到出口压力高的控制，这样在进行倒箱操作和压缩机的氮气吹扫时，衰变箱就不会被加压到安全阀的起跳值。加入一个入口压力低保护信号，让信号④在倒箱操作，即TEG163VY非全开时也受到入口压力低的控制，入口压力低时及时停运压缩机，就不会有衰变箱被吸成负压的风险。这个信号要来自于TEG163VY上游的压力表，这时虽然用TEG163VY手动调节压缩机入口压力难以精确控制，但不会出现因压缩机入口压力低而频繁停运压缩机的情况。

（3）分析源头，尽量减少倒箱次数。

根据经验反馈以前的多次倒箱是由于隔膜阀内漏所造成的，根本原因是由于阀门的关闭力矩难以量化，易发生膜头的损坏，建议以后使用力矩扳手，以减少内漏。

3 结语

秦山二核废气处理系统排放的放射性废气通过衰变、过滤、稀释后完全能够满足国家对放射性废气排放的管理要求。如2010年度惰性气体年排放量仅占年管理目标值的13.16%。但在长期的运行中也暴露出了一些问题，如隔膜阀内漏频繁、潜在的衰变箱容量不足、倒箱操作时意外排放的风险，这些都是必须要考虑的问题。同时废气处理系统关系到核电厂能否经济的运行，若出现处理能力不足就会拉长大修时间，若出现两台隔膜压缩机长时间不可运行，会导致TEP脱气塔不可运行最终会导致机组向双相中问停堆退防，对电厂正常运行造成严重影响。

参考文献

[1] 施国祯.隔膜压缩机技术规格书[S].核工业第二研究设计院，1994.

[2] 秦山第二核电厂三废月报.

[3] 赵仁凯.秦山核电二期工程一号机组调试专集[J].核动力运行研究，2003，16（2增刊）：167-175.

[4] 废气处理系统手册[S].核电秦山联营有限公司，2005.endprint