移动式氢复合器在福清核电站的应用

刘玉梅 王洪凯 高原

摘 要：移动式氢复合器是在反应堆发生设计基准事故时，使氢气和氧气复合成水，有效地控制安全壳内的氢气浓度在安全浓度范围以内，以确保维持安全壳结构和密封性的完整性。文中介绍了移动式氢复合器在福清核电站的应用，分析了移动式氢复合器的反应原理、在设计基准事故时的消氢能力和在役检查，说明了福清核电移动式氢复合器具备对安全壳内氢气去除的能力，可大大降低氢气爆炸对安全壳的威胁。

关键词：设计基准事故 移动式氢复合器 氢气浓度 消氢效率

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（b）-0054-02

Abstract：When the reactor occurs design basis accident，a mobile hydrogen recombiner can make the hydrogen and oxygen combined into water，thus control the hydrogen concentration in the containment within safe levels effectively to ensure the sealability and integrity of containment structure.This paper introduces the application of mobile hydrogen recombiner in Fuqing nuclear power plant，and analyze the reaction principle，in-service inspection， and its hydrogen-eliminating efficiency of mobile hydrogen recombiner.The analysis result show that mobile hydrogen recombiner in Fuqing nuclear power plant have the capability of eliminating the Hydrogen within containment，it can greatly reduce the threat of hydrogen explosion on the containment.

Key Words：Design basis accident；Mobile hydrogen recombiner；Hydrogen concentration；Hydrogen-eliminating efficiency

氢气爆炸是核电厂安全的重要威胁，日本福岛第一核电厂就是因为燃料棒温度升高导致锆水反应产生的氢气得不到及时去除，与氧气反应发生了爆炸，最终导致了放射性物质的泄漏。福岛事故后，国内外在建和已营运的核电厂对安全壳内氢气的控制更加重视。福建福清核电厂1～4号机组为M310型压水堆，安全壳内氢气主要由安全壳消氢系统（EUH）的非能动式氢复合器（PAR）和安全壳内大气监测系统（ETY）配置的移动式氢复合器进行控制，分别在发生超设计基准事故和设计基准事故时进行消氢，保证安全壳内的氢气浓度远低于氢爆的最小值。

1 移动式氢气复合器功能及应用

1.1 移动式氢复合器功能

核电机组发生设计基准事故后，氢气的来源主要有燃料包壳锆与水发生反应、燃料水池和地坑中的水辐射、堆芯熔融物与混凝土反应等。移动式氢复合器在发生事故后投运，对安全壳内产生的氢气进行去除，确保维持安全壳结构和密封性的完整性，避免放射性物质释放到环境中。

1.2 移动式氢复合器的工作流程

福建福清核电1-4号机组共配置2套中船重工七一八所生产的YQF-120B型移动式氢复合器，在机组正常功率运行条件下，两台设备分别储存在燃料厂房±0.00 m处的230和270房间，并用地脚螺栓固定。在设计基准事故工况时，两台设备都安放在发生事故的机组装卸料大厅中，均接入系统，一备一用。

移动式氢复合器的工作流程：首先通过冷凝器进行含氢空气的冷却，除雾器进行气液分离并除去液滴，在消氢风机的作用下，含氢空气加压进入催化反应器，在XQ-ⅢG消氢催化剂的作用下，氢气与空气中的氧气结合生成水（反应式如式1），消除氢气，同时放出大量的反应热，消除氢气后的高温空气经过空气冷却器进行冷却，最终冷凝水由冷凝液收集器收集，剩余空气送回安全壳内。

1.3 事故工况下移动式氢复合器的应用

机组在发生设计基准事故产生氢气后，两台移动式氢复合器均移至指定位置并固定，接入安全壳内大气监测系统，处于备用状态。当安全壳内温度降到80 ℃以下，绝对压力降至约0.15 MPa（饱和蒸汽）以下，在氢浓度达到4.1%（按体积计）的临界燃烧点之前启动移动式氢复合器。

移动式氢复合器消氢能力分析。模拟事故工况，主要考虑安全壳内水的辐射分解、锆水反应、喷淋溶液对安全壳金属的腐蚀和反应堆冷却剂系统产生的氢气为主要来源。其中喷淋溶液对安全壳金属铝的腐蚀分两种情况，假设一动力电缆（即最大的保守假设）中所含全部铝均侵蚀产生氢气；假设二电缆不受喷淋的侵蚀。模拟在两种假设情况下安全壳内氢浓度分别在1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%时投运一台氢复合器。

投运一台氢复合器并持续运行，安全壳内氢浓度会逐渐降低，能把安全壳内的氢气浓度有效地控制在2%以内，远低于临界点4.1%，大大地避免了安全壳内氢爆的风险；若不投运移动式氢复合器，安全壳内的浓度会持续增加，保守值也可到达6%以上，安全壳内存在氢爆的风险，可能引发火灾，给事故分析及处理带来困难。安全壳内氢气浓度在1.5%～3%时启动移动式氢复合器较为合适，此时有充足的时间来准备及操作移动式氢复合器，并且能使安全壳内的氢气浓度远离氢爆临界点。

2 在役检查

为保证移动式氢复合器可靠高效地运行，移动式氢复合器在备用期间需对其进行离线定期试验。根据《安全相关系统和设备定期试验监督要求》，需每半年进行移动式氢复合器消氢风机启动试验，每个换料周期对移动式氢复合器进行消氢效率试验，保证催化剂时刻保持高效可靠状态。

2.1 消氢风机性能试验

消氢风机是移动式氢复合器的动力源。每次启动风机需验证风机旋向是否正确，同时测量风量。启动风机后至少运行1个小时，风量的检测由安装在氢复合器进口总管的气体流量计完成，并在控制柜上显示，维持在80～119 m3/h范围内。

2.2 消氢效率试验

2.2.1 温度显示和报警

移动式氢复合器催化反应器的上、下游均安装铂电阻传感器，分别用以检测空气加热器温度T1的变化，及氢氧复合后的温度T2。温度T1控制在110 ℃时加热器自动启动，130 ℃时加热器停止，空气温度在110℃～130℃温度时，该催化剂对氢氧复合的作用最大，能更高效率的去除空气中的氢气。温度T2达到180 ℃时，控制箱会自动报警，说明氢氧复合放出大量的热，可能在氢复合器中发生氢爆，成为潜在的着火点，需要及时切断电源，并分析原因。

2.2.2 消氢效率试验

消氢效率试验是验证移动式氢复合器是否可用最重要的试验，只有消氢效率合格，才能保证在移动式氢复合器的可靠性，实现其功能。启动消氢风机，控制柜上的流量显示稳定后，进行通氢试验。通过控制氢气减压阀和调节阀控制移动式氢复合器入口的氢气浓度在1%～3%之间，通氢时间不得少于20 min。上游（消氢风机的进口管上方）和下游（冷凝液收集管上）同时取样，进行氢气浓度测定，并记录数据。每次试验至少取样3次，计算消氢效率（见公式2），效率大于95%为合格，如果效率不合格，更换催化剂重新进行试验，直至合格为止。

以上试验均是离线进行，不需要连接安全壳内大气监测系统。每次试验完成后，在移动式氢复合器备用期间将空气进出口密封，设备内充入干燥的氮气，压力在0.035 MPa左右，保证设备内维持在干燥的环境中防止腐蚀生锈；设冷水系统在试验后应排空设冷水，并封堵设冷水进出口；每批催化剂的存放有效期为3年，到期后应该及时更换新催化剂，如果催化剂的性能满足要求可以继续使用。

福清核电的两台移动式氢复合器的效率试验均实施过两次，消氢效率均大于95%。在发生设计基准事故时，福清核电移动式氢复合器具备对安全壳内氢气去除的能力，可以有效控制安全壳内的可燃气体。

3 结语

该文分析结果表明，福清核电的移动式氢复合器满足设计基准事故后消除安全壳内氢气的能力，并时刻处于备用状态。在发生设计基准事故后，移动式氢复合器的持续运行，能大大降低了氢气爆炸对安全壳的威胁。

现有移动式氢复合器的文献资料比较匮乏，而该文围绕福清核电厂移动式氢复合器的功能、原理及应用做了详细介绍，为其他电厂移动式氢复合器的定期试验和现场应用提供有效的资源共享平台，有利于后续工作的开展也便于移动式氢复合器应用的持续改进和提高。

参考文献

[1] 福建福清核电厂1、2号机组最终安全分析报告第6.2节[Z].

[2] YQF-120B型移动式氢复合器说明书[Z].

[3] 黄伟峰，史海富，李丽娟.我国核电厂安全壳内防氢爆设计及其改进情况[J].科技创新导报，2014（24）：60-63.