AP1000電廠氣體系統(tǒng)簡介

陳煜 李小毛

摘 要：本文結合山東海陽AP1000核電電廠氣體系統(tǒng)（PGS）調試過程，對AP1000 PGS系統(tǒng)設計及功能進行淺析，進而根據(jù)調試期間發(fā)現(xiàn)的問題對PGS系統(tǒng)現(xiàn)有設計和管理、操作提出相應改進建議。

關鍵詞：AP1000；電廠氣體系統(tǒng) ；工作原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.136

1 概述

電廠氣體系統(tǒng)（PGS）主要功能是存儲及分配氣體，提供符合標準的氣體供下游用戶使用。PGS系統(tǒng)可根據(jù)氣體類型劃分為氮氣子系統(tǒng)、二氧化碳子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng)，其中氫氣子系統(tǒng)又可細分為低壓氫氣站、高壓氫氣站及氫氣升壓站。而AP1000電廠氣體系統(tǒng)設計的不同主要體現(xiàn)于氮氣子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng)：

AP1000安注箱采用氮氣充壓至4.82MPa，并以氮氣壓力作為安注驅動力，因此需要氮氣子系統(tǒng)提供5.8MPa的氮氣，并通過減壓閥減壓至相應壓力。因此，采用AP1000設計的核電廠需設置氮氣升壓裝置。

AP1000在一回路加氫方式選擇了直接加注的方式，導致高壓氫氣站使用的氫氣鋼瓶設計壓力達到41.4MPa。鑒于國內目前氫氣鋼瓶最高壓力只有20MPa，因此，采用AP1000設計的核電廠還需設置氫氣升壓站，用于對氫氣進行升壓及充裝。

2 功能介紹

2.1 氮氣子系統(tǒng)

氮氣子系統(tǒng)主要由液氮儲存罐、氣化器、低溫液體泵及相應管道、閥門及儀表組成，液氮儲存在容積為12.69m3的絕熱儲存罐內，內部壓力維持在1.72MPa。其主要功能是通過氣化器使液氮氣化，然后升壓或減壓為下游用戶提供滿足相應標準的氮氣。因此根據(jù)供氣壓力，可以將氮氣子系統(tǒng)劃分成低壓和高壓兩部分。

2.1.1 低壓氮氣子系統(tǒng)

液氮從儲存罐流出，通過管道流經(jīng)低壓氣化器，再經(jīng)過水浴式電子加熱器至常溫，再由減壓閥減壓至0.69MPa，供氫氣升壓站、汽輪機廠房、中央冷凍水系統(tǒng)（VWS）、放射性廢氣系統(tǒng)（WGS）、放射性廢液系統(tǒng)（WLS）及放射性化學實驗室等用戶使用。

2.1.2 高壓氮氣子系統(tǒng)

液氮從儲存罐流出，通過低溫液體泵升壓至16.55MPa，再經(jīng)過高壓氣化器氣化成氮氣，然后充裝至高壓氮氣箱內。當下游用戶非能動堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）安注箱（ACC）及放射性廢液系統(tǒng)（WLS）反應堆冷卻劑疏水箱（RCDT）需要用氣時，再通過減壓閥減壓至5.8MPa，對用戶進行供氣。

2.2 二氧化碳子系統(tǒng)

二氧化碳子系統(tǒng)主要由液態(tài)二氧化碳儲存罐、水浴式電子氣化器、風冷式制冷機、干冰制粒機及相應管道、閥門和儀表組成，液態(tài)二氧化碳儲存在容積為6.32m3的絕熱儲存罐內，內部壓力通過風冷式制冷機的運行維持在1.9～2.3MPa。

液態(tài)二氧化碳從儲存罐流出，通過管道流經(jīng)水浴式電子氣化器加熱至常溫，再經(jīng)過減壓閥減壓至0.69MPa，供發(fā)電機氫氣和二氧化碳系統(tǒng)（HCS）使用。另一項功能則是通過干冰制粒機制造干冰，用于電廠去污。

2.3 氫氣子系統(tǒng)

2.3.1 低壓氫氣站

低壓氫氣站主要由氫氣長管拖車及相應管道、閥門和儀表組成，氫氣儲存在設計壓力為20MPa的長管拖車內，等效體積為3900Nm3。低壓氫氣站的主要功能有兩項，其中一項是通過減壓閥減壓至1.31MPa后，為發(fā)電機氫氣和二氧化碳系統(tǒng)（HCS）、除鹽水輸送與存儲系統(tǒng)（DWS）和冷凝水存儲箱（CST）三個用戶進行供氫；另外一項功能則是直接為氫氣升壓站供氫。

2.3.2 氫氣升壓站

氫氣升壓站主要由氫氣升壓組件、空氣壓縮機、干燥機及相應管道、閥門和儀表組成，主要功能則是對氫氣升壓并充裝至高壓氫氣鋼瓶，供高壓氫氣站使用。

氫氣升壓組件采用氣動容積泵，將低壓氫氣站提供的低壓氫氣升壓至41.4MPa，然后充裝至高壓氫氣鋼瓶內。氫氣升壓泵及氣動閥門的驅動氣由空氣壓縮機壓縮及干燥機干燥后提供（見圖4）。

2.3.3 高壓氫氣站

高壓氫氣站主要由高壓氫氣鋼瓶及相應管道、閥門和儀表組成，其主要功能是通過減壓閥將高壓鋼瓶內41.4MPa的高壓氫氣減壓至19.7MPa，然后為化學與容積控制系統(tǒng)（CVS）一回路直接加氫提供氫氣源。

3 調試期間發(fā)現(xiàn)的問題及改進建議

3.1 供氣管道銹蝕

在海陽核電PGS調試期間，發(fā)現(xiàn)氮氣及二氧化碳子系統(tǒng)的局部管道存在積水，管道銹蝕情況嚴重。而氫氣子系統(tǒng)相關管道則不存在同樣的問題。經(jīng)分析，造成管道銹蝕情況嚴重的原因有以下兩個：

氮氣和二氧化碳子系統(tǒng)從氣體站至下游用戶均為碳鋼管道，而氫氣子系統(tǒng)則是不銹鋼管道；

建安單位對管道安裝完成后，是采用水壓試驗來驗證管道，但在水壓試驗完成后，并未對管道進行吹掃和干燥。

在西屋原始設計中，氮氣及二氧化碳子系統(tǒng)至下游用戶的管道采用碳鋼設計是基于氮氣和二氧化碳均為非氧化性氣體，對管道腐蝕有抑制作用，在正常使用情況下，能保證不會出現(xiàn)銹蝕情況。但在實際施工過程中，無法保證系統(tǒng)安裝完成后可以立即移交調試，同時建安單位對管道保養(yǎng)工作難以到位。

因此，基于上述原因及對系統(tǒng)設備保護，建議后續(xù)AP1000項目的PGS氮氣及二氧化碳子系統(tǒng)至下游用戶的管道采用不銹鋼管道，以避免管道內部出現(xiàn)銹蝕情況。同時，加強對建安單位施工質量的管理，以避免出現(xiàn)管道積水情況出現(xiàn)。

3.2 低溫液體泵無法自動啟停

在海陽核電PGS調試期間，發(fā)現(xiàn)氮氣子系統(tǒng)低溫液體泵無法置于自動運行狀態(tài)。經(jīng)分析，主要原因在于低溫液體泵與液氮儲存罐之間的管道設計過長，泵體內部容易積聚氣體無法啟動，需要人工手動對泵體排氣，導致無法自動運行。

根據(jù)低溫液體泵使用要求，與罐體之間的管道應盡量短且包裹保溫材料，并向下傾斜一定的角度，從而保證即使管道因熱交換導致液氮氣化，也能在氣液密度差的作用下，氮氣能順利回流至罐體內，不會在泵體內積聚而導致無法啟動。

建議后續(xù)AP1000項目根據(jù)低溫液體泵使用要求對該段管線設計進行相應修改，以保證泵可以置于自動運行狀態(tài)。

3.3 減壓閥出口壓力無法維持

在海陽核電PGS調試期間，發(fā)現(xiàn)在下游用戶無用氣需求的情況下，減壓閥下游壓力會在短時間內上升至與上游一致，從而導致下游管道超出設計壓力，存在設備損壞及管道破裂的風險。

經(jīng)拆解閥門觀察，發(fā)現(xiàn)閥門密封面存在異物，導致閥門無法密封嚴密。同時，根據(jù)減壓閥使用要求，在減壓閥前應設置過濾器，保證進入減壓閥的流體是潔凈無異物，以避免出現(xiàn)減壓閥無法保壓的情況。

建議后續(xù)AP1000項目在PGS系統(tǒng)所有減壓閥前設置過濾器，并在氮氣和二氧化碳子系統(tǒng)添加供氣壓力超出設計壓力時切斷供氣總閥的控制邏輯，以保護系統(tǒng)設備和管道。

3.4 氫氣子系統(tǒng)無氮氣吹掃管線

在海陽核電PGS調試期間，發(fā)現(xiàn)低壓氫氣站和高壓氫氣站均無氮氣吹掃管線，在使用過程中存在氫氣與空氣直接接觸的可能。但根據(jù)國標關于氫氣站的相關要求，氫氣管道必須設置氮氣吹掃管線，用于管道充氫和排氫前氮氣置換空氣。

建議后續(xù)AP1000項目在氫氣子系統(tǒng)與氮氣子系統(tǒng)間增加相連的管線，用于對氫氣子系統(tǒng)管道充氫和排氫前氮氣置換。

3.5 供氣管道無氣體純度檢測儀表

在海陽核電PGS調試期間，發(fā)現(xiàn)PGS系統(tǒng)管道均無氣體純度檢測儀表，且下游用戶系統(tǒng)也無氣體純度檢測儀表，因此無法對供氣品質進行監(jiān)控。

建議后續(xù)AP1000項目在PGS系統(tǒng)供氣總閥后增加氣體純度檢測儀表，對供氣品質進行監(jiān)控。同時，在PGS系統(tǒng)下游用戶系統(tǒng)進氣總閥前增加氣體純度檢測管儀表，以保證供氣品質能滿足設計要求。

4 結束語

本文對AP1000電廠氣體系統(tǒng)（PGS）設計、功能和工作原理進行淺析，同時結合海陽核電廠PGS系統(tǒng)調試經(jīng)驗，對電廠氣體系統(tǒng)存在的設計不合理項提出改進建議。完善的系統(tǒng)設計是核電廠安全和穩(wěn)定運行的基礎，應在調試過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，完善設計，為后續(xù)AP1000項目順利建設和安全發(fā)電保駕護航。

參考文獻：

[1]孫漢虹.第三代核電技術AP1000[M].北京：中國電力出版社，2010

[2] GB50177-2005，氫氣站設計規(guī)范[S].

作者簡介：陳煜（1988—），男，助理工程師，主要從事：山東核電有限公司聯(lián)合調試隊核島工藝處，主要負責PGS、VWS系統(tǒng)調試及核島聯(lián)合沖洗 。