核電站壓縮空氣系統(tǒng)研究與分析

康樂嘉　李康樂

【摘 要】壓縮空氣系統(tǒng)是核電廠重要的全廠性公用系統(tǒng)，本文以ACP1000堆型核電站壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計方案為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)功能、流程及設(shè)備類型等方面出發(fā)，通過對不同工況下壓縮空氣流量需求，分析并研究了壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型、布置方案的安全性、合理性和先進性。并通過與其他堆型核電站的對比分析，提出了系統(tǒng)優(yōu)化觀點，從而為以后的核電機組壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計提供經(jīng)驗以作參考。

【關(guān)鍵詞】核電站；壓縮空氣系統(tǒng)；空壓機；設(shè)備布置

0 前言

核電站壓縮空氣系統(tǒng)是核電廠重要的全廠性公用系統(tǒng)，其為核電廠核島、常規(guī)島和BOP子項在正常運行、事故、調(diào)試、檢修維護工況下提供壓縮空氣動力氣源。系統(tǒng)雖不執(zhí)行安全功能，但是需要其在事故工況下為某些安全級系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時提供儀表用壓縮空氣動力氣源。因此系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的供氣能力，并且運行穩(wěn)定可靠，能保證事故情況下的持續(xù)供氣能力，同時設(shè)計應(yīng)節(jié)能、環(huán)保，方案先進合理。

1 系統(tǒng)流程

1.1 空壓機啟動方案

正常運行狀態(tài)下，主空壓站的四臺空壓機中的兩臺運行，以保證向WAS、WAI系統(tǒng)的正常供氣。在負荷高峰時，所有設(shè)備會全部投入工作。供氣管網(wǎng)的壓力變化范圍是0.86～1.0MPa（abs）。

應(yīng)急空壓機配備應(yīng)急電源供電。空壓機具有順序控制、定期自動切換的功能。壓縮機組及其輔助設(shè)備發(fā)生故障后自動切換。

1.2 WAI系統(tǒng)安全級儲罐功能

WAI系統(tǒng)設(shè)有許多安全級儲罐來為RCV等安全級系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時提供儀表用壓縮空氣，反應(yīng)堆廠房內(nèi)安裝一個向RCV化學(xué)和溶劑控制系統(tǒng)控制儀表供氣的WAI003BA貯氣罐，其所貯氣量足以滿足RCV系統(tǒng)的控制閥在冷停堆過渡24小時過程中向RCV系統(tǒng)控制儀表供氣，使反應(yīng)堆達到冷停堆狀態(tài)。

反應(yīng)堆廠房還設(shè)有兩個小的貯氣罐WAI008BA和WAI009BA，向核取樣系統(tǒng)的RNS101VP/RNS102VP供氣。

電氣廠房內(nèi)設(shè)置一臺貯氣罐WAI016BA，保證TSA汽機旁路系統(tǒng)大氣泄壓閥在失去氣源情況下的正常運行，并使反應(yīng)堆達到冷停堆狀態(tài)，以及在失去電源情況下10小時的正常運行。相關(guān)的緩沖罐的容量可保證所述閥門的兩次全開和全關(guān)操作的用氣量。

為預(yù)防TFA輔助給水系統(tǒng)汽動泵調(diào)節(jié)閥在失氣工況下不可調(diào)，設(shè)置023BA/024BA/025BA貯氣罐。

2 主要設(shè)備選型和技術(shù)參數(shù)

2.1 空氣壓縮機

壓縮空氣的分配管網(wǎng)按最大工作壓力1.0MPa（abs），最高工作溫度50℃進行設(shè)計。在特殊情況下的用氣量：電廠運行時WAS系統(tǒng)瞬時最大流量2900m3/h；安全殼壓力試驗最大流量6300m3/h。

WAI系統(tǒng)氣動控制裝置用儀表壓縮空氣以及WAS系統(tǒng)一些維修氣動工具使用的壓縮空氣，均對壓縮空氣品質(zhì)有品質(zhì)要求。其中WAI氣體要求為無油壓縮空氣。空壓機配套的各級過濾器發(fā)揮不同的功能作用，來保證最終的產(chǎn)氣質(zhì)量。儀表用壓縮空氣要求品質(zhì)最高，無論壓縮空氣由主空壓機生產(chǎn)還是應(yīng)急空壓機生產(chǎn)，均經(jīng)過靠近用戶的應(yīng)急空壓機站的干燥器、過濾器處理才供應(yīng)儀表使用，有利于保證儀表用氣品質(zhì)，提高用氣閥門的安全可靠性。

ZC廠房內(nèi)四臺主空氣壓縮機的容量須能保證：當(dāng)兩臺主空壓機運行時，能滿足一臺核電機組運行而另一臺停運時所需要的WAI和WAS系統(tǒng)流量；當(dāng)四臺主空壓機運行時，能滿足反應(yīng)堆安全殼壓力試驗時的流量要求。

空壓站配置多臺空壓機組聯(lián)合工作，空壓機組根據(jù)空壓機壓力信號和負荷來控制啟停的臺數(shù)，滿足核電站不同工況下對供氣的要求，方案合理，節(jié)約能耗。

2.2 干燥器

本案例核電工程空壓機組采用了無熱再生式吸附空氣干燥器，滿足工程使用要求。目前有新型的冷凍式空氣干燥器與吸附式空氣干燥器設(shè)計為一體化的空氣干燥器，兼有冷凍式能耗低和吸附式干燥程度高的優(yōu)點，并且占地面積更小、配管簡單、使用方便，可顯著節(jié)約能耗，在今后的核電站工程設(shè)計中可進行調(diào)研優(yōu)化。

2.3 儲氣罐

壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)置緩沖罐以減少系統(tǒng)氣流波動并貯存一定的氣量。對于安全重要的驅(qū)動裝置所需的壓縮空氣，設(shè)有專用的儲氣罐來保證其在臨時失氣情況下執(zhí)行相應(yīng)的安全功能。

貯氣罐應(yīng)根據(jù)其所承擔(dān)的功能進行設(shè)備分級，如WAI003BA貯氣罐應(yīng)按安全3級，抗震I類，質(zhì)保Q2。

貯氣罐容積應(yīng)根據(jù)所服務(wù)的所有氣動控制裝置等用氣設(shè)備的最大耗氣量、需持續(xù)時間、允許的最低工作壓力、最不利停電時氣罐內(nèi)壓力（備用空氣壓縮機失效時）來確定，并考慮適當(dāng)余量。

3 設(shè)備布置

四臺主空氣壓縮機、四組干燥裝置及一個貯氣罐安裝在ZC廠房的空氣壓縮機房內(nèi)，每臺主空氣壓縮機生產(chǎn)的壓縮空氣在進入系統(tǒng)之前由設(shè)在ZC機房內(nèi)的干燥器予以干燥；四臺冷卻水泵安裝在ZC廠房的水泵間；兩臺冷卻塔安裝在壓縮機房的屋頂上。一個10m3的空氣貯罐設(shè)置在ZC廠房內(nèi)，以緩沖系統(tǒng)中的壓力波動，并提供少量的儲備容量。

應(yīng)急空氣壓縮機和干燥器以及兩個緩沖罐安裝在每臺核電機組的應(yīng)急空壓機房內(nèi)，為儀表用壓縮空氣分配系統(tǒng)提供后備氣源。一臺帶基本負荷的應(yīng)急空壓機根據(jù)壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)壓力的下降程度自動啟動，另一臺則處于備用狀態(tài)。應(yīng)急壓縮空氣干燥器確保供給儀表用壓縮空氣分配系統(tǒng)的氣體達到預(yù)期的露點要求。將應(yīng)急空壓機站設(shè)置在安全性更高的核島廠房，設(shè)計上具有更高的安全性。

4 與其他核電站的對比分析

1）不同于一般核電工程2個機組共用一個壓縮空氣站。在福清1/2和3/4工程中考慮到工程建設(shè)周期接近的因素，進行了設(shè)計優(yōu)化，將四臺機組共建一個壓縮空氣站，設(shè)置6臺無油水冷空氣壓縮機組（四臺250kW，兩臺300kW），降低了土建和設(shè)備投資，節(jié)省了建設(shè)用地。

2）與M310機組相比，ACP1000的設(shè)計中，將WAP的兩臺儲氣罐都設(shè)置在了應(yīng)急空壓機房（M310中干燥器出口的儲氣罐設(shè)置在L廠房），有利于設(shè)備和管道布置；另根據(jù)事故工況下穩(wěn)壓器氣動泄壓閥RCS030/031/032VP供氣要求，需增設(shè)三個8.75m3安全級儲氣罐。

3）根據(jù)某些工程調(diào)試過程反饋，氣動控制裝置大量接頭采用銅質(zhì)管道管件，其優(yōu)點是安裝較為方便，缺點是如安裝精度不夠，會導(dǎo)致很多漏氣，密封性受到影響。由于管道的泄露會導(dǎo)致儲氣罐貯存氣量泄露，供氣時間低于設(shè)計值，從而影響安全供氣，因此此問題在后續(xù)設(shè)計中需要關(guān)注改進。安全等級較高的儀表供氣管道，為保證安全，應(yīng)盡可能采用焊接連接形式。

【參考文獻】

[1]中廣核工程有限公司.壓水堆核電廠核島設(shè)計[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]吳德榮.化工工藝設(shè)計手冊[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[責(zé)任編輯：田吉捷]