核电工程混凝土骨料液氨风冷系统安全监测监控技术应用

吴磊

摘 要：某自主化三代核电建设工程涉及大体积、大方量混凝土浇筑，但高温天气对混凝土骨料入模温度产生重大影响，限制核电建设混凝土浇筑施工连续性。本文分析研究上液氨骨料风冷的工艺流程，综合应用安全监测监控技术，对混凝土液氨风冷系统运行参数进行在线实时监测监控，为高温天气核电工程建设混凝土连续浇筑提供安全保障。

关键词：核电工程 高温天气 混凝土骨料 液氨风冷 安全监测监控

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-00-03

某三代核電工程是我国引进消化吸收美国西屋核电技术。为本核电建设的4台混凝土搅拌站机组承担着所有混凝土生产，夏季工程现场地面温度能达40℃以上，采用液氨对混凝土砂石骨料进行风冷，将混凝土骨料温度控制在26℃以内，满足核电工程建设混凝土浇筑要求。骨料风冷厂房内设计的液氨储罐最大储存量达15t，属于重大危险源。

当前在制冷行业中，大部分采用液氨作为制冷剂，近年来液氨泄漏或超压引发的事故时有发生[1]，造成严重恶劣影响。液氨极易燃，能与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热引起燃烧爆炸[2]，对眼、呼吸道粘膜有强烈刺激和腐蚀作用，可致眼和皮肤灼伤[3]。高浓度氨可引起反射性呼吸和心搏停止。本文对液氨骨料风冷系统工艺流程进行深入研究，对液氨储罐运行参数在线实时监测监控与预警联锁，防止骨料风冷厂房内液氨浓度超限和压力容器超压。混凝土搅拌站总平面布置如图1所示。

1 液氨风冷系统工艺流程

骨料风冷系统属于混凝土预冷技术之一，其主要作用是冷却混凝土组成材料中的粗骨料（如砂、石），用于降低混凝土生产过程温度[4]，保证混凝土入模温度控制。骨料风冷系统主要由风冷系统、骨料冷却仓、冷风循环系统组成。骨料冷却仓是由骨料贮存仓及其中的送、配风装置组成。骨料风冷在地面骨料风冷仓中进行，空气冷却器及鼓风机紧靠在边上布置，节约占地面积。

（1）液氨风冷系统主要包括1台15m3的氨储罐、螺杆式氨压缩机6台、蒸发式冷凝器2台、低压循环桶1台、虹吸罐1台、集油器1台、热回收器1台、空气分离器1台、紧急泄氨器1台。

（2）压缩风冷装置是一个封闭系统，包括氨压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器及其它附属设备等，各设备之间连接成封闭系统，氨制冷剂在系统内循环。液氨风冷装置是以氨作为制冷剂介质，在一个密闭的系统内循环使用，利用氨的沸点随压力变化而变化的特征，即氨的压力越低，沸点越低；压力越高，沸点越高。利用压缩机做功，将气相的氨气压缩、冷却冷凝成液相，然后使其减压、膨胀、汽化（蒸发），从被冷物质中吸取热量降低其温度，而达到使被冷物质制冷的目的。

（3）液氨风冷系统工艺流程：贮液器储存常温高压液体，进入气液分离器变成低压低温液体进入氨泵，从氨泵出来的氨低温低压液体进入蒸发器变成低温低压气体，从蒸发器出来的氨低温低压蒸气被吸入压缩机内，压缩成高压高温的过热蒸气，然后进入冷凝器。由于高压高温过热氨气的温度高于其环境介质的温度，且其压力使氨气能在常温下冷凝成液体状态，因而排至冷凝器时，经冷却、冷凝成高压常温的氨液。高压常温的氨液通过膨胀阀时，因节流而降压，在压力降低的同时，氨液因沸腾蒸发吸热使其本身的温度也相应下降，从而变成了低压低温的氨液。把这种低压低温的氨液引入蒸发器吸热蒸发，通过热交换盘管，风机送风给混凝土骨料降温。从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。液氨风冷系统工艺流程如图2所示。

2 液氨风冷系统安全监测监控系统

2.1 液氨储罐安全监测

液氨储罐压力容器设置安全阀、压力表、液位计、温度计，并安装有带压力、液位、温度远传记录和报警功能的安全装置，同时设置整流装置与压力机、动力电源、管线压力和通风设施进行联锁的装置。同时，液氨储罐上设置有液位远传和高液位报警装置，液氨储罐设有紧急切断系统，设置紧急切断阀，发生泄漏，可自动切断液氨出口阀门。液氨储罐设置安全阀、压力表、温度计、液位计等，现场实时对压力、温度、液位进行观察控制，如图3所示。

2.2 氨气报警仪

液氨骨料风冷厂房内布置6个氨气泄漏检测报警仪，检测探头设置在机房内易于聚集有毒气体的位置，报警仪设置在控制室，一旦发现氨气泄漏报警仪立即会发出声光报警，值班人员在第一时间组织救援。6个氨气浓度探测器分别设置在制冷机房两排压缩机、低压循环桶和虹吸罐上方约1.5～2m处，其保护半径为6～10m，但小于15m。

2.3 事故风机联锁装置

制冷机房设6个防爆等级为Exd ⅡAT1的防爆排风机，正常状态下排风机以低转速运转排出空气，同时补风机再以低转速补充新鲜空气，通风换气次数为3次/h。发生液氨泄漏状况时，当氨气泄漏浓度达到预先设定的30ppm时，液氨储罐间的液氨探测报警仪探头动作，将信号反馈到控制柜，同时控制柜输出信号，排风机调高转速，进行事故排风，各通风机已与液氨报警仪设置联锁，在事故状态下可做事故风机使用。

2.4 音视频监控报警系统

液氨储罐间内设置音视频监控报警系统如图4所示，可以在线监控突发的危险因素或初期的火灾报警等情况，提醒值班人员注意。

3 一体化非显示型液氨探测器结构

（1）液氨制冷机房内设有6个氨气浓度探测器，采用一体化功能模块设计，包括探测器模块和传感信号两部分，两模块采用防误插标准数字接口。独立的传感器模块可以实现传感器参数存储和信号调理。

（2）液氨探测器由壳体、传感器套件组成，其壳体主要由堵头、上盖、底盒、堵塞和O型橡胶圈组成，壳体起隔爆和防护作用。传感器套件由传感器模块、集气头本体和集气头安装座组成，传感器模块直接通过防误插标准数字接口与探测器壳体联接。液氨浓度探测器结构见图5。

（3）高度集成的一体化功能模块设计，独立完成探测器的全部数据运算和信号转换，探测器模块负责供电、通讯和输出信号功能。

（4）传感器输出信号到PLC自动化控制柜启动联锁防爆风机和顶部电磁阀开关启动喷淋设施。

4 结语

液氨储罐泄漏后达到一定浓度，遇火源极易发生火灾爆炸事故，而且储罐压力超限后未及时处理，可能会造成超压爆裂。本文深入分析液氨风冷系统工艺流程，设计应用液氨浓度、温度、压力、音视频等参数信号建立了液氨风冷系统在线实时安全监测监控系统。分析了一体化非显示型液氨探测器结构和工作原理对液氨泄漏和超压进行预警与联锁控制，实现对混凝土骨料液氨风冷系统进行有效的安全监测监控。

参考文献

[1] 黄晓宇.HAZOP-LOPA分析方法在液氨罐区的应用[J].化工管理，2018（9）：81.

[2] 刘远，陈全，陈新杰，等.冷库制冷车间事故后果分析与评价[J].天津理工大学学报，2010，26（2）：84-86.

[3] 文树德.液氨为何频泄漏[J].湖南安全与防灾，2013（10）： 38-39.

[4] 张慧霞，张伟锋，邢建军，等.苏阿皮蒂水利枢纽混凝土预冷系统方案优选[J].东北水利水电，2018，36（4）：1-5.