提升核电厂核空气净化系统可靠性的策略研究

张 铎，高 阳，尹利波，张 俊，强振华

提升核电厂核空气净化系统可靠性的策略研究

张 铎，高 阳，尹利波，张 俊，强振华

（中广核工程有限公司，广东深圳518057）

核电厂核空气净化系统的性能关乎事故工况下主控室可居留性和电厂排气放射性水平，其运行的可靠性受系统管路的密封性、碘吸附器性能、高效过滤器性能、电加热器控制策略、火灾报警正确率等方面的影响。本文从系统可靠性相关的各个方面进行研究并提出改进策略，以期提高核电厂核空气净化系统的运行可靠性。

核电厂；核空气净化；碘吸附器；可靠性

核电厂核空气净化系统是保证正常及事故工况下主控室可居留性以及核电厂向环境排放的放射性水平不高于管理限值的关键设施。其核心组件为碘吸附器、高效过滤器、电加热器、风管、风机、火灾报警装置等。其中，风机是保证系统正常运行的动力源，碘吸附器用于吸附净化放射性131I及其化合物，高效过滤器用于过滤净化放射性气溶胶，电加热器则是保证所处理的气体能够在设计温度和相对湿度下通过这两个净化组件而得到合理的净化。风管的密封性可保证系统的运行不会受到非相关区域气体的影响或将所处理的气体泄漏至不合适的区域，火灾报警装置则是为了保证碘吸附器中的浸渍活性炭不会因非预期的热量积聚引发火灾。

核空气净化系统关键组件碘吸附器的净化效率受温度、湿度、气流速度、活性炭的老化与腐蚀以及运行时间等因素影响[1]。国内外相关机构研究表明，碘吸附器净化效率会随着气流相对湿度升高而降低[2,3]，特别是相对湿度超过60%后，净化效率会有明显的降低。但相对湿度过低会使活性炭浸渍剂发生氧化反应，降低化学过滤效果，导致碘吸附器过滤能力下降，一般控制在30%～40%范围内为宜。此外，因活性炭老化、周边环境差、运行时间长等因素导致碘吸附器效率不合格的案例也屡有发生，对核空气净化系统的可靠性产生较大影响。

除了碘吸附器净化效率，核空气净化系统潜在的火灾风险、电加热器火警保护频繁误触发等，也会影响系统可靠性。

本文结合多个核电厂经验反馈，就影响核空气净化系统可靠运行的诸多因素，重点从管路密封保证、电加热器控制、消防探测优化等方面开展对提升核电厂核空气净化系统可靠性策略的研究。

1　管路密封性的提升

华南地区某核电机组主控室通风系统核空气净化回路曾因管路密封不严问题，致使大量水气积聚，导致碘吸附器长期处于不利的保养条件下。为防止相对湿度较高的气流侵入碘吸附器内部影响其净化效率，RCC-M规定了不同质量等级的风管和风阀的气密性水平。

以大亚湾核电厂主控室通风系统为例，碘吸附器上下游风管均设计为碳钢气密型风管，且新风入口处设有气密型隔离风阀，密封性满足RCC-M相关要求。国内核电二代主流堆型CPR1000气密型风管采用的密封标准高于大亚湾核电厂，而三代核电机组，对相应标准做了进一步提升，具体数据如表1所示，这更有利于维持核空气净化系统在备用状态下的保养条件。

表1　通风管路密封性要求

尽管有RCC-M相关要求，但受制于设备设计，国内核电机组对于气密型隔离风阀的内漏率，并未制定现场试验进行验证，无法在线判断是否满足泄漏率的要求。国内某三代核电厂规定了对气密型隔离风阀密封垫进行定期目视检查，如遇密封垫损坏、脱落等现象，应及时更换以确保其隔离有效性，但由于无法定量判断隔离风阀的密封性能，仍然存在因密封不严导致碘吸附器回路湿度升高的风险。

国外某三代核电厂采用了带有泄漏率定期试验接口的气密型隔离风阀，能够实现泄漏率的在线测量，可考虑在国内核电厂予以引进，以有效监测隔离风阀的密封性能。其设计示意如图1所示。

除此之外，在工程施工阶段，如具备条件，可关闭碘吸附器上、下游的隔离风阀，进行整体打压，以排查泄漏点并进行处理，可有效提升回路密封性。

工程实践表明，当核空气净化系统密封性得到保障时，可以取消碘吸附器外壳保温加热器、日常干燥保养压缩空气等相关设计，使得系统设计更加精简、可靠性更高。

图1　一种气密型隔离风阀示意图

Figure 1The sketch for the reinforced isolation damper

2　电加热器控制优化

核空气净化系统通常在碘吸附器上游设置有电加热器，用以降低流经碘吸附器空气的相对湿度，减小对碘吸附器净化效率的影响。本文分析了核电厂核空气净化系统电加热器现有控制方法的特点及其局限性，通过理论分析并结合工程实践，提出电加热器控制的优化策略。

2.1　电加热器控制方法应用现状

核电厂核空气净化系统电加热器现有控制方法主要有三种：

（1）随湿度开关启停的开关型电加热器

（2）随风机启停的开关型电加热器

（3）随风机启停的PID闭环控制型电加热器

在不同的控制方式下，电加热器下游温度变化趋势如图2所示。由趋势图可见：第（1）种控制方式下，电加热器会频繁启停，且电加热器下游空气温度呈锯齿形，参数不稳定；第（3）种控制方式下，加热器功率由PID控制器根据设定值进行调整，可将加热器下游温度稳定在设定值附近，参数品质较好，并可避免加热器的频繁启停；第（2）种控制方式的加热器下游温度随入口气流参数变化而变化，图2中未进行显示。

图2　不同控制策略下空气参数特性曲线示意图

Figure 2The sketch of air property curves under different control strategies

MZ：湿度监测仪表，MT1、MT2：温度监测仪表，1、3分别代表第（1）、第（3）控制方式

比较而言，第（2）、（3）种控制方式下的电加热器运行较稳定，下游空气参数相对较好，但在可靠性方面仍然存在局限性。例如，第（2）种控制方式在系统某些工况下切列运行时，由于空气流量不匹配，会出现下游空气温度过高而导致火警触发。而第（3）种控制方式下，电加热器出口温度设定值是根据假想事故工况下最不利的入口空气参数（相对湿度较高，最高可达100%），并考虑一定裕量后确定的，而多数情况下，电加热器入口的空气温度、相对湿度均低于假想事故工况最不利的设计选用参数，而出口温度设定值不变，会导致下游空气相对湿度过低，从而影响到碘吸附器的性能。

2.2　电加热器控制策略优化

国内三代核电机组核空气净化系统中电加热器主要采用第（2）、（3）种控制方式。针对第（2）种控制方式的开关型加热器，应从设计上考虑电加热器选型与不同工况下空气流量的匹配性，优化工况切换时通风量与碘吸附器回路及配套电加热器的对应关系。

以下主要就第（3）种控制方式，即PID闭环控制型电加热器的控制，提出优化策略。如图3所示，在电加热器控制逻辑中引入一个转换函数()，根据入口空气实时参数，通过()换算，实现电加热器出口温度设定值的动态调整，使其更加适应实际工况，以提升系统运行的可靠性。

图3　温度设定值优化后逻辑框图

Figure 3The logic block diagram after optimization of temperature set values

MT1、MT2：温度监测仪表，3代表第（3）种控制方式

本文结合热力学基本原理和工程经验，给出一种简便的（）确定方法以满足工程应用需求。具体步骤如下。

（1）根据核电厂实际控制要求，确定电加热器出口空气相对湿度控制目标RHout（一般在30%～40%范围内为宜）；

（2）参考电加热器入口空气相对湿度范围，并考虑一定裕量，确定入口空气相对湿度值RHin，保守起见，对于反应堆厂房内部以及有室外新风的核空气净化系统，最大可选用100%；

（3）在入口空气温度范围内，按照一定间隔，选取若干温度点，并落在焓湿图RHin“等湿线”上，沿“等含湿量线”，在RHout“等湿线”上获取对应的出口温度目标值；

（4）根据获取的出口温度目标值，拟合出()函数。

以国内某三代核电主控室通风系统为例，电加热器出口空气相对湿度目标值RHout取35%，入口相对湿度RHin取100%，入口温度区间为3～34 ℃。

按照一定温度间隔选点，沿“等含湿量线”将空气加热至35%相对湿度线，构成的区域如图4绿色阴影区域。不同入口温度对应的电加热器出口温度设定值如表2所示。

图4　主控室通风系统电加热器工作区域示意

Figure 4The sketch of the electrical heater working zone for the ventilation system of main control room

结合图4和表2，可大致拟合出电加热器出口温度设定值与入口温度的转换函数为：()=+18。

表2　入口温度与电加热器出口温度设定值关系

经实践证明，该优化策略在保证核空气净化回路相对湿度控制目标基础上，实现电加热器出口温度随入口空气参数动态变化，避免过热、过干现象，可有效降低火灾风险，减少低湿度情况下对碘吸附器活性炭性能的影响，提升系统运行的可靠性。

3　消防探测可靠性提升

核空气净化系统中使用的碘吸附器活性炭装载量很大，其火灾荷载不容轻视。系统中通常设置有温度开关，用以检测电加热器和碘吸附器的温度，超过设定温度后产生报警并启动相应的保护或响应。

消防探测方面，RCC-I《压水堆核电厂防火设计和建造规则》（1997）中，规定在电加热器和碘吸附器之间设置温度传感器，监测火灾风险。

然而，由于电加热器控制逻辑及温度传感器选型、布置与设定值等问题，存在频繁导致碘吸附器回路消防报警、影响核空气净化系统运行可靠性的现象；电厂因火警触发，频繁启动火灾应急处理规程，还造成人力资源浪费。

建议采取如下举措，提升消防探测可靠性：

（1）工程设计阶段，要考虑消防探测温度传感器与通风温度开关的差异性，结合风管内温度分布情况，做好仪表选型与布置；

（2）工程调试期间，应对温度传感器安装位置的温度进行实测，结合设计文件，对报警设定值进行优化；

（3）在碘吸附器下游设置感烟探测器，采取不同类型的探测器判断是否存在真火情，从而采取不同等级的应急响应；

（4）优化风机停运延时时间，应兼顾电加热器余热排出与流经碘吸附器气流湿度变化（不高于60%）。

4　其他提升可靠性的手段

除管路密封性、电加热器控制、消防探测可靠性之外，还有很多影响核空气净化系统可靠性的因素，比如活性炭老化、中毒、机械泄漏、系统运行时间过长、电源切换导致通讯故障等，这些问题在机组首次装料至首个燃料循环结束前尤为突出，需加以改进。具体如下：

（1）厂房新刷油漆后的一段时间内，应尽量避免安装或启动碘吸附器，防止活性炭老化、中毒；

（2）工程安装、调试阶段，要加强对碘吸附器滤芯密封面的保护和压紧条的紧固，Ⅲ型碘吸附器应注意控制好装碳量和密度，保证样杯的密封性和代表性；

（3）电源失去或切换期间，电加热器功率调节器会产生故障信号影响设备启动，应合理设置延时，确保电加热器在电源恢复后能正常启动；

（4）电厂投运后，应提高对核空气净化系统运行可靠性的关注，减少非必要的碘吸附器试验或运行时间。

5　总结

本文结合核电厂经验反馈，从管路密封性、电加热器控制、消防探测等方面，研究了核电厂核空气净化系统可靠性提升策略，并提出了引入新型气密型隔离风阀、碘吸附器回路整体打压、电加热器控制策略优化、提升消防探测可靠性及优化系统运行等具体措施，这些措施将有助于在线监测隔离风阀密封性能、提升管路密封性、保证碘吸附器净化效率、减少消防误动等，进而提升核空气净化系统的运行可靠性。

［1］ 许广任，吴振龙，等．影响核电厂碘吸附器净化效率的因素分析［J］．大亚湾核电，2018（2）：13.

［2］ 吴潞华，杜建兴．碘吸附器净化效率随气流相对湿度变化的研究［J］．核科学与工程，2007，27（4）：344-348.

［3］ EDF（法国电力公司）．技术说明书——通风系统的碘捕集器［R］．2002.

Strategy Study on Improving the Reliability of the Nuclear Air Cleaning System of NPP

ZHANG Duo，GAO Yang，YIN Libo，ZHANG Jun，QIANG Zhenhua

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518057，China）

The inhabitability of the main control room during accident situations and control of radioactivity release are related to the performance of the nuclear air cleaning system of nuclear power plant，their operation reliability is affected by the leak-tightness of ductworks，performance of iodine absorbers and HEPA filters，control strategy of electrical heaters，correctness of the fire detection system and so on. Some studies on related aspects are carried out and improving strategies are addressed in this paper for enhancing the operation reliability of the nuclear air cleaning system of nuclear power plant.

Nuclear power plant；Nuclear air cleaning；Iodine absorber；Reliability

TL48

A

0258-0918（2022）01-0082-06

2020-11-23

张铎（1981—），男，高级工程师，现主要从事核电厂通风消防系统调试相关研究