M310核电站含氢废气处理系统容量分析及优化

董 亮，刘红坤，唐 辉，刘一鸣，刘 妍

(华龙国际核电技术有限公司，北京 100036)

构建清洁、低碳、安全、高效的能源结构体系是我国下一个五年规划的首要任务，也是实现碳达峰、碳中和目标的关键所在。当前我国能源结构仍以煤为主，石油和天然气对外依存度高，在此大背景下，核能作为低碳、可靠、稳定的高质量能源，可以在能源结构调整和应对气候变化中发挥重要作用。

核能的发展要以高质量发展为目标，提高核电技术的经济性和安全性尤为重要，针对现有电站存在的安全问题，进行合理的优化和改造是很有价值的重要实践。核电站运行过程中反应堆冷却剂及其容器会释放出氢气并夹带含放射性的惰性气体[1-2]，带来氢气安全和放射性释放的问题。含氢废气处理系统是专门应对此问题的设施，其主要对象是氢气和惰性气体。含氢废气处理工艺的核心目标是降低放射性水平和保证氢气安全。使用衰变工艺降低放射性，原理是利用其主要核素半衰期较短(2.8 h～5.3 d)，将待处理的气体集中贮存若干时间，核素经多次衰变后，放射性水平降低到达排放指标时排放。因待处理气体中氢气含量较高，易燃易爆，在转运、贮存过程中，需要特别注意氢气的安全，控制含氧量，避免泄漏导致火灾或爆炸等安全问题。

M310系列核电站(含已运行的CNP、CPR堆型，如秦山二期、阳江核电站)，所用含氢废气处理工艺都相同。含氢废气处理系统的处理策略是不分离两类气体，采用压缩贮存衰变和稀释排放的技术解决放射性释放和氢气安全问题。其原理是将含氢废气加压后储存在衰变箱中，储存期内(45天)，核素经多次衰变，放射性水平可降低至千分之一，检测达标后可排放。期间通过防爆设计、监测房间氢气含量、持续通风来控制氢气泄漏危险。

压缩贮存衰变工艺成熟，处理后的气体放射性水平满足设计要求，但也存在一些明显的问题，如在运行中发现，衰变箱容量紧张，尤其在容控箱吹扫和大修期间对一回路吹扫时更为明显[3-4]，此外还有缓冲罐容量偏小，压缩机启动频繁，易损坏。衰变箱容积不足导致对一回路吹扫操作形成明显制约，影响大修进程；控制不力也可能导致氢气泄漏、爆炸和放射性物质不受控地释放等安全问题。据统计，当前国内在运核电机组49台，其中M310系列(含CNP、CPR系列)36台[5]，占比73.5%，采取有效措施解决此问题有明显的安全和经济价值。

业内专家提供了多种建议，比如：增大衰变箱容积[6-7]，改为吸附工艺或者燃烧/催化氧化工艺[6，8]。最初衰变箱容积为108 m3，改造方案之一是将衰变箱容积增大为312 m3，增加189%，占用了大量的核岛厂房空间，土建成本高；改用吸附工艺但吸附剂的装填量计算不成熟；催化燃烧工艺需要增加稀释工序，增设关键设备催化反应器，目前该设备还需依赖进口，采购受限；这些建议都可以缓解该问题，但仍存在受场地可用空间限制、合理的吸附剂装填量和稀释气量难以确定的问题，未合理地辨识出系统的容量，并非最优方案。为推动解决上述问题，本文从氢气产生的源头着手，调查研究各种运行工况及操纵规程、规范，分析气体产生量和组份，找出关键因素，得到气体流量的峰值，探索设置合理的系统容量，避免过大冗余造成的浪费，为后续制定详细的工艺方案、确定设备容量、布置方案以及经济性评价提供支撑。

1 核岛含氢废气中的氢气

1.1 氢气的来源及去向

压水堆核电站核岛的氢气来源主要有三个途径，分别为：一回路辐照产生的氢气、化学容积和控制系统提供的上充流中溶解的氢气、容控箱覆盖的氢气。

氢气的去向较多，具体如图1所示。

图1 氢气的走向图

1.2 氢气释放情况

含氢废气的释放有以下几种情况，列于表1。

表1 含氢废气的主要释放途径[9-11]

2 氢气释放分析与计算

2.1 关键因素识别

本节目的是基于对各种工况释放的氢气量分析，找到释放含氢气体的量大、时间集中的工况和位置，判断制约含氢废气处理系统容量的关键因素。

经过调研和初步计算，表1中各工况氢气的释放量列于表2。

表2 含氢废气的释放量

经分析，功率运行、负荷跟踪、启堆、主泵轴封泄漏中的氢气释放量远小于冷停堆及大修、容控箱停堆吹扫工况两工况, 制约系统容量关键因素为状态3——冷停堆及大修，以及容控箱停堆吹扫。

2.2 过程分析与计算

两个关键因素中，容控箱停堆吹扫过程排气量更大，可包络冷停堆及大修过程的氢气释放量，需重点分析。除此之外，也需考虑两个因素叠加的情况。

2.2.1运行情况调研

核电厂的《化学与放射化学技术规范》[13]文件对一回路中的氢气含量有要求，如表3所列。此外，对停堆过程中氢气含量控制还有如下要求：反应堆停堆前，降低氢气含量的操作应把握好“足够早”和“足够迟”二点，“足够早”是指不延误停堆，“足够迟”是指只有在达到次临界停堆前24小时才允许氢气浓度降到20～5 NmL/kg(N表示标准大气压，下同)范围内，防止在低氢浓度下功率运行。

表3 反应堆冷却剂水化学对氢气含量的要求

通过调研，M310核电厂容控箱吹扫排气操作步骤如下：

1)关闭排气阀门，将容控箱内液位升至1.9 m，压缩气相空间；

2)打开排气阀门，排气，降压至绝压1.0 bar，关闭排气阀门(持续1 min)；

3)将容控箱内液位恢复正常液位1.47 m，同时向箱内补充氮气，一次排气操作完成；

4)重复上述过程，操作频率约4 h一次，直至氢气含量达标。

运行人员一般在停堆前两天开始对容控箱吹扫排气，每班一次或两次。

2.2.2过程及计算模型

容控箱排气/吹扫是一个动态的过程，包含压缩气相体积、排气、关阀、补气、恢复气相体积，除温度外，压力、体积均在变化，直接使用压力或体积做计算基准都不易分析。虽然压力、体积在变，但分子数量或者说物质的量总数没有变，可从物质的质量守恒的角度入手，用分段衡算的方法来描述、分析这个过程。

物理化学提供了理想气体状态方程和带多参数的经验方程，在低于几千个千帕的压力下，理想气体状态方程可以满足一般的工程计算需要[14]，对难液化的气体如氦气、氢气、氮气、氧气所适用的压力范围相对较宽。经验方程多需要迭代或者查找工程参数，使用不便。

对于本体系来说，主要的组分分别为氢气、氮气和氧气，计算的要求精度不高，故选用理想气体状态方程合理：

pV=nRT

(1)

(2)

式中，p为气体的压力，Pa；V为气体体积，m3；T为温度，K；n为物质的量，mol；R为气体常数，J/(mol·K);k为混合气体中的组份序号。

第一次吹扫排气过程如表4中步骤S1～S5所示，每个步骤有不同的状态参数，可计算出排出氢气的量和容控箱内剩余气体的氢气量，进而可计算出容控箱恢复气相容积和压力后氢气的含量。

表4 吹扫排气步骤及状态参数

混合气体中k组分的含量为：

(3)

式中，Y为混合气体中k组分的含量；n为物质的量，mol；k为混合气体中的组份序号。

第二次至第N次的容控箱吹扫排气操作可以用同样的步骤来描述。区别在于：后续吹扫的初始状态，容控箱内的气体不再是纯氢气，变为氢气和氮气的混合物，氢气的含量可由上一次排气的最后一个步骤计算出来。顺序计算，可以得到每次容控箱吹扫操作的排气量。计算出容控箱内的氢气含量，有助于分析含氢废气排放量及成分，确定该系统的设计容量。

基于第2.1节的分析，容控箱停堆吹扫对系统容量影响最大，其氢气释放量超过了冷停堆及大修过程时反应堆冷却剂释放氢气的量，对于处理氢气的系统容量而言，能处理容控箱停堆吹扫的氢气，自然也可应对冷停堆及大修过程时反应堆冷却剂释放氢气。基于最严苛的假设，以上两工况同时发生，含氢气体释放量叠加也需考虑。

2.2.3单因素分析

本节分析仅进行容控箱吹扫操作时排气体积和氢气含量的变化规律，为控制变量数，仅考虑的容控箱排气，暂不考虑下泄流释放的氢气，对应的工况为停堆前吹扫容控箱并调节硼浓度的过程[15]。

基于2.2.2节的计算模型，计算后结果显示：随排气次数增加，混合气体中氢气的浓度降低，呈现先快速下降，后缓慢降低的趋势。在第5次吹扫操作后，吹扫混合气中氢气的含量降到2%。依据工程经验，空气中氢气含量在4%以下可视为安全[12]，此时，排气总体积为20.75 Nm3。吹扫排气中氢气含量随吹扫次数的变化关系示于图2。

图2 容控箱排气体积与氢气含量随吹扫排气次数的变化关系图

经计算，每次对容控箱吹扫时最大排气体积为4.15 Nm3，但排气中的氢气含量呈逐渐下降趋势；每次排气的体积相同，原因是每次排气操作的始末状态相同(温度、压力和和容控箱液位变化)。

2.2.4多因素分析

在容控箱停堆吹扫的基础上，叠加反应堆冷却剂流体释放出氢气对容控箱气相空间中氢气量的贡献，对应的工况为停堆前吹扫容控箱叠加反应堆冷却剂在容控箱内释放氢气的过程。

计算假设：

(1)容控箱停堆吹扫排气前气相空间氢气含量为100%；

(2)排气时下泄的反应堆冷却剂中氢气全部释放到容控箱；

(3)鉴于尚未查到氢气溶解达到相平衡的时间，假定前两次排气过程中一回路总溶解氢含量不变，此处与第二项假设不一致，但足够保守。

基于2.2.2节的计算模型，计算后结果显示：随排气次数增加，混合气体中氢气的浓度降低，呈现先快速下降，后缓慢降低的趋势。在第11次吹扫操作后，吹扫混合气中氢气的含量降到3.0%(V/V)，第11次排气操作结束时，一回路堆冷却剂中的氢气含量降到5.82 NmL/kg(见图3、4)，此时，排气总体积为45.65 Nm3。相对于单独进行容控箱停堆吹扫的过程，此处排气中氢气含量降低速度明显变慢，原因是水中释放的氢气延缓了气相中氢气含量下降的速率。

图3 容控箱排气体积与氢气含量随吹扫排气次数的变化关系图

图4 一回路水中的氢气含量与吹扫排气中氢气体积分数随吹扫排气次数的变化关系图

最大单次最大排气体积为4.15 Nm3，每次排气中的氢气含量呈逐渐下降趋势；每次排气的体积相同，原因是每次排气操作的始末状态相同(温度、压力和和容控箱液位变化)。

3 讨论

3.1 调研的排气数据

CPR1000(M310系列电站中的一种)机组各类含氢废气的排气量列于表5。表5中体现的是排气总体积，未能体现出排气量的峰值。

表5 CPR1000机组各类含氢废气的排气量

3.2 讨论

含氢废气总体积和氢气含量影响着工艺和设备处理能力的选择。为在满足放射性衰变的前提下保证工艺中氢气安全，提高经济性，需在源头调配好含氢废气的体积，将包容含氢的设备容积和数量控制在满足要求的最小值，必要时考虑采用氧化除氢的手段。储存含氢废气的容器和房间，应监测氢气含量，设备制造、布置、房间通风、照明和用电设备都应严格要求。还需保证对惰性气体滞留(贮存或者吸附)的时间足够长，使其衰变降低放射性，在满足气载放射性流出物惰性气体控制值不超过在6×1014Bq/a的前提下，做到合理可行尽量低[16-17]。

压缩贮存衰变工艺属于间歇操作工艺，对容控箱进行吹扫操作，在容控箱吹扫叠加反应堆冷却剂在容控箱内释放氢气工况时排出的含氢废气总体积最大，为45.65 Nm3。如果采用加压储存则体积仅为7.61 m3，相对于调研到的衰变箱设计数据75 Nm3/h和总容积108 m3，仅占衰变箱容积的7.05%。实际的吹扫操作还可以精细化设计，衰变箱容积尚有较大的裕量可以挖掘。

对于连续操作的吸附衰变工艺，为使出口气体的剂量水平较低，需保证放射性核素衰变时间足够久，则吸附剂对惰性气体的滞留/延迟时间成为关键因素，单次吹扫最大排气量比排气总体积更为重要。经计算，单次操作最大的排气量为4.15 Nm3，其中氢气体积分数范围100%～3%。

如在吸附衰变工艺需要进行氢气浓度控制(稀释或采用氢气燃烧/催化氧化工艺)，则需要对排放气体稀释，若使氢气含量降至4%以下[14,16]，则每次操作最大的排气量为103.75 Nm3；假设单次排放的气体在2小时内处理完，则系统的处理能力为57 Nm3/h(10%的裕量)；此容量在原工艺压缩机的处理能力范围内，可有效利用成熟的设备。

为提升经济性，如果可以接受较长的时间处理一次排气(大于2 h，不超过4 h，一个排气操作周期)，则所需的系统处理能力可进一步降低，相关设备的容量相应降低，减少设备占用厂房空间，降低氢气爆炸后果的严重程度，设备采购和建筑结构投资变小，整体经济性好。

综上所述，对于压缩贮存衰变工艺，有望在不增设衰变箱的情况下解决容积不足的问题；对于连续操作的吸附衰变工艺，给出了建议的系统处理容量和进一步优化的方向。

4 结论

(1)经计算，压缩贮存衰变工艺中含氢废气最大的排放体积远小于调研到的设计数据和衰变箱容积，可结合气体成分检测手段对排气的操作步骤精细化设计，对系统管道设备的吹扫应适度、适量，控制氮气的使用量，优化使用当前的衰变箱的容积。

(2)若采用连续操作的吸附衰变工艺，为保证排放气体放射性水平达标，吸附剂对气体的吸附滞留时间应保证放射性核素衰变到可排放水平，控制在不超过3×107Bq/Nm3，吸附剂装填体积可按单次操作最大的排气量为4.15 Nm3的系统容量来设计。

(3)如需在氢气的爆炸下限运行，需补充不燃气体来稀释氢气，系统容量可确定为单次排气最大的排气量不超过57 Nm3/h。