核電廠含氫廢氣處理系統(tǒng)氦檢漏技術(shù)研究

趙 玄 高 誼 周小龍

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 前言

核電機組 TEG 系統(tǒng)主要由有 4 個 60 m3和 4 個18 m3的衰變箱及配套設(shè)備組成，系統(tǒng)總?cè)莘e約317 m3。氦氣泄漏試驗作為最終的驗收試驗，僅針對含氫廢氣處理部分進行。 具體包括：緩沖罐、衰變箱、含氫廢氣壓縮機、壓縮氣體冷卻器、汽水分離器等設(shè)備，以及上述設(shè)備的附屬管線、閥門。

TEG 系統(tǒng)檢漏的驗收標準是設(shè)計單位參考國外核電廠運行的經(jīng)驗反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合我國現(xiàn)行制造水平而設(shè)定的。 其高標準的要求，對于檢漏系統(tǒng)的配置設(shè)計是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。 核電TEG 氦檢漏系統(tǒng)應(yīng)滿足如下技術(shù)指標[1-2]。

點試驗檢漏系統(tǒng)可以檢測出10-9Pa·m3/s 級別的漏點。

總試驗檢漏系統(tǒng)可以檢測出10-6Pa·m3/s 級別的漏點。

1 TE G 系統(tǒng)的氦檢漏系統(tǒng)配置分析

TEG 系統(tǒng)的（真空法）氦檢漏系統(tǒng)主要由氦質(zhì)譜儀、輔助抽氣泵組、管道及閥門、輔助設(shè)備以及輔助控制系統(tǒng)等組成。 系統(tǒng)的常用配置見下表1。

1.1 氦質(zhì)譜儀選型分析

目前市面流行機型主要有Leybold PHOENIX L300i 系 列 、ULVAC HELIOT700/900 系 列 、INFICON系列的UL1000 氦質(zhì)譜檢漏儀等，也是目前TEG 系統(tǒng)氦檢漏系統(tǒng)所采用的常用機型。其主要性能參數(shù)如下表2 所示。

1.1.1 質(zhì)譜儀性能參數(shù)選擇分析

氦質(zhì)譜儀而言的工作真空、極限真空、節(jié)流閥處的抽速、被檢件的漏氣量以及虛漏的總氣流量有如下關(guān)系[3]：

式中：

PP—工作真空，單位為Pa。

PL—極限真空，單位為Pa。

Sj—節(jié)流閥處的抽速，單位為m3/s。

Q0—被檢件的漏氣，單位為 Pa·m3/s。

∑Qi—虛漏的總氣流量，單位為 Pa·m3/s。

通常：PL 遠小于 PP，所以：

由（2）式可見：工作真空PP越高、節(jié)流閥處的抽速Sj越大，氦質(zhì)譜儀就越能適應(yīng)在惡劣條件下進行檢漏。

檢漏時若質(zhì)譜室中的壓力太低，需通過高真空擋板閥 （或針閥） 放入氣量QT使質(zhì)譜室的壓力達到PP值。若節(jié)流閥處的抽速為Sj，即QT=SjPP，而系統(tǒng)有效最小可檢漏率可用下式求得：

式中：qmin—系統(tǒng)有效最小可檢漏率，單位為Pa·m3/s。

γmin—檢漏儀的濃度靈敏度。

QT—通過高真空擋板閥（針閥）T 的空氣流量。

由式（3）可知，對于某一特定的氦質(zhì)譜儀來說，qmin一定，因此，SjPP越大，即 QT越大，γmin就越小，即儀器的濃度靈敏度就越高，對檢漏越有利。

對漏氣和出氣都很大的被檢件進行檢漏時， 如：TEG 系統(tǒng)，SjPP越大越好。 檢漏中必須加輔助真空系統(tǒng)輔助氦質(zhì)譜儀抽氣，輔助系統(tǒng)有分流作用，可降低檢漏靈敏度。 但SjPP越大，輔助系統(tǒng)的分流作用就會越小， 對系統(tǒng)檢漏靈敏度影響越小。 其中，PHOENIX L300i、UL1000、ULVAC HELIOT710 具有較高 SjPP，更有利于氦檢漏試驗。

1.1.2 系統(tǒng)靈敏度（有效最小可檢漏率）分析

系統(tǒng)靈敏度除了與氦檢漏系統(tǒng)本身有關(guān)外，還與被檢系統(tǒng)有關(guān)。 如上所述，氦檢漏系統(tǒng)本身靈敏度至少要高出被檢系統(tǒng)驗收標準0.5～1 個數(shù)量級[4]。 考慮輔助泵分流作用， 泵組在10 Pa 以下的實際抽速與檢漏儀的實際抽速之比可達到100∶1，氦質(zhì)譜儀最小可檢漏率應(yīng)比被檢系統(tǒng)驗收標準高3～4 個數(shù)量級， 因此檢漏 儀 的 Leybold PHOENIX L300i、ULVAC HELIOT710、INFICON 系列的 UL1000 氦質(zhì)譜檢漏儀本身的最小可檢漏率可滿足系統(tǒng)檢漏要求。

表1 TEG 系統(tǒng)的氦檢漏系統(tǒng)的常用配置

表2 氦檢漏儀的主要參數(shù)

1.2 輔助真空系統(tǒng)的選型分析

輔助真空系統(tǒng)具有預抽容器、分流氣體、減小示漏氣體反應(yīng)時間和清除時間等功能。其配置選型主要根據(jù)TEG 系統(tǒng)容器的結(jié)構(gòu)尺寸、 檢漏要求和檢漏條件選擇。 一般的輔助真空系統(tǒng)由主泵、前級泵、次級泵、真空管道等組成。

1.2.1 主泵的選型分析

（1）主泵類型選擇。

主泵類型可以選擇的機組很多。 其中，國產(chǎn)ZJB帶溢流閥羅茨真空泵、 歐瑞康萊寶WAU 系列歐瑞康萊寶羅茨泵都是有代表性的機型。國產(chǎn)ZJB 帶溢流閥羅茨真空泵具有過載自動保護，價格便宜，對注重投資成本的用戶有著不小的誘惑力。 歐瑞康萊寶WAU系列的可以在大氣下啟動， 既可簡化系統(tǒng)的控制程序， 又提高了從大氣壓到1 000 Pa 范圍內(nèi)機組的抽速，在寬壓強范圍內(nèi)（即使在極限壓強附近）具有高抽速；同時它采用風冷，無需循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

（2）主泵極限壓力的選擇。

主泵的選型是根據(jù)真空室空載時要求達到的極限壓力來確定的[5]。 通常選取主泵的極限壓力需比真空室空載極限壓力低半個到一個數(shù)量級，相關(guān)規(guī)程規(guī)定TEG 系統(tǒng)氦檢漏要求系統(tǒng)壓力應(yīng)在10 Pa 以下。即抽氣系統(tǒng)的極限壓力至少達到1×100 Pa。 RUVAC WAU1001 的理論極限壓力達 1×10-2Pa， 與 SV300 配合實際極限壓力達5×10-1Pa； 國產(chǎn)ZJB-150 30+2S-230 理論極限壓力可達1×10-2Pa，空載時，實際極限壓力也能達到1×10-1Pa，因此，兩種泵均可滿足TEG系統(tǒng)氦檢漏試驗要求。

（3）主泵抽速的選擇。

主泵抽速由真空室最大放氣量、系統(tǒng)漏氣量及所需要的工作壓力來確定[6]。 從羅茨泵組（WAU1001+SV300）抽速曲線上分析，在 10～1 000 Pa 區(qū)間，實際抽速優(yōu)于800 m3/h，有利于TEG 氦檢漏試驗，詳見下圖1。

圖1 VACUUM PUMP WAU1001 抽速曲線

實際檢漏中，有效抽速決定了抽氣時間。 低真空時（忽略漏氣）抽氣時間[7]：

式中：t—抽氣時間（s）。

V—真空設(shè)備容積（L）。

S—泵的有效抽速（L/s）。

Pi—設(shè)備開始抽氣時的壓力（Pa）。

P—設(shè)備經(jīng)t 時間的抽氣后的壓力（Pa）。

上式中泵組的抽速非恒定，必須根據(jù)不同泵組的實際抽速曲線，進行分段積分計算，使理論值更加接近實際值。 段數(shù)愈多，計算的抽氣時間愈接近變抽速的實際狀況。

TEG 系統(tǒng)單個容器（衰變罐）的容積有60 m3，整個系統(tǒng)的容器的容積約300 m3。考慮抽氣管道流導作用、工作時長等相關(guān)因素，單臺60 m3的系統(tǒng)衰變箱，最長抽氣時間應(yīng)控制在6 h 之內(nèi)。 實驗表明：單個60 m3衰變箱使用WAU1001+SV300 抽真空，抽到10 Pa 以下的抽氣時間在約為180 min，抽到5 Pa 約為270 min；使用ZJB-150 30+2S-230 抽真空，抽到10 Pa 以下的抽氣時間約為 240 min； 抽到 5 Pa 約為 360 min。 而且，在進入10 Pa 以下的真空度時，檢漏有效最小可檢漏率就可達到1×10-9Pa·m3/s 數(shù)量級， 此時開始檢漏，可滿足有效最小可檢漏率要求。

1.2.2 前級泵的選擇

羅茨泵的抽速與前級泵抽速之間的關(guān)系，主要取決于容積效率和羅茨泵許可的壓力差。如果容積效率低，則羅茨泵機組的有效抽速將會明顯下降。 在中真空和高真空范圍內(nèi)，抽速比多采用10∶1。 在入口壓力有較大變化或前級壓力變小，則壓縮比降低，故抽速比多選擇 5∶1。

羅茨泵組的抽速和效率與羅茨泵與前級泵的抽速配比以及壓力工作點有關(guān)。 表3 中，WAU1001 搭配SV200B 抽速配比為 5.33∶1，ZJB-150 30 的抽速配比為 5∶1，兩者均為合理搭配。 WAU1001+SV300B 羅茨泵組抽速配比趨向于3∶1，但由于在對TEG 系統(tǒng)抽真空時，由于被抽對象體積大，系統(tǒng)未配置粗抽泵，羅茨泵組在低真空運行，氣體流動狀態(tài)為粘滯流，溫升可能較高，受最大允許溫升限制，羅茨泵在較高壓力下啟動時，壓力下降速度很快，達到了要求的壓力，啟動時雖然超過了最大許可壓力差，但短時間超負荷羅茨泵的馬達不會發(fā)生問題，3∶1 也可滿足系統(tǒng)泵組抽速搭配。

1.3 抽氣管道的設(shè)計

由真空基本方程可以知道，泵的抽氣能力受流導影響，最大限度地加大流導U 是提高抽氣能力最有效的方法，但流導受限于被檢系統(tǒng)管道直徑、泵抽氣口直徑、管道復雜程度以及管道內(nèi)壁狀況等條件。 并且“木桶效應(yīng)”影響，流導受限于串聯(lián)管系中流導最小的那部分管路；泵的抽速增大，相應(yīng)泵組重量和體積更大，離被檢對象距離更大，將導致抽氣管路更長，流導降低。所以，在分析泵組抽速的同時，合理分配管路流導是提高抽氣能力的優(yōu)化方式。

流導與管徑間的關(guān)系如下：

溫度20℃，粘滯流狀態(tài)時長管流導：

式中：U管20℃—20℃，管道流導，m3/h。

d—管道內(nèi)徑，單位：m。

L—管道長度，單位：m。

U總—管道總流導，m3/h。

U1、U2、Un—管道某一節(jié)流導，m3/h。

Pa—管道的平均壓力，單位：Pa。

表3 泵組抽速比

從粘滯流流導公式可看出：管道流導與管徑的4次方成正比；而與管道的長度成反比。 現(xiàn)場實施檢漏時，受進氣口大小影響，管道系統(tǒng)進氣口需采用管徑為?50 mm 的真空管轉(zhuǎn)接， 我們以兩種管徑（?100 mm 和?50 mm）搭配連接為管道系統(tǒng)，管道配備總長度為L，令管徑?100 mm 的管長為a，則管徑?50 mm的管長為 （L-a）， 代入上述式中， 以羅茨泵組（WAU1001+SV300）參數(shù)為計算依據(jù)，采用計算機進行計算分析，管道總流導變化如圖2 所示如下。

圖2 流導變化曲線

計算分析結(jié)果表明：管道總長一定情況下，管徑對流導的影響極大，管道系統(tǒng)流導隨DN100 mm 管長增加急劇上升。串聯(lián)管道的總流導受限于串聯(lián)管道中流導最小的管道。 在選擇管路時，應(yīng)盡可能地選擇大管徑抽氣系統(tǒng)，盡量避免在管路中變徑或增設(shè)小管徑管道。 并且，抽氣管道總流導等于各串聯(lián)管道流導倒數(shù)和的倒數(shù)，管道越長，流導越小，即管道總流導大小與抽氣管道總長度呈反比例關(guān)系，抽氣管道總長度越長，抽氣能力越弱。在檢漏時，盡量將泵組靠近被檢設(shè)備縮短抽氣管長度對減少抽氣時間，提高工作效率。

系統(tǒng)檢漏采用的DN50 mm 管道規(guī)格一節(jié)標準長度為3 m，DN100 mm 管道規(guī)格一節(jié)標準長度為4 m，為使系統(tǒng)流導盡量大，控制DN50 mm 管為一節(jié)，使用多節(jié)DN100 mm 管道， 計算整個抽氣系統(tǒng)抽氣時間，以確保合理分配管路系統(tǒng)和安排檢測場地布設(shè)。系統(tǒng)抽氣時間與管道長度變化如下圖3 所示。

依圖3 可知，通過增加DN100 mm 管道的節(jié)數(shù)來增加管道的總長度，系統(tǒng)的流導呈反比例減小。 但通過使用羅茨泵組 （WAU1001+SV300） 對系統(tǒng)抽氣發(fā)現(xiàn)，使用4 m 長的DN100 mm 管道抽至5 Pa 僅需220 min， 使用 20 m 長的 DN100 mm 管道抽至 5 Pa 僅需267 min，管道長度對抽氣時間影響非常小，時間差在工作時間允許范圍之內(nèi)。因此，控制小管徑管道長度，可適當延長大管徑管道，合理布置采集平臺，20 m 范圍之內(nèi)， 抽氣時間約為 4 h。 另外， 計算表明，WAU1001+SV300 泵組可滿足現(xiàn)場檢漏要求。 也就是說盡量避免在管路中變徑或增設(shè)小管徑管道。

圖3 抽氣時間與管道長度變化關(guān)系曲線

2 結(jié)論

根據(jù)以上理論與實踐參數(shù)的分析，得出分析結(jié)果如下：

（1） 氦 質(zhì) 譜 檢 漏 儀 PHOENIX L300i、INFICON UL1000、HELIOT 710 等當今主流機型性能均能滿足CPR1000 堆型核電站的TEG 系統(tǒng)的氦檢漏要求。

（2）羅茨泵組（WAU1001+SV300）的性能可滿足CPR1000 堆型核電站的TEG 系統(tǒng)的氦檢漏要求。

（3）系統(tǒng)管道設(shè)計應(yīng)避免小管徑串聯(lián)，在條件運行情況下應(yīng)盡量降低管道總長度，3 m 長DN50 mm管道搭配 20 m 長 DN100 mm 在羅茨泵組（WAU1001+SV300）強勁抽力下4 h 即可滿足檢漏真空要求。