運行核電廠非能動氫復合器安裝方案優化

張文君，陳光毅，蒲江

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳518026；2.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳518120）

1 引言

安全殼內配置一定數量的消氫裝置，可以有效地清除或緩和[1]在嚴重事故下氫氣的爆燃和爆炸對安全殼完整性的威脅。而設置非能動氫復合器（Passive Autocatalytic Recombiner，PAR）則是國際上公認的減少氫氣風險的有效措施之一。

目前，國內外新建核電廠在設計和建設階段普遍已配置了PAR，以提高核電廠安全性。而法國CPY堆型、大亞灣、嶺澳一期等建設時間較早的核電廠，由于當時對安全殼內氫氣行為研究不夠深入，沒有成熟的消氫方案。考慮到嚴重事故時安全殼內氫氣積聚風險，有必要在安全殼廠房內安裝可靠的PAR，用于消除超設計基準事故下安全殼內的氫氣。因此，本文將針對運行核電廠PAR安裝過程進行分析，對PAR的安裝風險提出了優化的技術方案。

2 PAR安裝設計過程

2.1 PAR運行原理

PAR是以催化板為核心部件的非能動安全設備，該設備設計為矩形箱體結構，箱體內形成一個垂直的氣流通道，通道底部區域安裝有催化板。當安全殼內的氫氣濃度達到啟動閾值后，含有氫氣的混合氣體從PAR下端入口進入，在催化板表面氫氣被氧化并放出化學反應熱，使混合氣體溫度升高，進而減小密度，氣流上升從設備上部氣流出口排出，從而實現消氫功能。

2.2 PAR布置方案設計

為確保非能動氫氣復合器的消氫效能，應將非能動氫氣復合器安裝在安全殼內超設計基準事故工況下可能出現最大范圍氫氣體積份額的空間；核電廠目前普遍采用MAAP程序或TONUS程序[2]分析安全殼在超設計基準事故工況下可能出現氫氣的空間。

2.3 PAR安裝方案設計

PAR布置設計完成后將進行安裝，PAR安裝方案與其在安全殼布置位置及型號相關；參考國內核電廠PAR[3]型號，該PAR有大小2種型號，分別是XQ-FN/50型和XQ-FN/30型，2種型號PAR設計了3種安裝方案，以適應不同安裝環境，如表1所示。

表1 PAR 3種安裝方案

3種安裝方案優缺點明顯：首先，立式安裝，該安裝方案過程簡單，安裝周期短；其次，壁掛安裝，相對于立式安裝具有一定高空風險，需要根據現場情況搭設腳手架；最后，鉸接安裝，安裝環節復雜，需根據現場情況搭設腳手架或添加鋼梁進行施工。

3種安裝方案均能夠滿足建設階段核電廠的PAR安裝需求，但是無法滿足運行核電廠安裝要求。因此，需要將PAR安裝方案優化，以消除或減少PAR安裝風險。

3 PAR安裝方案優化

運行核電廠的PAR安裝過程可能涉及輻射、干涉、高空3種風險。

3.1 輻射風險

3.1.1 安裝輻射風險分析

輻射風險的存在主要是由于PAR功能特性和布置空間需求。PAR需布置于核電廠的蒸汽發生器、穩壓器等易產生氫氣的輻射房間，如PAR安裝方案不合理，會使安裝人員的承受較高輻射劑量。

例如，安全殼+4.65m標高2號蒸發器隔間，依據原設計2號蒸發器隔間位置安裝的PAR型號與1號、3號蒸汽發生器隔間相同，均為XQ-FN/50型；但由于通往該隔間的運輸通道已布置了余熱排出系統閥門平臺；該平臺占用了運輸通道，其運輸通道的最大尺寸約1 000mm，而XQ-FN/50型PAR長度大于1 000mm，運輸難度大。同時該隔間輻射水平高；如仍按原方案安裝PAR，設備安裝時間過長同時也會使人員承受較高的輻射風險。

3.1.2 輻射風險安裝方案優化

針對該輻射風險，需優化原安裝方案，在不影響PAR消氫性能的條件下，盡量減少安裝人員在高輻射區域的工作時間，因此，提出如下優化安裝方案：保持PAR安裝位置不變的情況下，將1臺XQ-FN/50型PAR變更為2臺XQ-FN/30型。PAR是以催化板為核心部件的設備，其消氫性能主要是受催化板數量及間距影響[4]；而1臺XQ-FN/50型PAR的催化板數量及間距與2臺XQ-FN/30型相同。

因此，可判斷1臺XQ-FN/50型的PAR消氫性能約等于2臺XQ-FN/30型PAR，因此，在保持PAR安裝位置不變的情況下，將1臺PAR變更為2臺XQ-FN/30型，即可滿足該隔間的消氫性能要求；同時XQ-FN/30型PAR尺寸更小，可快速通過高輻射隔間。

3.2 干涉風險

3.2.1 干涉風險安裝分析

干涉風險主要來源于PAR安裝空間限制。PAR需要有充足的安裝及布置空間，而核電廠的穩壓器卸壓箱、反應堆冷卻劑泵等房間狹小，無法正常進行安裝，需要將PAR安裝于墻面、橫梁或懸空的區域，從而使得PAR易出現干涉風險。

如安全殼+16.50m標高反應堆冷卻劑泵隔間的PAR安裝過程，PAR安裝的橫梁基礎上方安裝有消防系統。因此，PAR安裝需考慮與上方消防系統干涉問題。工程建設階段的核電廠已經考慮了PAR及消防系統的干涉問題，所以在工程建設期，先進行安裝PAR，再安裝消防系統；而運行核電廠的消防系統早已安裝完成，同時也并未考慮PAR的安裝空間需求，如果仍按原方案安裝，將會出現嚴重的干涉問題。

3.2.2 干涉風險安裝方案優化

針對該干涉風險，需優化原安裝方案，在不改變反應堆冷卻劑泵隔間消防系統及PAR安裝位置的條件下，實現PAR的無干涉安裝，且安裝時間不增加。

PAR的原安裝方案為立式支撐安裝，考慮到干涉空間為上部空間，可以將立式支撐高度降低，以懸挑梁固定的方式解決PAR與消防系統干涉空間的問題，詳細優化方案如圖1所示。

圖1 PAR懸挑梁安裝方案

3.3 高空風險

3.3.1 高空風險分析

高空風險主要來源于PAR布置空間的需求，由于氫氣密度小，并具有向上流動特性，因此，PAR需布置在一些高空區域，以便更好地實現其消氫功能特性。

運行核電廠的PAR安裝基本都在大修期間完成，因此，PAR安裝工期受到大修進度影響。安全殼+34.0m反應堆環形鋼平臺PAR與最近的地面落差約14m，其搭設腳手架的工程量大、周期長，不符合大修進度要求；同時腳手架搭設工作也會損耗大量的人力及物力；即使不采用腳手架搭設安裝方案，安裝人員在14m落差的高空區域進行工作風險極高。

3.3.2 高空風險安裝方案優化

針對該高空風險，需優化安裝方案，在不改變PAR安裝位置的條件下，實現安全殼+34.0m反應堆環形鋼平臺PAR安裝。

安全殼+34.0m反應堆環形鋼平臺PAR的安裝問題主要集中于固定基礎的問題，如不采用鋼梁或鋼平臺作為基礎支撐，就可同時解決PAR安裝風險問題。因此，考慮+34.0m標高其他已有固定基礎，而環吊牛腿是最佳的固定基礎點；針對該固定基礎點設計一種懸臂梁支撐安裝方案[5]。

4 安裝方案的實施效果分析

4.1 輻射風險實施效果

安全殼+4.65m標高的2號蒸發器隔間的XQ-FN/50型PAR變更為2臺XQ-FN/30型，2號蒸發器隔間消氫性能不發生變化；同時由于XQ-FN/30型PAR通過余熱排出系統閥門操作平臺的運輸時間更短，可顯著縮短安裝人員的工作時間，減少輻射劑量。

4.2 干涉風險實施效果

反應堆冷卻劑泵隔間+16.50m PAR以懸挑梁安裝方案實施后，能夠避免PAR與上方消防系統的干涉，同時+16.50m標高的橫梁基礎外部與下部的房間空間相連通，使得懸挑梁上的PAR與地面的距離大于500mm，有足夠氣體流動空間，可保證PAR的正常運行。

4.3 高空風險實施效果

安全殼+34.0m反應堆環形鋼平臺PAR以懸臂梁安裝方案實施后，能有效避免腳手架搭設及高空作業風險，同時由于+34.0m安全殼鋼平臺為格柵結構，與下部空間連通，使得PAR底部有足夠的氣體流動空間，不影響PAR的消氫性能。

5 結語

本文詳細介紹了PAR運行原理、布置準則、安裝方案等內容，并對運行核電廠輻射、干涉、高空風險環境下進行PAR安裝的優化方案進行詳細說明。

大亞灣和嶺澳一期核電廠針對PAR的優化安裝方案進行了現場實施，以現場實施的經驗表明，優化后的安裝方案不僅能滿足運行核電廠PAR設計及功能的要求，同時也可有效避免安裝過程中遇到的輻射、干涉、高空等風險因素。

大亞灣和嶺澳一期核電廠PAR改造設計及實施工作的順利完成，為其他涉及大量設備安裝方案的優化提供了良好的借鑒經驗，同時也可直接用于其他運行電廠的PAR安裝工作。