主控室應急可居留系統(tǒng)露點逐漸上升原因分析及解決措施

范 賞，姜 磊，雷 薇

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

三門核電AP 1000機組的每臺機組配備一套主控室應急可居留系統(tǒng)(VES)，設計的主要目的是在嚴重事故工況時為主控室人員提供可供呼吸的清潔空氣并且阻止氣載放射性物質(zhì)進入主控室。在發(fā)生堆芯受損的設計基準事故時，VES具備限制某些電廠選定區(qū)域溫度增長的能力，VES屬于核安全相關(guān)系統(tǒng)，是核電廠專設安全設施的組成部分[1-2]。

西屋在文件《Main Control Room Habitability System Air Quality Verification》(CPP-VES-GJP-803_R2)中明確規(guī)定了VES空氣質(zhì)量要求。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，當VES空氣質(zhì)量不滿足要求時，需在6 h進入模式3，36 h進入模式5；如果在燃料組件移動期間，VES空氣質(zhì)量不合格，則需要立即停止燃料組件的相關(guān)操作。2019年期間，在執(zhí)行1/2-VES空氣質(zhì)量監(jiān)督試驗過程中發(fā)現(xiàn)露點溫度隨時間逐漸上升且接近控制限值。通過對該次露點上升事件進行分析，找出露點上升的原因并制定解決措施防止此類事件再次發(fā)生，保證VES的正常穩(wěn)定運行。

1 主控室應急可居留系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)功能

VES能自動啟動和非能動運行，保證主控室可居留性和限制電廠選定區(qū)域內(nèi)的溫度。該系統(tǒng)可以不依靠廠內(nèi)和廠外交流電源、操縱員的動作或能動部件，主要有四個安全相關(guān)功能：一是通風，為主控室人員提供呼吸用的清潔空氣；二是加壓，保持主控室相對于周圍區(qū)域有一個微正壓，防止受氣載放射性污染的空氣進入主控室；三是冷卻，在設計基準事故后，利用構(gòu)筑物的熱容量，為電廠內(nèi)必須保持其功能的設備提供非能動的冷卻；四是凈化，在系統(tǒng)運行時，對主控室的空氣提供非能動循環(huán)過濾，維持主控室的放射性在可接受水平內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VES流程圖見圖1，有4個壓空儲氣罐模塊，每一個模塊包括8只單獨的壓空儲氣罐(共計32只儲氣罐)。儲氣罐設計壓力為表壓27.58 MPa，儲存可供呼吸用的壓縮空氣。為保證72 h的供氣能力，儲氣罐壓力不得低于表壓23.44 MPa。每一個模塊中的8只儲氣罐與1根支管相連，4個VES空氣供應儲氣罐模塊支管連接到1條公共供氣母管上。壓縮空氣和儀表空氣系統(tǒng)(CAS)的高能壓空子系統(tǒng)為壓空儲氣罐提供正常壓縮空氣補充。

圖1 主控室應急可居留系統(tǒng)流程圖

從公共供氣母管到主控室設置主、輔兩條供氣管道。主供氣管線在主控室內(nèi)安裝有一個常開的手動隔離閥和兩個并聯(lián)的電磁隔離閥，在主控室外安裝有壓力調(diào)節(jié)閥和節(jié)流孔板，以控制壓空流量和供氣壓力，以保證至少為主控室提供72 h的可呼吸空氣。

2 事件描述

VES屬于安全級的系統(tǒng)，用來保證事故狀況下主控室的可居留性，以支持電廠人員進行事故后的應急處理。系統(tǒng)對空氣質(zhì)量的要求較高，技術(shù)規(guī)格書中也對其有相關(guān)要求。

在實際運行過程中，控制露點的主要目的有兩個方面：一是為了防止空氣膨脹過程中會吸熱，從而使溫度降低，導致閥門結(jié)冰；二是露點溫度的高低關(guān)乎人體的體感舒適性。三門核電一期工程在運行過程中，根據(jù)監(jiān)督要求，在對VES儲氣罐中空氣各參數(shù)定期取樣的過程中發(fā)現(xiàn)，所有分析項目都能滿足要求且趨勢穩(wěn)定，僅露點隨時間呈上升趨勢且不斷接近監(jiān)督試驗要求的限值，如表1所示。由表1可知，存在違反技術(shù)規(guī)格書情況，機組運行模式有后撤的風險。

表1 2019年度VES露點

3 原因分析

根據(jù)對分析結(jié)果異常排查、VES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及VES相關(guān)操作分析，得到引起露點升高的原因主要有：分析儀器結(jié)果不準、供氣氣源品質(zhì)不良、充排操作不徹底、儲氣罐本體原因。

3.1 露點測量原理介紹

3.1.1 露點定義

露點即露點溫度(Td)，是指在空氣中水汽含量不變，在保持氣壓一定的情況下，濕空氣冷卻達到飽和時的溫度，單位用℃或℉表示，一般把0 ℃以上稱為露點。露點本是一個溫度值，用它來表示濕度是因為當空氣中水汽已達到飽和時，氣溫與露點相同；當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。露點與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在相對濕度是100%，周圍環(huán)境的溫度就是露點。露點越小于周圍環(huán)境的溫度，結(jié)露的可能性就越小，也就意味著空氣越干燥。在高露點時氣溫一般都會較高而導致人體出汗；而高露點有時亦伴隨著高相對濕度、汗水揮發(fā)受阻。這會使人體過熱而感到不適。低露點時氣溫或者相對濕度會較低，可令人體有效散熱，因而會比較舒適。

3.1.2 露點測量的原理

三門核電化學處實驗室使用的露點分析儀器為河南日立信RA-601系列便攜式精密露點儀，每年委托計量院對儀器進行檢定。

露點測量儀內(nèi)置露點變送器及精密樣氣取樣系統(tǒng)，采用親水性材料、憎水性材料和溫敏材料作為介質(zhì)，構(gòu)成電容型測濕傳感器和電阻型測溫傳感器。當氣體樣品流經(jīng)傳感器時，測濕傳感器的介電常數(shù)和測溫傳感器的電導率發(fā)生變化，從而測得樣品的相對濕度和溫度，儀器根據(jù)這兩個參數(shù)得出露點。

3.1.3 露點計算方法

若已知某個壓力條件下(23.44 MPa)對應的露點溫度(4.4℃)去求得另一大氣壓下(一個大氣壓)的露點溫度，有如下計算方法。

根據(jù)道爾頓分壓定律：

(1)

式中P——露點4.4℃時的絕對壓力，P1=23.54 MPa；e1——露點4.4℃對應的水飽和蒸汽壓，e1=836.631 Pa；P2——一個大氣壓，P2=0.1 MPa；

由此可得：e2=3.603 Pa，查表得知該壓力下對應的露點溫度值為-53.9℃。

3.2 分析結(jié)果異常排查

3.2.1 分析儀器測量穩(wěn)定性確認

三門核電所采用的露點分析儀為河南日立信RA-601系列便攜式精密露點儀。儀器的測量范圍為-80～+20 ℃，準確度為±0.5 ℃。該測量方法符合GB/T 11605—2005《濕度測量方法》的要求。

為確認分析儀器測量狀態(tài)是否穩(wěn)定，從而衡量該儀器給出的測量值是否準確。通過采用平行樣比對的方法，來明確同一樣品經(jīng)過反復多次測量的結(jié)果是否有較大的偏差，因此在同一取樣時間、同一取樣點使用同一分析儀器對空氣樣品進行了三次測量，測量值見表2。

表2 同一分析儀器做三組平行樣品分析結(jié)果

從表2中數(shù)據(jù)可知，三組平行樣品的結(jié)果偏差小于1℃，因此可排除儀器測量狀態(tài)不穩(wěn)定導致數(shù)據(jù)有偏差的因素。

3.2.2 分析儀器測量準確性確認

根據(jù)分析數(shù)據(jù)異常排除流程，首先需要確認是否是分析儀器的測量值不準確從而導致數(shù)據(jù)值偏高。在分析儀器均無故障的情況下，分析儀器的測量值是否準確將通過儀器間的比對來確認，儀器間的比對分為相同型號儀器比對和不同型號儀器比對,比對結(jié)果見表3和表4。由表3和表4可知，偏差均小于1℃，滿足儀器測量準確度要求，證明分析儀器的測量值是真實可信的。

表3 相同廠家不同分析儀器分析結(jié)果

表4 不同廠家儀器分析結(jié)果

3.3 供氣氣源排查

由于VES的供氣來源為CAS，其高能壓空子系統(tǒng)為VES壓空儲存罐提供壓縮空氣補充。高能壓空子系統(tǒng)包括一臺高能壓縮機、成套空氣過濾系統(tǒng)、控制裝置及儲氣罐。該壓縮機單元包括一臺入口過濾器、空冷中間冷卻器、次級油/水分離器、一臺空冷后置冷卻器、一臺末級油/水分離器、安全閥、空氣凈化系統(tǒng)、出口逆止閥及一臺高壓儲氣罐。空氣凈化和干燥器包括一臺凝汽式分離器，CO接觸催化反應器和除味過濾器。凝汽式分離器主要用來除去空氣中的水蒸氣，防止CO接觸催化反應器的工作效率下降。CO接觸催化反應器通過吸附和催化，將CO轉(zhuǎn)化為CO2。除味過濾器可以將異味和其他有機化合物去除。

由系統(tǒng)流程可知，如若高能壓空子系統(tǒng)供氣氣源的露點不合格則會導致VES露點不合格。因此對高能壓空子系統(tǒng)的儲氣罐供氣進行排查。高能壓空露點如表5所示。

表5 高能壓空露點

從表5中數(shù)據(jù)可知，1，2號機高能壓空供氣氣源的露點溫度均在-60℃以下。同時，根據(jù)CAS系統(tǒng)運行經(jīng)驗得知，若高能壓空子系統(tǒng)的除濕過濾器濾芯連續(xù)運行60 h則有可能失效，導致水分進入到第四級的CO接觸催化器，使得水分進入儲氣罐導致露點溫度不合格。此時，根據(jù)運行規(guī)程《壓縮空氣和儀表空氣系統(tǒng)》(1-CAS-GJP-101)需要增加取樣頻率(每4 h至少一次)以監(jiān)測濾芯是否失效(失效標準：多次取樣后，高能壓空的露點仍大于-60℃)。但經(jīng)查閱系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)除濕過濾器濾芯無失效后仍在繼續(xù)運行的情況，并且運行過程中無異常、無報警。

我又聽到許先生說“無力回天”這幾個字，心里突然一冷，五月天打了個寒戰(zhàn)。十三年前，許先生這幾個字送走了我的大女兒；那今朝，這幾個字又要送走可憐的二丫嗎？我噙著眼淚，見金寶愣在那兒，就代他送走了許先生。剛轉(zhuǎn)過身，大梁跑來，拉著我就走，說：“楊先生叫你去！”

根據(jù)分析，可排除高能壓空子系統(tǒng)供氣氣源露點溫度高的因素。

3.4 VES儲氣罐充排操作的影響

根據(jù)運行規(guī)程《主控室應急可居留系統(tǒng)》(1-VES-GJP-101)，在執(zhí)行VES監(jiān)督試驗前，均會對VES儲氣罐進行少量充氣，用于維持系統(tǒng)壓力以及儲氣量。在正常大氣環(huán)境下，外界空氣濕度相較于儲氣罐內(nèi)更高，其相對濕度高達60%。如果在監(jiān)督試驗執(zhí)行期間或者因缺陷導致系統(tǒng)敞口等情況，導致濕空氣進入，便會造成系統(tǒng)露點溫度的上升，甚至不合格。經(jīng)調(diào)查，VES正常運行期間無開口情況。根據(jù)供氣氣源的排查可知，供氣氣源CAS高能壓空露點均滿足要求。此兩種情況均說明，在充氣操作時無將露點不合格的空氣充至儲氣罐中。

若儲氣罐內(nèi)無壓力或者負壓狀態(tài)時會導致外界濕空氣進入罐內(nèi)，隨機選取的某一個監(jiān)督試驗周期內(nèi)，對1,2號機組高能壓空儲氣罐壓力進行測試。測試結(jié)果可以看出，所有儲氣罐在一個監(jiān)督試驗周期內(nèi)均不存在無壓力或者負壓的情況。綜合分析，可排除充排操作的影響這一原因。

3.5 儲氣罐本體

根據(jù)監(jiān)督試驗的要求，VES的露點須低于-53.9℃，此時對應的空氣中水分含量需要小于0.017 61 g/m3，如果儲氣罐內(nèi)部較為潮濕，就會造成VES露點呈現(xiàn)上升趨勢甚至不合格。為驗證空氣露點呈逐漸上升趨勢是否是因儲氣罐本體內(nèi)部潮濕原因造成的，分別在1號機組101大修期間(2020-01-01至2020-01-03)及2號機組小修期間(2019-08-12至2019-08-20)對1號機組和2號機組32個儲氣罐進行解體檢查。1號機組經(jīng)打開儲氣罐后發(fā)現(xiàn)31號、32號、25號、24號、8號、16號儲氣罐的罐體內(nèi)部均存在不同程度的潮濕，其中24號、8號、16號儲氣罐內(nèi)部可以明顯看到水跡，并且在使用吸水棉擦拭時均有泥漿帶出。2號機組經(jīng)打開儲氣罐后發(fā)現(xiàn)，8號、16號、23號、24號、25號、31號/32號儲氣罐罐體內(nèi)部均存在不同程度的潮濕。

經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)，儲氣罐內(nèi)部潮濕的主要原因為VES系統(tǒng)在建設安裝調(diào)試期間的打壓試驗采用的是水壓試驗。在試驗完成后，未對系統(tǒng)進行絕對的烘干，從而導致罐體中積攢較多水分，這也造成了VES系統(tǒng)露點在運行過程中呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

3.6 排查結(jié)論

通過分析得出，露點不合格的原因為儲氣罐本體內(nèi)部潮濕，導致水分慢慢揮發(fā)至儲氣罐的空氣中，從而使得露點上升。

4 處理方案選擇及處理結(jié)果

根據(jù)排查結(jié)論，在確定VES儲氣罐本體內(nèi)部潮濕是導致VES露點升高的原因后，結(jié)合現(xiàn)場實際工作情況，主要考慮采取VES儲氣罐充排及對VES儲氣罐內(nèi)部擦拭兩個方案來解決VES露點升高的問題。

4.1 儲氣罐的充排

采用儲氣罐的充排操作來置換儲罐內(nèi)部的濕空氣時，主要分為以下兩種情況。

(2)

式中Q——充排體積；V——儲氣罐空氣儲存量；CF——充氣含水量；C0——儲罐內(nèi)空氣初始含水量；Ct——空氣期望含水量。

一般情況下，儲氣罐內(nèi)的空氣儲存量V=9 420 m3。

充氣氣體露點溫度(平均為-64℃)對應下的含水量CF=6.153 mg/L。

儲氣罐內(nèi)氣體露點溫度(平均為-56℃)對應下的含水量C0=18.16 mg/L。

儲氣罐內(nèi)氣體期望露點溫度(監(jiān)督試驗要求限值為-53.9 ℃，-60 ℃為期望露點溫度)對應下的含水量Ct=10.68 mg/L。

Q=9 189 m3，則若對儲氣罐內(nèi)的濕空氣進行充分的充排置換達到期望的露點溫度需要充氣約9 189 m3。

因VES系統(tǒng)儲氣罐的空氣儲存容量不能低于9 276 m3，因此每次充排只能置換出144 m3的空氣。若充氣量Q為9 189 m3，則需63.8次充排才能將儲氣罐內(nèi)的濕空氣充分置換。

(2)根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，若監(jiān)督試驗不合格，則機組模式后撤至模式3或模式5，此時VES系統(tǒng)不可用。可對儲氣罐內(nèi)的空氣進行徹底排空后再充氣，此時將儲氣罐內(nèi)露點溫度(監(jiān)督試驗不合格的露點溫度為-53.9 ℃)對應下的含水量C1=23.51 mg/L的空氣置換為期望露點溫度(-60 ℃)對應的含水量C2=10.68 mg/L 的空氣，需1次充排便可將儲氣罐內(nèi)的濕空氣徹底置換。

總之，若采用儲氣罐的充排來置換罐體內(nèi)的濕空氣存在以下缺點：一是在VES正常可用情況下，充排次數(shù)太多導致充排時間太久，浪費大量的人力、物力；二是在VES系統(tǒng)不可用時，少量的充排次數(shù)只是置換了罐內(nèi)的濕空氣，并不能帶走罐體內(nèi)部表面的水分，在系統(tǒng)運行一段時間后，罐體內(nèi)部表面的水分仍會慢慢擴散至罐內(nèi)空氣中，從而再次導致露點上升。顯然，采用充排的操作并不能從根本上解決露點上升的問題。

4.2 儲氣罐內(nèi)部擦拭和烘干

通過對VES儲氣罐內(nèi)部進行擦拭和烘干，可以徹底解決儲氣罐內(nèi)部潮濕問題。另外，經(jīng)評估對單臺機組VES系統(tǒng)32個儲氣罐開蓋，內(nèi)部擦拭、烘干、充氣，預計需14天，并不影響機組按計劃啟動。

針對儲氣罐內(nèi)部的擦拭和烘干，具體方案如下。

(1)打開儲氣罐前后兩端的端蓋；

(2)將吸水棉包覆在長桿上對儲氣罐內(nèi)部表面進行擦拭；

(3)熱烘機出口處連接軟管到儲氣罐端蓋對儲氣罐內(nèi)部使用熱風吹掃烘干；

(4)熱烘機吹掃完成后檢查儲氣罐內(nèi)部是否有濕跡；

(5)封閉儲氣罐兩端的端口(通過打壓試驗以及在端口密封處涂抹檢漏液來確認儲氣罐是否完全密封)。

因此，通過對兩種處理方案優(yōu)缺點比較，最終選定對VES儲氣罐內(nèi)部擦拭和烘干方案。1，2號機分別于2020年1月10日和2019年9月27日完成該項工作，在后續(xù)監(jiān)督試驗中露點溫度值均穩(wěn)定在-60℃左右，具體數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。由分析結(jié)果可充分說明處理方案有效，從源頭上解決了VES露點升高的問題。

表6 VES露點測量結(jié)果

5 結(jié)語

通過對2019年1/2-VES露點趨勢升高原因進行分析排查，最終確認VES儲氣罐本體內(nèi)部潮濕是導致VES露點升高的主要原因。在采取對VES儲氣罐內(nèi)部擦拭和烘干的措施后，VES監(jiān)督試驗的露點溫度呈現(xiàn)了下降并一直穩(wěn)定在期望范圍之內(nèi)，不僅避免了露點溫度的持續(xù)上升造成監(jiān)督試驗不合格隱患，也為后續(xù)類似事件的原因分析及糾正措施制定提供了解決思路。

同時，為避免露點不合格造成監(jiān)督試驗不合格，減少電站停堆風險，在后續(xù)設計、建安、調(diào)試以及運行階段，應注意以下事項。

(1)設計階段：為減少系統(tǒng)充排次數(shù)及監(jiān)督試驗不合格時間，進氣和出氣管線應單獨設計，保證充排效果。

(2)建安調(diào)試階段：為保證后續(xù)露點穩(wěn)定，減少監(jiān)督試驗不合格次數(shù)，系統(tǒng)打壓試驗最好執(zhí)行氣壓試驗。若采用水壓試驗，則在試驗結(jié)束后應對儲氣罐進行徹底擦拭和烘干，在充氣過程中化學人員執(zhí)行露點測量，避免充氣結(jié)束后露點超標事件的發(fā)生。

(3)運行階段：啟動高能壓空給VES儲氣罐充氣時，需嚴格按照指定的濾芯更換周期要求執(zhí)行，即連續(xù)運行60 h后，進行濾芯更換或進行取樣驗證，保證供氣氣源的合格。