一回路射流加氫系統實驗研究

危華，蘇前華，邢軍，彭帆，杜兵

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

1 前言

壓水堆核電廠正常運行時，為了滿足一回路水化學的控制要求，獲得還原性的冷卻劑環境條件，通常需要對反應堆冷卻劑進行加氫處理。傳統的加氫方法稱為容控箱噴淋加氫，主要發生在化學和容積控制系統的容積控制箱內，容控箱上部布滿氫氣，冷卻劑從頂部的噴頭噴出，噴出的霧狀冷卻劑與容控箱上部的氫氣混合，使氫氣能夠充分地溶解到冷卻劑中，從而完成冷卻劑的加氫。但這種加氫方式下，系統啟動時需要對容積控制箱進行氣體置換，增加了啟動步驟；系統運行過程中，容積控制箱上部貯存大量的氫氣，存在氫爆風險，且需要歇置換箱內氫氣以去除裂變氣體，增加運行難度；系統停止還需專門考慮含氫廢氣處理。

另一種加氫方式是高壓儲罐直接注入加氫，AP1000堆型采用此種加氫方式，其加氫方式是將高壓儲罐中的氫氣直接注入主泵入口，利用主泵的攪混促進氫氣溶解進入冷卻劑中，這種加氫效率較低，且要求反應堆的主泵為屏蔽泵，經濟性較差。由于以上2 種加氫方式的缺點，國內部分第三代反應堆采用了新的加氫系統——射流加氫系統。這種加氫系統主要包含噴射泵、混合管和氣體分離器3 個主要設備，主要原理是通過噴射泵內的高壓冷卻劑將氣體分離器頂部的氫氣引射到混合管中，使氫氣溶于水。分離器頂部的氫氣體積小，系統運行時氫爆風險小；系統啟動時，可以先將分離器注滿冷卻劑，再從頂部注入氫氣避免氣體置換，冷卻啟動步驟；系統停止時，可以先關閉氫氣源，等分離器內所有氫氣溶解完再停運系統，避免含氫廢氣的處理。

2 實驗方法

試驗回路見圖1，本實驗臺架主要包括加氫實驗本體（混合管、噴射泵和氣水分離器）、氫氣補充系統、電加熱系統和回路壓力控制系統。加氫實驗本體進出口布置了流量、溫度和壓力測點，噴射泵氫氣引射管路和氣體分離器的氫氣補充管路上各布置了一個氣體流量測點，混合管前后段和分離器前后段分別布置了一個差壓測點，分離器出口段布置了一個氫氣濃度測點。

圖1 實驗回路圖

加氫實驗本體由噴射泵、混合管和氣水分離器組成，噴射泵利用喉部高流速的水產生的負壓來吸引氫氣；混合管則是利用其內部的靜態混合單元來破碎混合物中的氣泡，使氫氣盡可能地溶于水，它是氫氣溶于水的主要場所；氣水分離器的作用則是將未溶于水的氫氣與水分離，使這些氫氣重新參與加氫過程。

實驗開始前，將進口水箱的水注滿，啟動離心泵和往復泵后，先把氣水分離器中的空氣排掉，再開啟氣體分離器的氫氣補充管路使氣體分離器上部充滿氫氣，并保持氣體分離器的液位在一定的高度。在實驗回路運行期間，利用離心泵旁路電動調節閥、離心泵出口調節閥以及離心泵變頻器來調節主給水回路的流量至設定值，利用往復泵旁路電動調節閥來調節噴射泵入口的推進流流量，進而調節噴射泵的氫氣引射流量。系統壓力主要由出口水箱前的背壓閥控制，加氫站的氫氣補充流量通過氫氣瓶出口的減壓閥以及補充氫氣管路上的調節閥來調節，整個實驗過程中的數據是利用測控系統進行遠程采集和存儲的。本實驗中去離子水流量、氫氣流量、壓力、壓差、溫度和溶解氫濃度分別由渦輪流量計、熱氏氣體質量流量計、壓力變送器、壓差變送器、溫度熱電偶和在線式溶解氫濃度測量儀測得，實驗中的工況參數見表1。

表1 工況參數表

3 實驗結果與分析

3.1 噴射泵氫氣引射流量和混合管內流體流速對溶解氫濃度的影響

混合管是氫氣溶于水的主要場所，噴射泵氫氣引射流量和混合管內流體流速影響系統的加氫效率。圖2 為噴射泵氫氣引射流量和混合管內流體流速對系統出口溶解氫濃度的影響曲線，三條曲線分別是水流速在0.34m/s、0.62m/s 和0.99m/s 時的實驗結果，實驗的壓力都維持在0.29MPa 左右。

圖2 噴射泵的氫氣引射流量和混合管內流體流速對溶解氫濃度的影響

單獨觀察某一條曲線可知，噴射泵氫氣引射流量越大，系統出口溶解氫濃度越大，推測是由于更多的氫氣參與了混合，氣水接觸總面積更大，在接觸時間不變的情況下，更多的氫氣溶于了水；比較三條曲線可知，混合管內流體流速越大，系統出口溶解氫濃度越大，推測是因為混合管內流速越大，氫氣被混合管切成的氣泡越小，氣水接觸的總面積越大，且接觸面積變大對氫氣溶解速率的影響大于因流體流速增加導致氣水接觸時間變短的影響。

3.2 混合管內靜態混合單元組合方式對溶解氫濃度的影響

接近水平布置的混合管主要依靠內部的靜態混合單元破碎氣泡而實現加氫目的。混合單元的不同數量和安裝組合方式對系統出口的溶解氫濃度有顯著影響。

混合單元均勻且有間隔地布置在混合管內部，混合單元數量影響系統的加氫效果，圖3 是混合單元的數量和系統出口溶解氫濃度曲線。

圖3 混合單元數量對溶解氫濃度的影響

實驗時，氫氣引射流量為3.0m3/h，水流量為22.5m3/h。可以發現，混合單元數量越多，實驗系統出口的溶解氫濃度越高。事實上，混合管內氣水混合物通過混合單元一段距離后，其中的氫氣因為密度小而上浮到混合管上部，使混合物形成分層流，當混合物再次經過混合單元后又將重新變為氣泡流，所以，混合單元的數量越多，氣泡流狀態的時間越長，相同時間內氣水接觸面積越大，氫氣溶于水的量就越大；混合單元數量為0 時的溶解氫濃度可以看成不含混合單元系統的加氫能力，比較混合單元數量為0 和8 時的溶解氫濃度可知，混合單元數量為8 時，混合單元對系統出口溶解氫濃度的貢獻為72%，這證明了混合單元是氫氣溶于水的關鍵設備，混合管是氫氣溶于水的主要場所。

混合單元的排列布置方式對加氫效率也有影響，混合單元數量不變時，布置得緊湊會產生連續破碎的效果從而使氣泡更小，但布置得緊湊，會使混合管內產生較大的“無混合單元”間隙，而氣水混合物在無混合單元部分會上浮到混合管上部形成分層流，而導致氣泡流的時間變少；混合單元布置得均勻，可以使氣泡流的時間更長，但是，氣泡破碎程度不如前一種情況。

由于混合管的長度限制和流動阻力要求，我們選用了8 個混合單元進行了三種典型安裝方式的比較實驗，實驗時主給水流量為45m3/h，實驗壓力為0.29MPa，實驗結果如圖4。比較三條曲線可知，安裝方式3 的加氫效率最高，并且在這種方式下，隨著氫氣引射流量的增加，加氫效率的提升也更快。

圖4 混合單元不同組合方式對溶解氫濃度的影響

3.3 氣體分離器氣相壓力對溶解氫濃度的影響

在混合單元為上一節安裝方式3 且主給水流量為45m3/h 的條件下，混合管內不同壓力對溶解氫濃度影響曲線如圖5。

圖5 氣體分離器氣相壓力對溶解氫濃度的影響

由圖可知，實驗系統出口溶解氫濃度隨混合管內壓力的增大而增大，氣體分離器內氣相絕對壓力為3.8bar時，系統出口溶解氫濃度最高可達到2.7mg/kg，已滿足核電站一回路啟動時的加氫濃度要求。

4 結語

通過對加氫試驗本體開展試驗研究及討論可得到以下結論：

（1）噴射泵氫氣引射流量和混合管內流體流速影響系統的加氫效率，其他條件不變情況下，增大噴射泵氫氣引射流量或者混合管內流體流速都會提高系統的加氫效率。

（2）混合管內靜態混合單元的數量和組合方式對系統的加氫效率影響較大，8 個混合單元的第3 種組合方式是本實驗探索出的一種最優選擇。

（3）氣體分離器氣相壓力影響系統的加氫效率，氣體分離器氣相壓力越大，系統的加氫效率越高；壓力0.38MPa、水流量45m3/h 和混合單元為第3 種組合方式條件下，實驗得到的溶解氫濃度可達到2.7mg/kg，已經滿足了核電站一回路啟動時的溶解加氫濃度要求。