核电厂氢气点火器温湿度影响因素的研究

和富凯，刘立凯，郭艳辉，谢 谨

（山东核电有限公司，山东威海 264000）

1 氢气点火器简介

核电厂发生某些严重事故后，燃料组件中的锆合金与水蒸汽达到一定温度将发生锆水反应，快速产生大量氢气[1]。氢气的爆炸极限为4%～75%，常规的消氢方法无法及时有效的消除氢气，需在核岛内设置多处氢气点火器，通过氢气点火器的工作使氢气浓度快速降低[2]。

核电厂氢气浓度控制系统主要用于控制安全壳内氢气浓度，防止由于事故工况下氢气浓度增加，而产生氢气爆炸风险。氢气点火器是氢气浓度控制系统中的一个重要组成部分，在事故工况下，当氢气浓度监测仪监测到安全壳内氢气浓度过高时，可以将氢气点火器通电工作，当氢气点火器的点火元件达到927 ℃时，它将燃烧安全壳内的氢气，从而降低氢气浓度。

氢气点火器由点火元件、电连接器、不锈钢壳体和高温电缆组成。其中，不锈钢壳体由不锈钢框架以及面板构成，是点火器的主要支撑结构，耐腐蚀和辐照环境；加热元件主要由镍基合金电阻丝、绝缘氧化铝粉及不锈钢外壳组成，冷端采用镍丝补偿，另外使用了少量的高熔点玻璃密封；壳体面板采用石墨作为密封材料；电连接器安装在不锈钢壳体内，由不锈钢、陶瓷柱及PIN 针、苯醚撑硅橡胶O 形圈组成；外部的高温电缆为铜铠装高温电力电缆。氢气点火器体型小巧，同时设置了两块挡水板防止水滴飞溅对点火元件产生影响（图1）。

图1 氢气点火器结构

工作时，外部电源通过高温电缆和电连接器为点火元件持续供电，使加热元件中的电阻丝通电迅速发热（可在3 min 内升温达到927 ℃），当加热元件达到927 ℃时与事故后产生的氢气接触并将其快速消除。在我国的三代核电机组中共布置有60 余台氢气点火器，按设计分布在核岛内的各个角落，通过高温快速燃烧消氢，从而降低事故工况下核岛内的氢气浓度，避免发生爆炸的风险。

2 实验设计

核岛内环境复杂多变，部分氢气点火器处于高温、高湿的工作环境中，而高温和湿度可能影响其正常工作。本文将通过实验室内模拟在不同温湿度条件下，氢气点火器运行的稳定温度和温度达标时间，来模拟核电厂实际环境中温湿度对氢气点火器的影响。

设计了试验相关的台架，由密封立方实验舱、湿度控制仪、加热器、温湿度监测器以及压缩空气模块组成。其中，密封立方实验舱由1 m×1 m×1 m 的PE 材料环境箱组成，内设温湿度监测器和加热器，在环境箱侧面开孔，用于连接压缩空气和湿度控制仪；湿度控制仪由水箱和充气泵构成，通过充气泵循环，带动水箱内水汽蒸发，从而达到控制湿度的目的；压缩空气用于快速降低湿度，密封环境箱内的湿度无法主动降低，需要外部输入压缩空气来降低湿度。

选取编号为ZHI-I-01 和ZHI-I-02 的氢气点火器，将其置于密封立方实验舱内（图2）。设置密封舱内的温度保持不变，通过湿度控制仪改变实验舱内湿度，测试在不同湿度环境下、使用不同工作电压时的稳定温度和温度达标时间的变化。

图2 试验台架

将25 ℃、32 ℃点作为实验温度，在每个温度下选取5 个湿度工况（12%、30%、50%、70%和95%，表1）。将氢气点火器置于密封箱中，按照图3 接通电路，并在不同电压（201 V、204 V、207 V、210 V、213 V、216 V、219 V、222.2 V）条件下通电，记录点火元件温度达到927 ℃所需时间，待温度稳定后（3 min）记录每个输入电压下的点火元件表面温度，即为稳定温度。

表1 实验设置参数

图3 实验装置电路

3 数据分析

将实验所得数据整理后，建立温度达标时间与输入电压、稳定温度与时间、稳定温度与功率之间的对应关系（图4～图5）。

图4 氢气点火器温度达标时间—电压曲线

图5 氢气点火器稳定温度—电压曲线

由图4 可以看出，在最低电压201 V 下，氢气点火器ZHI-I-01 通电63 s、ZHI-I-02 通电72 s 后温度即可达到927 ℃的标准要求，均远高于设计技术规范中的180 s 要求。由图5 可以看出，在最低电压201 V 下，3 min内ZHI-I-01 达到1030 ℃，ZHI-I-02 达到980 ℃，远高于927 ℃设计要求[6]。考虑到核电厂供电电压处于（220±5%）V（即209～231 V）标准范围内，两台氢气点火器在设计中裕量足够。

在理论方面，氢气点火器中的点火元件可以看做是纯电阻，根据功率公示和欧姆定律得到P=U2R，可知电阻丝发热功率只与通入电压的大小和电阻丝电阻有关，其温度与发热功率正相关，与环境中的温湿度无关。通过实验数据可以看出，在不同环境温湿度情况下，氢气点火器通电点火后的规律明显：随着工作电压的升高，温度达标时间缩短，稳定时点火元件表面的温度升高，不同温湿度条件下，两台点火器在不同工作电压下的稳定温度变化较小，可忽略不计。

4 结论

通过实验可以看出，氢气点火器通电后的稳定温度和温度达标时间都远高于技术规范的要求，拥有足够的裕度。且在相同温度不同湿度的环境下，两台氢气点火器通入不同等级的电压，稳定温度及温度达标时间变化较小，可以认定环境湿度并未对氢气点火器通电时的表面温度造成影响。

在相同湿度不同温度环境下，两台氢气点火器在通入不同等级的电压下稳定温度以及温度达标时间变化较小，环境温度并未对氢气点火器通电时的表面温度造成影响。

综上所述，在现场复杂的运行环境中，氢气点火器通电时的性能不受环境温湿度因素的影响。