三代核电机组一回路钝化加氢工艺问题研究及改进应用

陈　旭，尹锐佳

三代核电机组一回路钝化加氢工艺问题研究及改进应用

陈旭，尹锐佳

（中广核工程公司，广东 深圳 518026）

三代核电机组在热态功能试验（简称热试）期间需执行加氢钝化，以改善一回路表面钝化效果。国内某三代核电机组首次执行一回路加氢时速率较慢，导致一回路氢气测量值无法在预计时间内达到钝化开始时的限值。我们结合现场实际情况，分析了问题的相关环节，并在满足系统正常运行要求和工业安全要求的前提下，针对影响因素进行处理和优化，合理改进原有加氢方案，保证热试期间一回路的加氢速率，节约热试工期，对后续三代核电、“华龙一号”机组的建设有参考意义。

三代核电；热试钝化；加氢速率

三代核电机组调试期间执行热态功能试验（简称热试）时，需在热停堆平台连续运行300 h，完成一回路压力容器、主管道、堆内构件等与冷却剂接触的金属表面首次钝化。钝化效应生成的钝化膜对装料后机组的正常运行非常重要，能起抑制、减缓金属腐蚀和减少放射性杂质生成的作用[1]。一回路水质化学指标对生成钝化膜具有重要意义，三代核电机组热试期间的钝化方案与中国改进型三环路压水堆（CPR1000）机组相比，水质化学指标控制难度更大，一回路水中需添加氢气（简称加氢），以改善一回路表面钝化效果。

国内某三代核电核电厂1号机组热试期间首次采用加氢钝化方案，水中氢气测量值达到规定标准是钝化开始计时的标志。而一方面在实际情况中，氢气测量值增速较缓，无法在预期时间内达到规定标准；另一方面氢气属易燃易爆气体，应谨慎操作，以防范氢爆风险。由于以上两个方面使钝化开始前的加氢工作占用了较长的工期，制约了工程主线的进展。为安全、快速、有效地完成三代核电机组热试期间一回路加氢钝化工作，需找出原加氢方案不足之处，找到问题症结，采取有效措施，实施改进并实践应用。

1　一回路加氢工艺介绍及现状

1.1　一回路加氢工艺流程

一回路加氢工作是通过化学和容积控制系统（RCV）完成的，如图1所示，从一回路冷却剂引出下泄流体经过RCV高压减压站和下泄热交换器，进行降温降压，10%流量的流体进入容控箱，实现容控箱的化学平衡，维持液位稳定；90%流量的流体进入主下泄管线，经过加氢站，到达上充泵入口。

图1　RCV系统加氢工艺流程示意图

加氢站是RCV执行加氢操作的重要设备，主要由气体分离器、喷射泵和混合管组成。喷射泵通过射流抽吸作用抽出气体分离器上部气相空间氢气，混合高压射流流体，喷射至泵出口主下泄流体中，在安装有一定倾斜角度叶片的混合管内充分搅混。经气体分离器后，溶解有氢气的主下泄流体进入上充泵入口，经上充主管线重新注入一回路，由此通过下泄、加氢、上充注入增加一回路水中氢气体积。

混合有氢气的主下泄流体经气体分离器时，没有溶解的氢气重新聚集至分离器顶部，由喷射泵抽吸后喷射至下一次混合流体中，从而实现喷射泵—搅混管线—气体分离器—喷射泵的循环。喷射泵高压射流流体来自上充泵出口引流回流，容控箱顶部气相空间通过废气处理系统（TEG）进行氮气连续吹扫，位于容控箱至TEG的出口管线上的调节阀维持容控箱气相压力稳定至设定值。

1.2　一回路加氢现状

RCV试验程序TP-RCV-123执行一回路加氢试验时要求配置1台上充泵运行，上充主管线流量为31.7 t/h，喷射泵高压射流流量调整为1.1 t/h，容控箱气相压力控制至1.5 bar（g）（1 bar=0.1 MPa，a为绝压压力，g为表压），简明配置方案如图2所示。在氢气可有效溶解至水中且未发生大量析出逃逸前提下，保证加氢站正常设计能力，该方案可满足一回路加氢速率要求，可在10 h内将一回路水中氢气增加至35 Ncm3/kg（N为标准工况，即在标准温度25 ℃、1.013×105Pa大气压下，单位质量的液体中所含有的氢气体积，由系统氢表测定，下同）。

图2　三代核电机组原加氢方案配置简明示意图

然而现场实际操作过程中，一回路加氢速率缓慢，经过两天的操作，一回路氢气测量值仅增加至9 Ncm3/kg，不满足一回路氢气测量值35 Ncm3/kg的钝化开始计时标准，严重制约热试期间工程主线的进度。

2　加氢速率缓慢原因分析

2.1　加氢速率影响因素分析

氢气在水中的溶解速度与温度及压力有关。当温度一定时，氢气在水中的溶解度随压力升高而升高；当压力一定时，氢气溶解度随温度升高而降低。三代核电机组热试期间，机组处于热停堆工况，一回路压力为154 bar（g），一回路冷却剂（水）温度为303 ℃，此工况下氢气理论饱和溶解度大于35 Ncm3/kg，但实际操作结果与理论结果相差过大。

一回路加氢为一个动态循环过程，氢气测量值逐步动态累积。加氢速率快，氢气在一回路水中的增加量大于析出量，氢气测量值就增加；反之，测量值可能减小。针对涉及加氢回路动态循环管线的稳压器、下泄管道、RCV加氢站、容控箱和上充管线，分析加氢速率较慢原因如下：

（1）热试期间整个一回路不是水实体，稳压器内部处于气液两相状态，一回路介质处于上充下泄的动态平衡，因此不能根据亨利定律（一定温度的密封容器内，稀薄溶液中溶质的气体分压与该气体在溶液中的测量值成正比）以当前压力与温度分析氢气在一回路水中的饱和溶解度。

（2）热试期间，稳压器顶部汽相空间投运氮气连续吹扫，导致该空间内氢气获得的实际气体分压较小，一回路中已溶解的氢气可能在稳压器内析出逃逸，导致氢气含量降低，影响加氢速率。

（3） RCV 加氢站实际运行能力达不到设计要求，或设计出力不足，导致加氢速率过慢。

（4）气源端输送的氢气纯度达不到标准，较多更难溶解于水的氮气聚集至气体分离器上部气空间，导致加氢站内氢气混合后溶解速率变慢，影响加氢速率。

（5）根据RCV系统设计要求，若维持容控箱液位平稳，已溶解有氢气10%流量的下泄流体进入容控箱，TEG执行容控箱上部气相空间氮气连续吹扫，氢气在气相空间获得的气体分压较小，在容控箱内析出并吹扫至TEG系统，影响加氢速率。

2.2　加氢速率影响因素验证

根据上述分析，为准确判断影响因素，现场进行试验验证。验证方法、过程分析和结论如表1所示。

表1　加氢速率影响因素验证

从表1结论可知，影响一回路加氢速率因素有：

（1）加氢站加氢出力不足；

（2）氢气在容控箱、稳压器中析出逃逸。

3　加氢速率缓慢改进处理

根据表1中验证结果，针对判断出的影响因素，采取以下改进措施，并检查解决效果。

（1）加氢站改进。加氢站抽吸氢气的动力源为喷射泵，其工作原理如图3所示。

原加氢方案配置中，喷射泵入口高压射流流量为1.1 t/h，对应喷射泵入口压力为4～6 bar（g）。在一定范围内，喷射泵高压射流流量越大，抽吸氢气越多，喷射泵出口流体中氢气测量值就越大。通过调整喷射泵入口调节阀，增大喷射泵入口压力，可提高射流流量。

图3　喷射泵工作原理图

喷射泵高压射流引自上充泵出口高压流体，是上充泵出口管线的一个分支。由图1可知，上充泵出口总流量包含上充主管线流量、主泵轴封流量（7.2 t/h）和引至喷射泵入口的高压射流流量。根据设计要求，喷射泵入口允许最大压力为30 bar（g），压力越大，射流流量越大，由于轴封流量经调节后保持恒定，为保证一定的上充流量，满足一回路冷却剂化学均衡和净化效果，喷射泵入口高压射流流量不宜过大，考虑一定裕度情况下，经现场验证，将喷射泵射流流量调整至3 t/h，不会对RCV系统正常运行功能造成影响，对应喷射泵入口压力约为20 bar（g），处于设计允许范围内。

为了验证喷射泵入口压力对一回路氢气测量值变化的影响，现场调整调节阀，改变喷射泵入口压力，在入口压力分别为4 bar（g）、10 bar（g）、15 bar（g）、20 bar（g）平台下各维持6 h，执行一回路加氢操作，检查每6 h内一回路氢气测量值变化量，结果如图4所示。

图4　喷射泵入口压力对一回路氢气测量值变化量的影响

由图4可知，提高喷射泵入口压力可提高一回路氢气测量值变化量，即对加氢速率有明显促进作用，但随着时间推移，一回路氢气测量值逐渐增大，氢气溶解逐渐减缓。图4中曲线在一回路氢气测量值为20.36 Ncm3/kg时出现拐点，之后加氢速率变慢，测量值变化量曲线呈下降趋势。

为单独验证喷射泵入口压力为20 bar（g）时的加氢速率，在一回路氢气测量值为5.90 Ncm3/kg时，检测6 h内氢气测量值变化量，得到每小时一回路氢气测量值变化量为1.78 Ncm3/kg，综上可知，提高喷射泵入口喷射压力，可明显提高一回路加氢速率。

（2）容控箱改进

考虑将容控箱氮气吹扫隔离，吹扫流量降低为0，假设容控箱内氢气全部析出，按进入容控箱最大下泄流量为7 t/h和氢气最大测量值35 Ncm3/kg计算，106 min后，容控箱上部气相空间氢气体积分数会超过4%，达到氢爆风险阈值，故不能隔离容控箱吹扫。

容控箱底部出口管线和气体分离器水侧出口管线相连，在容控箱吹扫不能隔离的前提下，容控箱气相压力决定了气体分离器压力。为验证容控箱压力对加氢速率影响，调整容控箱氮气吹扫压力。在容控箱压力为1.0 bar（a）、2.5 bar（a）、3.5 bar（a）平台下各维持8 h，执行一回路加氢操作，检查每8 h内一回路氢气测量值变化量，结果如图5所示。

从图5看出，提高容控箱压力，在一定程度上能加快一回路氢气测量值变化量，即提高加氢速率。根据验证结果，考虑容控箱设计压力范围为0～4 bar（a），故在原加氢方案要求容控箱压力设置为1.5 bar（a）的基础上，可在加氢操作时将容控箱压力提高至3.5 bar（a）。

图5　容控箱压力变化对一回路氢气测量值变化量的影响

根据氢气理论饱和溶解度曲线，结合一回路加氢循环回路试验相关参数，经分析换算，预测得到一回路氢气测量值、上充泵出口氢气测量值和容控箱压力关系图，如图6所示，说明执行加氢操作时，一回路的氢气测量值与容控箱压力成正比关系。

图6　一回路氢气测量值与容控箱压力关系图

（3）稳压器改进

容控箱吹扫隔离后存在氢爆风险，同理不能隔离稳压器顶部气相空间的氮气连续吹扫。而通过降低稳压器连续喷淋流量，减小由喷淋造成的氢气析出逃逸，则不利于一回路水质均匀及一回路钝化。综上，对于稳压器运行不采取特殊处理措施，保持原有操作。

（4）设备配置改进

RCV系统设计有2台上充泵，正常运行工况配置为1台运行、1台备用，单台泵额定流量为40 t/h；当一回路充水、大流量硼化操作时同时运行2台上充泵，双泵运行出口总额定流量为76 t/h。上充泵出口流量越大，上充主管线流量也越大，有以下优点：

1）能够将更多溶解有氢气的冷却剂注入到一回路中，增加一回路氢气测量值；

2）加快一回路换水速率，使一回路氢气测量值更加接近上充管线中氢气测量值。

4　一回路加氢工艺方案改进和应用效果

实施上述改进后，有效改善了一回路加氢速率。由此对原有加氢方案进行相应改进，如表2所示。

表2　三代核电机组加氢方案改进

对机组进行充分的风险分析，按照表2所示改进方案，适当改变RCV系统运行状况，对机组正常运行无影响，三代核电机组改进后的加氢方案配置简明示意图如图7所示。

图7　三代核电机组改进后加氢方案配置简明示意图

现场按改进后的加氢方案进行实际验证，一回路加氢速率由原来每天4.5 Ncm3/kg提高至每天9.4 Ncm3/kg，加氢时间缩短50%，使热试钝化开始时间提前2天，大幅节约热试关键路径时间和人力物力成本。

5　结论

本文通过对国内暂无先例可循的三代核电机组加氢工艺方案探究，对加氢原理进行分析，找出影响加氢的因素，在不影响系统正常运行、固有参数设置和工业安全前提下，改进了加氢方案，显著提高了热试期间一回路加氢速率，节约了一回路钝化时间，使加氢速率不成为制约热试工期的关键路径，取得良好的经济效益。

［1］ 汲大朋，南夏瑜，郭均．压水堆核电机组一回路钝化膜的研究［J］．大亚湾核电，2017（2）：9-10．

［2］ 郭利民，廖伟明．核电厂系统与设备［R］．台山：台山核电合营有限公司培训中心，2012．

［3］ Instruction for operation and maintenance for water jet pump 1/2RCV3330EJ［R］．深圳：中广核工程有限公司，2012．

The Study and Improvement for the Passivation Hydrogenation in the Primary Circuit of Generation ⅢNPP

CHEN Xu，YIN RuiJia

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd. Shenzhen of Guangdong Prov. 518026，China）

The Generation Ⅲ nuclear power plant need to perform hydrogenation passivation during the hot functional test (HTF) to improve the surface passivation effect of the primary circuit. A domestic Generation Ⅲ nuclear power plant takes a long time to reach the hydrogen measuring value threshold within the expected time at the first hydrgenation in the HFT. Combined with the actual situation of the site, relevant links of the problem are analyzed. The influencing factors are processed and optimized, while meeting the normal operation requirements of the system and the requirements of industrial safety, the original hydrogenation scheme is reasonably improved, the hydrogenation rate of the primary circuit during HFT is ensured, and the duration is shorted. It has reference significance for the construction of followup Generation Ⅲ nuclear power plants and HPR1000s.

Generation Ⅲ nuclear power plant; HFT passivation; hydrogenation speed

TL48

A

0258-0918（2022）02-0359-06

2021-05-12

陈 旭（1988—），男，四川泸州人，工程师，学士，现从事“华龙一号”核岛调试相关研究