核電廠氫氣點火器溫濕度影響因素的研究

和富凱，劉立凱，郭艷輝，謝 謹

（山東核電有限公司，山東威海 264000）

1 氫氣點火器簡介

核電廠發生某些嚴重事故后，燃料組件中的鋯合金與水蒸汽達到一定溫度將發生鋯水反應，快速產生大量氫氣[1]。氫氣的爆炸極限為4%～75%，常規的消氫方法無法及時有效的消除氫氣，需在核島內設置多處氫氣點火器，通過氫氣點火器的工作使氫氣濃度快速降低[2]。

核電廠氫氣濃度控制系統主要用于控制安全殼內氫氣濃度，防止由于事故工況下氫氣濃度增加，而產生氫氣爆炸風險。氫氣點火器是氫氣濃度控制系統中的一個重要組成部分，在事故工況下，當氫氣濃度監測儀監測到安全殼內氫氣濃度過高時，可以將氫氣點火器通電工作，當氫氣點火器的點火元件達到927 ℃時，它將燃燒安全殼內的氫氣，從而降低氫氣濃度。

氫氣點火器由點火元件、電連接器、不銹鋼殼體和高溫電纜組成。其中，不銹鋼殼體由不銹鋼框架以及面板構成，是點火器的主要支撐結構，耐腐蝕和輻照環境；加熱元件主要由鎳基合金電阻絲、絕緣氧化鋁粉及不銹鋼外殼組成，冷端采用鎳絲補償，另外使用了少量的高熔點玻璃密封；殼體面板采用石墨作為密封材料；電連接器安裝在不銹鋼殼體內，由不銹鋼、陶瓷柱及PIN 針、苯醚撐硅橡膠O 形圈組成；外部的高溫電纜為銅鎧裝高溫電力電纜。氫氣點火器體型小巧，同時設置了兩塊擋水板防止水滴飛濺對點火元件產生影響（圖1）。

圖1 氫氣點火器結構

工作時，外部電源通過高溫電纜和電連接器為點火元件持續供電，使加熱元件中的電阻絲通電迅速發熱（可在3 min 內升溫達到927 ℃），當加熱元件達到927 ℃時與事故后產生的氫氣接觸并將其快速消除。在我國的三代核電機組中共布置有60 余臺氫氣點火器，按設計分布在核島內的各個角落，通過高溫快速燃燒消氫，從而降低事故工況下核島內的氫氣濃度，避免發生爆炸的風險。

2 實驗設計

核島內環境復雜多變，部分氫氣點火器處于高溫、高濕的工作環境中，而高溫和濕度可能影響其正常工作。本文將通過實驗室內模擬在不同溫濕度條件下，氫氣點火器運行的穩定溫度和溫度達標時間，來模擬核電廠實際環境中溫濕度對氫氣點火器的影響。

設計了試驗相關的臺架，由密封立方實驗艙、濕度控制儀、加熱器、溫濕度監測器以及壓縮空氣模塊組成。其中，密封立方實驗艙由1 m×1 m×1 m 的PE 材料環境箱組成，內設溫濕度監測器和加熱器，在環境箱側面開孔，用于連接壓縮空氣和濕度控制儀；濕度控制儀由水箱和充氣泵構成，通過充氣泵循環，帶動水箱內水汽蒸發，從而達到控制濕度的目的；壓縮空氣用于快速降低濕度，密封環境箱內的濕度無法主動降低，需要外部輸入壓縮空氣來降低濕度。

選取編號為ZHI-I-01 和ZHI-I-02 的氫氣點火器，將其置于密封立方實驗艙內（圖2）。設置密封艙內的溫度保持不變，通過濕度控制儀改變實驗艙內濕度，測試在不同濕度環境下、使用不同工作電壓時的穩定溫度和溫度達標時間的變化。

圖2 試驗臺架

將25 ℃、32 ℃點作為實驗溫度，在每個溫度下選取5 個濕度工況（12%、30%、50%、70%和95%，表1）。將氫氣點火器置于密封箱中，按照圖3 接通電路，并在不同電壓（201 V、204 V、207 V、210 V、213 V、216 V、219 V、222.2 V）條件下通電，記錄點火元件溫度達到927 ℃所需時間，待溫度穩定后（3 min）記錄每個輸入電壓下的點火元件表面溫度，即為穩定溫度。

表1 實驗設置參數

圖3 實驗裝置電路

3 數據分析

將實驗所得數據整理后，建立溫度達標時間與輸入電壓、穩定溫度與時間、穩定溫度與功率之間的對應關系（圖4～圖5）。

圖4 氫氣點火器溫度達標時間—電壓曲線

圖5 氫氣點火器穩定溫度—電壓曲線

由圖4 可以看出，在最低電壓201 V 下，氫氣點火器ZHI-I-01 通電63 s、ZHI-I-02 通電72 s 后溫度即可達到927 ℃的標準要求，均遠高于設計技術規范中的180 s 要求。由圖5 可以看出，在最低電壓201 V 下，3 min內ZHI-I-01 達到1030 ℃，ZHI-I-02 達到980 ℃，遠高于927 ℃設計要求[6]。考慮到核電廠供電電壓處于（220±5%）V（即209～231 V）標準范圍內，兩臺氫氣點火器在設計中裕量足夠。

在理論方面，氫氣點火器中的點火元件可以看做是純電阻，根據功率公示和歐姆定律得到P=U2R，可知電阻絲發熱功率只與通入電壓的大小和電阻絲電阻有關，其溫度與發熱功率正相關，與環境中的溫濕度無關。通過實驗數據可以看出，在不同環境溫濕度情況下，氫氣點火器通電點火后的規律明顯：隨著工作電壓的升高，溫度達標時間縮短，穩定時點火元件表面的溫度升高，不同溫濕度條件下，兩臺點火器在不同工作電壓下的穩定溫度變化較小，可忽略不計。

4 結論

通過實驗可以看出，氫氣點火器通電后的穩定溫度和溫度達標時間都遠高于技術規范的要求，擁有足夠的裕度。且在相同溫度不同濕度的環境下，兩臺氫氣點火器通入不同等級的電壓，穩定溫度及溫度達標時間變化較小，可以認定環境濕度并未對氫氣點火器通電時的表面溫度造成影響。

在相同濕度不同溫度環境下，兩臺氫氣點火器在通入不同等級的電壓下穩定溫度以及溫度達標時間變化較小，環境溫度并未對氫氣點火器通電時的表面溫度造成影響。

綜上所述，在現場復雜的運行環境中，氫氣點火器通電時的性能不受環境溫濕度因素的影響。