AP1000 主控室应急可居留系统空气露点温度控制

2019-09-12李敏华

设备管理与维修 2019年9期

李敏华

（中核集团三门核电有限公司，浙江台州 317112）

1 VES 空气露点温度概述

AP1000 应急可居留系统（Main Control Room Emergency Habitability System，VES）设计上能自动启动和非能动运行，不依靠厂内和厂外交流电源、操纵员的动作或能动部件，能为主控室人员提供72 h 的可供呼吸的空气。VES 系统设计上有4 个压空储罐模块，总容积约41.8 m3，每个模块包括8 只单独的储气罐，每个模块的8 只储气罐与一根直管相连，4 个模块支管连接到一条公共的供气母管上，从公共供气母管供气到主控室（图1），VES 储气罐的正常压缩空气补充由CAS 高能压空机提供。

图1 AP1000 应急可居留系统

根据技术规格书要求，在模式功率运行、启动、热备用、安全停堆模式下和受辐照燃料组件操作期间，VES 系统要求可运行，这其中包括储气罐露点温度满足要求（露点温度监督试验至少每92 d 执行一次），否则在VES 系统触发后，由于空气相对湿度高，在经过系统减压阀后可能使设备结冰，导致流道堵塞，VES 无法为主控室人员提供可供呼吸的空气，主控室人员可居留性无法得到保证，技术规格书规定，如若出现VES 储气罐空气露点温度不合格问题，需要在6 h 内降至模式3.36 h 内降至模式5。

2 影响VES 储气罐内空气露点温度的因素

2.1 VES 储气罐内有液态水

根据调试经验，建筑安装期间VES 储气罐防异物控制做得不好，正常敞开对空，无有效防护或者保养，特别是夏天，环境空气相对湿度高，极易在VES 储气罐内部出现凝结水；另外建筑安装期间进行的VES 储气罐压力试验，加压的空气几乎没经除湿就进入到储气罐内，在压力试验时，可能有水析出，导致VES储气罐内积水。VES 储气罐是相对封闭的罐体，本体无低点疏水阀，每个储气罐有两个接口：一个是0.95 cm 直径的充气/排气管道，通过卡套与储气罐本体连接；另一个是储气罐末端直径长约10 cm 的堵头，一旦水在储气罐内积聚较难被发现同时也很难清理干净。另外储气罐材料为碳钢，水在储气罐内积聚久了，储气罐内壁腐蚀，水更加难清理。VES 储气罐内存在液态水，水分子缓慢交换进入到罐内含水量极少的空气中，导致空气露点温度上升。

2.2 高能压空机供给空气质量

如果高能压空过滤器失效或者运行异常，充入VES 储气罐的空气露点温度不满足要求会导致VES 储气罐内露点温度上升。

2.3 VES 储气罐压力边界设备检修导致环境空气进入

VES 储气罐压力边界设备故障，储气罐排气至常压进行设备的检修，检修过程中可能存在环境空气进入VES 储气罐，影响储气罐内空气露点温度。

3 VES 储气罐内露点温度计算及分析

根据VES 系统设计要求：在23.44 MPa 压力下储气罐内空气露点温度不超过4.4 ℃，对应常压下的露点温度要求不超过-53.9 ℃。因为无法直接测量VES 储气罐内高压空气的露点温度，所以日常使用的为常压下VES 空气露点温度。

3.1 VES 储气罐对空后再次充气过程中露点温度计算及分析

由于设备检修VES 储气罐对空，假设环境温度为20 ℃，储气罐内是41.8 m3、相对湿度为50%的常压空气，经查其对应的绝对湿度是8669 mg/m3，则VES 储气罐内水的质量为8669×41.8=362 364 mg=362.364 g；假设经高能压空机补入9450 m3、露点温度为-56 ℃的空气（对应绝对湿度为13.7 mg/m3）将VES储气罐布置正常储气量，则补入的水的质量为9450×13.7=129 465 mg=129.465 g。补入后VES 储气罐绝对湿度为（8669×41.8+8×9450×13.7）/9491.8=51.81 mg/m3，对应露点温度为-45.25 ℃，不满足-53.9 ℃的验收标准。

从上述计算可以看出：

（1）常压下储气罐内41.8 m3内空气所含水的质量是补入的9450 m3空气内的水质量3 倍左右，储气罐内露点温度不满足要求主要原因是初始储气罐内空气含水量高。

（2）由于VES 储气罐进入管和排气管是同一根管，所以需要多次充排来降低储气罐空气露点温度。

（3）根据计算露点温度为-53.9 ℃的空气，其绝对湿度为17.9 mg/m3，VES 正常储气气量为9491.8 m3，则对应储气罐内水质量为170 g，对应170 毫升的水。含水量是非常小的。常压下测得的露点温度为-56 ℃，对应的绝对湿度为13.7 mg/m3，此时VES 储气罐内水质量为130 mg，对应130 mL 的水。从露点温度-56 ℃升高至-53.9 ℃，只需40 mL 的水进入到VES 储气罐空气中或者有4.6 m3环境空气进入到VES 储气罐中。假设初始VES 储气罐内有水，则很有可能由于水的挥发导致VES 储气罐内空气露点温度不合格。另外系统敞口后空气进入也很有可能导致VES 储气罐内空气露点温度不合格。

3.2 通过充排方式降低VES 储气罐露点温度

如果充排方案采取：排放一半体积后再补入露点温度为-56 ℃的空气。充排一次完成后，对应VES 储气罐绝对湿度为：（51.81+13.7）/2=32.75 mg/m3，对应的露点温度为-49.06 ℃，露点温度不满足验收标准；继续一次充排，充排后对应VES 储气罐绝对湿度为：（32.75+13.7）/2=23.2 mg/m3，对应的露点温度为-51.84 ℃，露点温度不满足验收标准；进行第三次充排，对应VES 储气罐内绝对湿度为（23.2+13.7）/2=18.46 mg/m3，对应的露点温度为-53.65℃，露点温度不满足验收标准；进行第四次充排，对应VES 储气罐绝对湿度为（18.46+13.7）/2=16.08 mg/m3，对应的露点温度为-54.7 ℃，露点温度满足验收标准。

由此可以看出，初次给VES 储气罐充气，如果采用对半充排的方案，则至少需要4 次充排，越往后充排1 次VES 储气罐露点温度下降越小。高能压空机给VES 储气罐充气速度约105 m3/h，排气速度与充气速度基本一致，则充排一次需要96 h，充排4 次大概需要连续充排16 d。

3.3 提高高能压空供气质量对VES 储气罐露点温度影响

之前假设的是通过高能压空机充入露点温度为-56 ℃的空气。如果首次充入压空露点温度是-62 ℃的空气（绝对湿度6.1 mg/m3），充满后对应VES 储气罐绝对湿度为（8669×41.8+8×9450×6.1）/9491.8=44.25 mg/m3，对应的露点温度为-46.58 ℃；以露点温度为-62 ℃的空气充排1 次，对应VES 储气罐绝对湿度为（44.25+6.1）/2=25.17 mg/m3，对应的露点温度为-51.19 ℃；充排2 次，对应VES 储气罐绝对湿度为（25.17+6.1）/2=15.63 mg/m3，对应的露点温度为-54.94 ℃。由此看出，提高充气质量后，充排2 次的VES 储气罐露点温度比之前空气品质的空气充排4 次的还要低。提高高能压空空气质量后节省了8 d 工期。

4 控制VES 储气罐空气露点温度措施

4.1 严控建筑安装阶段和调试阶段VES 储气罐的保养

建筑安装阶段以及调试期间要严格遵守设备运行维护保养要求，保证VES 储气罐内无异常积水和锈蚀。在系统移交生产前，要使用内窥镜到VES 储气罐逐一检查，内窥镜从VES 储气罐堵头处进入，如果发现有水，使用热风进行吹扫直至无可视的液态水。

4.2 精确计算，准备好储气罐排空后重新充气方案

由于储气罐取样口在充气路径上，如果充上气即进行取样，取到的很可能不是VES 储气罐内代表的样品，而是刚从高能压空机出口的空气，样品露点温度可能合格，但是静置一段时间后，VES 储气罐空气扩散均匀，此时取样样品露点温度可能会不合格。所以不要被充气时的取样结果迷惑，在排空后重新充气，要精确计算、准备好充排方案，充排后的露点温度要保持一定裕量。

4.3 提高高能压空机供气质量

在使用高能压空机给VES 储气罐充气时，严控高能压空机出口空气质量，建议将出口空气露点温度控制在-60 ℃以下，具体做法为：高能压空机给VES 储气罐充气时加强高能压空机出口空气露点温度巡检，若露点温度升至-60 ℃，及时更换高能压空机过滤器，保证其出口空气露点温度足够低。

4.4 避免环境空气进入VES 储气罐内

正常VES 储气罐处于高压状态，环境空气不可能进入储气罐内。如果VES 储气罐边界设备因检修，需排空储气罐至常压，此时要做好工作计划，系统开口尽量小、开口时间尽量短，在工作结束重新充气时要考虑充排一次，避免设备检修时环境空气中水分进入到VES 储气罐内导致露点温度异常上升。

5 快速提高VES 储气罐露点温度的设计优化

目前设计：VES 储气罐充气管线与排气管线是同一根，所以如若需要提高露点温度，需要采用排气后充气的方式，这种方式耗时长，效率慢，且在规定模式下若出现VES 储气罐空气露点温度不合格，依据技术规格书在6 h 内退防到热备用状态，36 h退防到冷停堆状态。按照目前设计，如果出现VES 储气罐露点温度不合格，采用充排方式至少需要24 h 恢复露点温度。可以考虑对设计进行如下优化：储气罐充气口从堵头处连接，充气口和排气口分开且在储气罐两侧（图2）。这样VES 储气罐内气体可以采用吹扫的形式进行换气，初次充气也不需要多次充排，直接吹扫即可，大大提高了效率，节省了时间。如果出现露点温度不合格的问题也能快速恢复，提高电厂经济。