核电厂硼回收系统除气塔氢氧混合风险分析

田灵智

【摘 要】日本福岛事故后，氢氧混合的预防在业界得到了更多的关注，本文从核电厂运行角度，简述了核电厂硼回收系统（TEP）除气塔为防止氢氧混合所采取的措施，分别从物理设计、逻辑设计、运行操作三个角度进行了具体阐述，并根据运行经验提出了具体的防止氢氧混合的方法，日常操作中的风险点及其预防措施。

【关键词】氢氧混合;核电厂运行;除气塔

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）02-0162-002

【Abstract】After the Fukushima accident in Japan，The prevention of hydrogen and oxygen mixing in nuclear power plants has received more attention in the industry. From the perspective of nuclear power plant operation， this paper briefly describes the measures taken by the degassing tower of the Boron water recovery system（TEP）in nuclear power plants to prevent the mixing of hydrogen and oxygen. It is elaborated from three aspects： physical design， logic design and Daily operation. According to the operating experience， the specific methods to prevent the mixing of hydrogen and oxygen， the risk points in daily operation and their preventive measures are proposed.

【Key words】Hydrogen and oxygen mixing; Nuclear power plant operation; Degassing tower

0 引言

在压水堆核电厂，为限制金属材料的腐蚀，必须严格限制一回路冷却剂中氧浓度，反应堆功率运行时，一回路冷却剂由于经受以γ射线为主的混合射线的辐照而引起水的辐照分解，为了抑制水的辐照分解而产生对结构材料完整性有害的氧，我们通过向反应堆冷却剂中加入氢气。按照技术规格书要求，水中溶解氢浓度大于20ml（STP）/kg时，一回路的溶解氧浓度即可满足要求。这使处理一回路废水增加了氢氧混合风险，一回路废水由TEP（硼水回收系统）的前贮槽收集，利用TEP除气塔进行气水分离（氢气、氮气及不凝气体）后，将废水排放或回收利用。所以TEP前贮槽、TEP除气塔就成为了氢氧混合风险的重点关注对象。

1 物理设计角度

从前贮槽到除气塔都存在着氢气逸出爆炸的潜在危险，所以安装在这些房间的电气设备按防爆要求设计，所有连接点都为焊接，从除气塔到排气冷凝器及从排气冷凝器到TEG（含氢排放系统）压缩机的管道中的孔板均有等电位的金属连接片，用来连接孔板的两侧。在每个除气塔房间排气管上设计有氢探测器，当氢气浓度达到0.5%时发出高1报警，1%时发出高2报警，在主控室KIT（计算机综合报警系统）、辅控KSN（三废处理系统）中均会出现相关报警以提醒及时采取措施。

若出现上述报警则应：

（1）立即通知并汇报工业安全相关部门，提前做好防氢爆准备;

（2）主控操纵员应密切关注TEP前贮槽、TEP除气塔压力变化情况，并执行报警卡要求内容;

（3）联系现场值班员停止TEP相关的操作，安排人员随身携带氢表和氧表去附近房间测量，必要时设置隔离带或警示带;

（4）联系辐射防护人员就地检测是否有放射性气体或液体外漏;

（5）聯系仪控人员确认仪表通道是否正常可用，是否有误报的可能;

2 逻辑设计角度

TEP除气塔是利用状态控制来实现氢氧分离的，共设计三种气体吹扫状态，分别为“状态3：氮气吹扫至含氧废气”、“状态8：氮气吹扫至含氢废气”及“状态9：强制氮气吹扫”。

状态3：氮气吹扫至含氧废气，即为除气塔在首次启动或停运检修后从状态0（冷停运）重新启动，此时除气塔检修过程中有过开口工作，则其内为含氧环境，用除盐水充水，在经过状态2（加热除氧）60分钟后，在状态3利用氮气对其气相向含氧排气吹扫15分钟后，则认为此时除气塔已经完全氮气覆盖。

状态8：氮气吹扫至含氢废气，则是在除气塔从状态0（冷停运）启动不经状态5（生产）直接进入状态6（热备用）或经状态5（生产）结束后转入状态6（热备用）之前进行的氮气吹扫15分钟，目的是扫除其内残余的氢气，使其在氮气覆盖环境下进行热备，防止可能的氢气泄漏。

状态9：强制氮气吹扫，通过一个开关（TEP035TL）能让运行人员进行除气塔的氮气吹扫，并使排气通向含氢废气，该程序用于除气塔维修前，将除气塔在氮气覆盖环境下进行开口维修。

状态3与状态8均为逻辑控制，吹扫时间均为15分钟，经过设计计算，不存在氢氧混合风险。状态9的强制吹扫并未在逻辑上明确吹扫时间，设计上由运行人员自行控制吹扫时间，按照运行规程要求，对除气塔的强制吹扫为每次5分钟，共执行两次，然后对气相取样分析氢浓度，以氢浓度<2%为标准，决定是否重复吹扫操作，如果取样合格，则人为将除气塔置于停运位置（状态0置位），认为此时除气塔不存在氢氧混合风险。

状态9的逻辑设计：当状态9复位时，则状态9置位信号会被复位，其他状态设计上也是如此，但是在除气塔处于状态0（冷停运）、1（进料）、2（加热除氧）、3（氮气吹扫至含氧废气）时，则没有相应状态的复位信号，此时TEP035TL不起作用，即在状态0、1、2、3时，除气塔是无法进入状态9进行强制氮气吹扫的，系统认为此时除气塔为含氧环境，而状态9是向含氢排气吹扫，故逻辑上有此闭锁。

那么，如果除气塔在停运时由于取样错误或者取样误差，没有吹扫至氢气浓度<2%而将除器塔置于停运（状态0），此时就无法再次进行氮气吹扫，如果除气塔进行开口工作，则有氢氧混合风险。

在实际运行中，为规避上述风险则应：

（1）除气塔停运操作时，如果一次取样合格，那么可以将除气塔静置一段时间（十分钟以上），再次取样分析氢含量，如果结果合格，才将除气塔置状态0，防止除气塔置位后氢含量高却无法吹扫（只能通过强制相关阀门的方式吹扫，非常规操作，风险高）。

（2）除气塔强制氮气吹扫前，一定先检查此时除气塔处于状态6（温度约109℃，压力在30～47KPa，g之间），即除气塔处于当前压力下的饱和温度，以使除气塔内溶解在水中的气体能够充分释放，以使氮气吹扫效果达到最好，防止停运后，水中溶解的氢气再次释放。

（3）虽然逻辑上允许除气塔处于非状态0、1、2、3时，利用TEP035TL强制进行氮气吹扫，但是为防止除气塔内水处于未饱和状态，导致吹扫不完全，故非紧急情况下，尽量不要在其他状态下进行强制氮气吹扫。

（4）一旦除气塔已经置状态0后，则需要密切关注其压力变化，并及时补氮，防止由于冷却形成负压，有空气进入风险，如果吹扫不合格，则会造成氢氧混合，所以非紧急情况下不要进行强制冷却。

3 运行操作角度

除气塔状态6（备用）时，其内部压力是通过控制蒸汽进入量，根据除气塔温度定期加热来保证除气塔的正压。如果在蒸汽冷凝罐排水不畅时，则加热蒸汽无法正常进入除气塔，将导致除气塔压力下降。而除气塔的补氮阀门都是按照状态控制的逻辑来进行开关的，并没有压力低开阀信号，这就导致除气塔极有可能出现负压现象，由于除气塔本身是按照能够承受微负压设计的，故短时间内对设备本身并无危害，但是如果除气塔有开口就会造成外部空气进入，造成氢氧混合。

除气塔自动停运信号中有液位信号高（+238mm）、低（-130mm）。所以在除气塔启动前如果液位较高，则需要开启除气塔底部排水阀进行排水，经验反馈中，已出现过在除气塔加热蒸汽排水不畅时，开启排水阀导致空气进入引起氢氧混合的情况发生。

为此运行时应遵守：

（1）除气塔液位高排水时先检查除气塔状态，确认水位及压力处于状态6的要求范围内，否则应先查找蒸汽无法进入的问题，恢复塔内压力，然后再考虑排水;

（2）排水过程中，应密切监视除气塔内压力及液位，压力不能低于15KPa，g，否則暂停排水，等待蒸汽加热至正常压力后再排水;

（3）当液位接近目标值时，应提前停止排水操作，因除气塔的液位计有平衡罐，信号传递有一定滞后性，所以应留有调节余地。

4 总结

氢氧混合一直是工业生产中重点关注的风险之一，日本福岛核事故之后，对氢氧混合的研究在核电领域得到了业界的进一步重视，因此要更多的加以关注和研究，以防止任何可能威胁核安全的诱因产生，文章从运行操作角度对TEP除气塔的氢氧混合风险加以分析说明，结合运行经验为核电厂运行中TEP除气塔的氢氧混合预防提供了依据和可行的方法。

【参考文献】

[1]杨兰和主编，CNP600压水堆核电厂运行（高级）[M]，北京，原子能出版社，2009.

[2]张涛主编，CP600 1、2号机组操纵人员应知应会[M]，北京，原子能出版社，2013.

[3]秦山第二核电厂1、2号机组运行技术规范[Z]，000.31版，浙江海盐，2018.

[4]TEP硼回收系统设计手册[Z]，核电秦山联营有限公司，2005.