压水堆核电厂含氢废气处理系统安全运行提升研究

压水堆核电厂含氢废气处理系统安全运行提升研究

陈刚

福建福清核电有限公司，福建 350318

摘要：核电厂含氢废气必须得到妥善处置，直至满足国家法规规定的清洁解控水平后排放。本文通过对压水堆核电厂含氢废气处理系统运行的薄弱点进行分析，最终提出了完善、可行的改进方案。

关键词：核安全；含氢废气；技改；提升

引言

本文通过对压水堆核电厂含氢废气处理系统的运行进行分析，总结了系统运行的薄弱点，并结合日常、大修运行经验，辅以必要的理论推导，最终提出了多项合理可行的技改和运行建议，以期提升压水堆核电厂含氢废气处理系统运行安全性。

1.含氢废气处理系统运行风险分析

含氢废气处理系统的运行风险主要包括含氢废气意外排放风险和设备超压/负压损坏风险两点。

根据压水堆核电厂含氢废气处理系统运行经验，该系统多次出现含氢废气意外排放事件。另外，根据系统设计，单一故障情况下有导致缓冲箱超压/负压损坏的可能性。

1.1含氢废气意外排放风险

压水堆核电厂含氢废气处理系统运行或设备检修过程中，可能出现含氢废气意外排放的事件。

该类事件频发，且并未因运行经验的积累而好转。由此可见本系统设计上存在一些亟待改进的地方。

1.2缓冲箱超压/负压损坏风险

系统缓冲箱容积较小，用于接收所有含氢废气，特定情况下可能有大量废气产生，导致其超压。另外，由于压缩机的抽吸作用，也可能导致负压。氮气供应阀和压缩机均为单一仪表控制，存在单点设备失效误动/拒动导致缓冲箱超压/负压损坏的可能性。

2.含氢废气处理系统运行安全性提升研究

针对以上运行风险，接下来进行逐项分析研究，并提出改进方案。

2.1含氢废气意外排放风险防控

压水堆核电厂废气处理系统意外排放的重要原因，是由于系统多采用远传隔膜阀，该类型阀门操作技术性较强且故障率高。

除此之外，设计上存在不足/出现人因失误也是导致意外排放的重要原因。

2.1.1含氢废气处理系统排放技术改进

本文从技术上探究如何提升衰变箱的管控水平、在线可靠性以及及时探测意外排放并触发中止，以避免意外排放或是减少意外排放的影响。

根据系统流程，含氢废气处理系统若出现意外排放，相关系统现象或响应有：阀门限位不正确、衰变箱之间/排放总管出现串气、排放总管和烟囱放射性增加，以及衰变箱压力异常下降。

针对以上现象或响应，改进如下：

1、监测能力改进

a)衰变箱排放阀新增冗余关限位并送主控和就地；

b)衰变箱新增压力传感器并送主控；

c)排放总管新增压力传感器并送主控；

d)排放总管新增放射性监测仪表并送主控。

2、报警及控制逻辑改进

a)新增衰变箱和排放总管压差低报警；

b)新增衰变箱压力下降、压缩机未运行时衰变箱压力上升报警；

c)新增排放总管放射性高报警；

d)新增多于一个衰变箱排放阀关限位脱开报警；

e)排放阀闭锁开启逻辑增加：排放总管放射性高、多于一个衰变箱排放阀关限位脱开、多于一个衰变箱压力下降，多于一个衰变箱与排放总管压差过低。

3、智慧化运行方案

在上述技术改进措施的基础上，引入智慧化运行方案。

智慧化运行可以分作前期目标和后期目标两个阶段来实现。

前期目标规划如下，开发含氢废气智慧化运行系统，可在该系统中人工设定衰变箱及压缩机状态。衰变箱可设定为接收1、接收2、接收3、备用、衰变、排放、倒箱和检修共计八个状态，压缩机可设定为主用、备用、倒箱和检修共计四个状态，然后该系统自动根据衰变箱及压缩机状态、各阀门限位及其变化、各压力变送器情况及压缩机启停情况判定系统运行工况，从而触发报警提醒乃至触发废气排放中止。

具体来说，系统可进行如下判定：

a)衰变箱在线与设定状态一致性判定；

b)各状态的衰变箱压力变化是否异常判定；

c)压缩机启停与缓冲箱、衰变箱状态响应判定；

d)倒箱过程在线与压力变化判定。

后期目标在前期目标实现以后，实现系统根据在线和运行情况自动设定衰变箱和压缩机的状态，再根据上述功能实现智能监测运行。

2.2缓冲箱超压/负压损坏风险防控

由于缓冲箱容积较小，当上游产生大量废气时，可能导致箱体超压；当氮气供应阀和压缩机运行异常时，可能导致箱体负压。

2.2.1缓冲箱超压风险防控

超压风险防控有两个措施，一是安全阀开启泄压，当前泄压将直接导致高放含氢废气意外排放，可以实施技改将安全阀排至衰变箱。

为防超压，保证压缩机启动加载是首要措施，压缩机启动逻辑存在优化空间。当前无论压缩机处于主用还是备用，均接受单个压力传感器的单个阈值继电器触发启动，若仪表故障或定值漂移，将会影响压缩机启动出力。为提高压缩机启动可靠性，可修改逻辑如下：

1、主用压缩机启动逻辑由单一仪表联锁启动，改为冗余仪表联锁启动；

2、备用压缩机启动逻辑同样改为冗余仪表联锁启动。

2.2.2缓冲箱负压风险防控

负压对于缓冲箱危害更大，主要是因为箱体负压塌瘪损坏比超压破损可能性更大，故更需要可靠的技术手段进行防控。

拟通过以下三个手段提升负压防控能力。

1、压缩机停运逻辑优化

根据逻辑，压缩机停运逻辑为单个压力传感器的单个阈值继电器触发，存在单点失效拒动可能性。为提高压缩机停运可靠性，可修改逻辑如下：

主用/备用压缩机停运逻辑由单一仪表联锁停运，改为冗余仪表联锁停运。

2、氮气供应阀逻辑优化

氮气供应阀开启逻辑同样为单一仪表控制，也存在单点失效拒动可能性，同样，改为冗余仪表控制。

3、缓冲箱负压保护

参考其他系统负压保护设计的思路，增加负压保护阀门，防止氮气补充不及时罐体压瘪的风险。同时为了防止氢氧混合风险，可从两台压缩机出口管线引出管线作为负压保护使用。

除此之外，负压保护阀应具备具备及时回座的能力，以免导致含氢废气系统失去功能。

3.结论

根据以上分析和研究，压水堆核电厂含氢废气处理系统可以通过以下几个方面大大提升运行安全性：

1、该系统多有人因或设备缺陷所致的含氢废气意外排放事件，此为本系统安全运行的薄弱点。本论文提出了多重改进方案，包括改进监测能力、改进控制逻辑和智慧化运行方案，从而改善含氢废气排放安全水平，大大降低含氢废气意外排放可能性。

2、该系统缓冲箱有超压/负压损坏的风险。本论文提出了全面的压缩机和氮气供应阀逻辑优化建议，消除单点设备失效拒动风险。并提出了负压保护方案，大大降低了缓冲箱超压/负压损坏，保障系统安全运行。

本文从压水堆核电厂含氢废气系统运行的薄弱点着手，详细分析该系统运行存在的风险，结合实际情况和运行经验逐项分析研究，并提出全面、完善、合理可行的运行建议和技改方案，以期提升压水堆核电厂含氢废气处理系统的运行安全。

参考文献：

[1]废气处理系统手册

[2]放射性流出物相关重要经验反馈案例及知识汇编

[3]核动力厂营运单位核安全报告规定（2020年版）

[4]沈维道、蒋智敏、童钧耕，《工程热力学》

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