运行核电厂非能动氢复合器安装方案优化

2020-10-23张文君陈光毅蒲江

工程建设与设计 2020年18期

张文君，陈光毅，蒲江

（1.中广核研究院有限公司，广东深圳518026；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东深圳518120）

1 引言

安全壳内配置一定数量的消氢装置，可以有效地清除或缓和[1]在严重事故下氢气的爆燃和爆炸对安全壳完整性的威胁。而设置非能动氢复合器（Passive Autocatalytic Recombiner，PAR）则是国际上公认的减少氢气风险的有效措施之一。

目前，国内外新建核电厂在设计和建设阶段普遍已配置了PAR，以提高核电厂安全性。而法国CPY堆型、大亚湾、岭澳一期等建设时间较早的核电厂，由于当时对安全壳内氢气行为研究不够深入，没有成熟的消氢方案。考虑到严重事故时安全壳内氢气积聚风险，有必要在安全壳厂房内安装可靠的PAR，用于消除超设计基准事故下安全壳内的氢气。因此，本文将针对运行核电厂PAR安装过程进行分析，对PAR的安装风险提出了优化的技术方案。

2 PAR安装设计过程

2.1 PAR运行原理

PAR是以催化板为核心部件的非能动安全设备，该设备设计为矩形箱体结构，箱体内形成一个垂直的气流通道，通道底部区域安装有催化板。当安全壳内的氢气浓度达到启动阈值后，含有氢气的混合气体从PAR下端入口进入，在催化板表面氢气被氧化并放出化学反应热，使混合气体温度升高，进而减小密度，气流上升从设备上部气流出口排出，从而实现消氢功能。

2.2 PAR布置方案设计

为确保非能动氢气复合器的消氢效能，应将非能动氢气复合器安装在安全壳内超设计基准事故工况下可能出现最大范围氢气体积份额的空间；核电厂目前普遍采用MAAP程序或TONUS程序[2]分析安全壳在超设计基准事故工况下可能出现氢气的空间。

2.3 PAR安装方案设计

PAR布置设计完成后将进行安装，PAR安装方案与其在安全壳布置位置及型号相关；参考国内核电厂PAR[3]型号，该PAR有大小2种型号，分别是XQ-FN/50型和XQ-FN/30型，2种型号PAR设计了3种安装方案，以适应不同安装环境，如表1所示。

表1 PAR 3种安装方案

3种安装方案优缺点明显：首先，立式安装，该安装方案过程简单，安装周期短；其次，壁挂安装，相对于立式安装具有一定高空风险，需要根据现场情况搭设脚手架；最后，铰接安装，安装环节复杂，需根据现场情况搭设脚手架或添加钢梁进行施工。

3种安装方案均能够满足建设阶段核电厂的PAR安装需求，但是无法满足运行核电厂安装要求。因此，需要将PAR安装方案优化，以消除或减少PAR安装风险。

3 PAR安装方案优化

运行核电厂的PAR安装过程可能涉及辐射、干涉、高空3种风险。

3.1 辐射风险

3.1.1 安装辐射风险分析

辐射风险的存在主要是由于PAR功能特性和布置空间需求。PAR需布置于核电厂的蒸汽发生器、稳压器等易产生氢气的辐射房间，如PAR安装方案不合理，会使安装人员的承受较高辐射剂量。

例如，安全壳+4.65m标高2号蒸发器隔间，依据原设计2号蒸发器隔间位置安装的PAR型号与1号、3号蒸汽发生器隔间相同，均为XQ-FN/50型；但由于通往该隔间的运输通道已布置了余热排出系统阀门平台；该平台占用了运输通道，其运输通道的最大尺寸约1 000mm，而XQ-FN/50型PAR长度大于1 000mm，运输难度大。同时该隔间辐射水平高；如仍按原方案安装PAR，设备安装时间过长同时也会使人员承受较高的辐射风险。

3.1.2 辐射风险安装方案优化

针对该辐射风险，需优化原安装方案，在不影响PAR消氢性能的条件下，尽量减少安装人员在高辐射区域的工作时间，因此，提出如下优化安装方案：保持PAR安装位置不变的情况下，将1台XQ-FN/50型PAR变更为2台XQ-FN/30型。PAR是以催化板为核心部件的设备，其消氢性能主要是受催化板数量及间距影响[4]；而1台XQ-FN/50型PAR的催化板数量及间距与2台XQ-FN/30型相同。

因此，可判断1台XQ-FN/50型的PAR消氢性能约等于2台XQ-FN/30型PAR，因此，在保持PAR安装位置不变的情况下，将1台PAR变更为2台XQ-FN/30型，即可满足该隔间的消氢性能要求；同时XQ-FN/30型PAR尺寸更小，可快速通过高辐射隔间。

3.2 干涉风险

3.2.1 干涉风险安装分析

干涉风险主要来源于PAR安装空间限制。PAR需要有充足的安装及布置空间，而核电厂的稳压器卸压箱、反应堆冷却剂泵等房间狭小，无法正常进行安装，需要将PAR安装于墙面、横梁或悬空的区域，从而使得PAR易出现干涉风险。

如安全壳+16.50m标高反应堆冷却剂泵隔间的PAR安装过程，PAR安装的横梁基础上方安装有消防系统。因此，PAR安装需考虑与上方消防系统干涉问题。工程建设阶段的核电厂已经考虑了PAR及消防系统的干涉问题，所以在工程建设期，先进行安装PAR，再安装消防系统；而运行核电厂的消防系统早已安装完成，同时也并未考虑PAR的安装空间需求，如果仍按原方案安装，将会出现严重的干涉问题。

3.2.2 干涉风险安装方案优化

针对该干涉风险，需优化原安装方案，在不改变反应堆冷却剂泵隔间消防系统及PAR安装位置的条件下，实现PAR的无干涉安装，且安装时间不增加。

PAR的原安装方案为立式支撑安装，考虑到干涉空间为上部空间，可以将立式支撑高度降低，以悬挑梁固定的方式解决PAR与消防系统干涉空间的问题，详细优化方案如图1所示。

图1 PAR悬挑梁安装方案

3.3 高空风险

3.3.1 高空风险分析

高空风险主要来源于PAR布置空间的需求，由于氢气密度小，并具有向上流动特性，因此，PAR需布置在一些高空区域，以便更好地实现其消氢功能特性。

运行核电厂的PAR安装基本都在大修期间完成，因此，PAR安装工期受到大修进度影响。安全壳+34.0m反应堆环形钢平台PAR与最近的地面落差约14m，其搭设脚手架的工程量大、周期长，不符合大修进度要求；同时脚手架搭设工作也会损耗大量的人力及物力；即使不采用脚手架搭设安装方案，安装人员在14m落差的高空区域进行工作风险极高。

3.3.2 高空风险安装方案优化

针对该高空风险，需优化安装方案，在不改变PAR安装位置的条件下，实现安全壳+34.0m反应堆环形钢平台PAR安装。

安全壳+34.0m反应堆环形钢平台PAR的安装问题主要集中于固定基础的问题，如不采用钢梁或钢平台作为基础支撑，就可同时解决PAR安装风险问题。因此，考虑+34.0m标高其他已有固定基础，而环吊牛腿是最佳的固定基础点；针对该固定基础点设计一种悬臂梁支撑安装方案[5]。