主控室应急可居留系统露点逐渐上升原因分析及解决措施

范 赏，姜 磊，雷 薇

(三门核电有限公司，浙江 台州 317112)

三门核电AP 1000机组的每台机组配备一套主控室应急可居留系统(VES)，设计的主要目的是在严重事故工况时为主控室人员提供可供呼吸的清洁空气并且阻止气载放射性物质进入主控室。在发生堆芯受损的设计基准事故时，VES具备限制某些电厂选定区域温度增长的能力，VES属于核安全相关系统，是核电厂专设安全设施的组成部分[1-2]。

西屋在文件《Main Control Room Habitability System Air Quality Verification》(CPP-VES-GJP-803_R2)中明确规定了VES空气质量要求。根据技术规格书要求，当VES空气质量不满足要求时，需在6 h进入模式3，36 h进入模式5；如果在燃料组件移动期间，VES空气质量不合格，则需要立即停止燃料组件的相关操作。2019年期间，在执行1/2-VES空气质量监督试验过程中发现露点温度随时间逐渐上升且接近控制限值。通过对该次露点上升事件进行分析，找出露点上升的原因并制定解决措施防止此类事件再次发生，保证VES的正常稳定运行。

1 主控室应急可居留系统

1.1 系统功能

VES能自动启动和非能动运行，保证主控室可居留性和限制电厂选定区域内的温度。该系统可以不依靠厂内和厂外交流电源、操纵员的动作或能动部件，主要有四个安全相关功能：一是通风，为主控室人员提供呼吸用的清洁空气；二是加压，保持主控室相对于周围区域有一个微正压，防止受气载放射性污染的空气进入主控室；三是冷却，在设计基准事故后，利用构筑物的热容量，为电厂内必须保持其功能的设备提供非能动的冷却；四是净化，在系统运行时，对主控室的空气提供非能动循环过滤，维持主控室的放射性在可接受水平内。

1.2 系统结构

VES流程图见图1，有4个压空储气罐模块，每一个模块包括8只单独的压空储气罐(共计32只储气罐)。储气罐设计压力为表压27.58 MPa，储存可供呼吸用的压缩空气。为保证72 h的供气能力，储气罐压力不得低于表压23.44 MPa。每一个模块中的8只储气罐与1根支管相连，4个VES空气供应储气罐模块支管连接到1条公共供气母管上。压缩空气和仪表空气系统(CAS)的高能压空子系统为压空储气罐提供正常压缩空气补充。

图1 主控室应急可居留系统流程图

从公共供气母管到主控室设置主、辅两条供气管道。主供气管线在主控室内安装有一个常开的手动隔离阀和两个并联的电磁隔离阀，在主控室外安装有压力调节阀和节流孔板，以控制压空流量和供气压力，以保证至少为主控室提供72 h的可呼吸空气。

2 事件描述

VES属于安全级的系统，用来保证事故状况下主控室的可居留性，以支持电厂人员进行事故后的应急处理。系统对空气质量的要求较高，技术规格书中也对其有相关要求。

在实际运行过程中，控制露点的主要目的有两个方面：一是为了防止空气膨胀过程中会吸热，从而使温度降低，导致阀门结冰；二是露点温度的高低关乎人体的体感舒适性。三门核电一期工程在运行过程中，根据监督要求，在对VES储气罐中空气各参数定期取样的过程中发现，所有分析项目都能满足要求且趋势稳定，仅露点随时间呈上升趋势且不断接近监督试验要求的限值，如表1所示。由表1可知，存在违反技术规格书情况，机组运行模式有后撤的风险。

表1 2019年度VES露点

3 原因分析

根据对分析结果异常排查、VES系统结构以及VES相关操作分析，得到引起露点升高的原因主要有：分析仪器结果不准、供气气源品质不良、充排操作不彻底、储气罐本体原因。

3.1 露点测量原理介绍

3.1.1 露点定义

露点即露点温度(Td)，是指在空气中水汽含量不变，在保持气压一定的情况下，湿空气冷却达到饱和时的温度，单位用℃或℉表示，一般把0 ℃以上称为露点。露点本是一个温度值，用它来表示湿度是因为当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。在相对湿度是100%，周围环境的温度就是露点。露点越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥。在高露点时气温一般都会较高而导致人体出汗；而高露点有时亦伴随着高相对湿度、汗水挥发受阻。这会使人体过热而感到不适。低露点时气温或者相对湿度会较低，可令人体有效散热，因而会比较舒适。

3.1.2 露点测量的原理

三门核电化学处实验室使用的露点分析仪器为河南日立信RA-601系列便携式精密露点仪，每年委托计量院对仪器进行检定。

露点测量仪内置露点变送器及精密样气取样系统，采用亲水性材料、憎水性材料和温敏材料作为介质，构成电容型测湿传感器和电阻型测温传感器。当气体样品流经传感器时，测湿传感器的介电常数和测温传感器的电导率发生变化，从而测得样品的相对湿度和温度，仪器根据这两个参数得出露点。

3.1.3 露点计算方法

若已知某个压力条件下(23.44 MPa)对应的露点温度(4.4℃)去求得另一大气压下(一个大气压)的露点温度，有如下计算方法。

根据道尔顿分压定律：

(1)

式中P——露点4.4℃时的绝对压力，P1=23.54 MPa；e1——露点4.4℃对应的水饱和蒸汽压，e1=836.631 Pa；P2——一个大气压，P2=0.1 MPa；

由此可得：e2=3.603 Pa，查表得知该压力下对应的露点温度值为-53.9℃。

3.2 分析结果异常排查

3.2.1 分析仪器测量稳定性确认

三门核电所采用的露点分析仪为河南日立信RA-601系列便携式精密露点仪。仪器的测量范围为-80～+20 ℃，准确度为±0.5 ℃。该测量方法符合GB/T 11605—2005《湿度测量方法》的要求。

为确认分析仪器测量状态是否稳定，从而衡量该仪器给出的测量值是否准确。通过采用平行样比对的方法，来明确同一样品经过反复多次测量的结果是否有较大的偏差，因此在同一取样时间、同一取样点使用同一分析仪器对空气样品进行了三次测量，测量值见表2。

表2 同一分析仪器做三组平行样品分析结果

从表2中数据可知，三组平行样品的结果偏差小于1℃，因此可排除仪器测量状态不稳定导致数据有偏差的因素。

3.2.2 分析仪器测量准确性确认

根据分析数据异常排除流程，首先需要确认是否是分析仪器的测量值不准确从而导致数据值偏高。在分析仪器均无故障的情况下，分析仪器的测量值是否准确将通过仪器间的比对来确认，仪器间的比对分为相同型号仪器比对和不同型号仪器比对,比对结果见表3和表4。由表3和表4可知，偏差均小于1℃，满足仪器测量准确度要求，证明分析仪器的测量值是真实可信的。

表3 相同厂家不同分析仪器分析结果

表4 不同厂家仪器分析结果

3.3 供气气源排查

由于VES的供气来源为CAS，其高能压空子系统为VES压空储存罐提供压缩空气补充。高能压空子系统包括一台高能压缩机、成套空气过滤系统、控制装置及储气罐。该压缩机单元包括一台入口过滤器、空冷中间冷却器、次级油/水分离器、一台空冷后置冷却器、一台末级油/水分离器、安全阀、空气净化系统、出口逆止阀及一台高压储气罐。空气净化和干燥器包括一台凝汽式分离器，CO接触催化反应器和除味过滤器。凝汽式分离器主要用来除去空气中的水蒸气，防止CO接触催化反应器的工作效率下降。CO接触催化反应器通过吸附和催化，将CO转化为CO2。除味过滤器可以将异味和其他有机化合物去除。

由系统流程可知，如若高能压空子系统供气气源的露点不合格则会导致VES露点不合格。因此对高能压空子系统的储气罐供气进行排查。高能压空露点如表5所示。

表5 高能压空露点

从表5中数据可知，1，2号机高能压空供气气源的露点温度均在-60℃以下。同时，根据CAS系统运行经验得知，若高能压空子系统的除湿过滤器滤芯连续运行60 h则有可能失效，导致水分进入到第四级的CO接触催化器，使得水分进入储气罐导致露点温度不合格。此时，根据运行规程《压缩空气和仪表空气系统》(1-CAS-GJP-101)需要增加取样频率(每4 h至少一次)以监测滤芯是否失效(失效标准：多次取样后，高能压空的露点仍大于-60℃)。但经查阅系统数据发现除湿过滤器滤芯无失效后仍在继续运行的情况，并且运行过程中无异常、无报警。

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根据分析，可排除高能压空子系统供气气源露点温度高的因素。

3.4 VES储气罐充排操作的影响

根据运行规程《主控室应急可居留系统》(1-VES-GJP-101)，在执行VES监督试验前，均会对VES储气罐进行少量充气，用于维持系统压力以及储气量。在正常大气环境下，外界空气湿度相较于储气罐内更高，其相对湿度高达60%。如果在监督试验执行期间或者因缺陷导致系统敞口等情况，导致湿空气进入，便会造成系统露点温度的上升，甚至不合格。经调查，VES正常运行期间无开口情况。根据供气气源的排查可知，供气气源CAS高能压空露点均满足要求。此两种情况均说明，在充气操作时无将露点不合格的空气充至储气罐中。

若储气罐内无压力或者负压状态时会导致外界湿空气进入罐内，随机选取的某一个监督试验周期内，对1,2号机组高能压空储气罐压力进行测试。测试结果可以看出，所有储气罐在一个监督试验周期内均不存在无压力或者负压的情况。综合分析，可排除充排操作的影响这一原因。

3.5 储气罐本体

根据监督试验的要求，VES的露点须低于-53.9℃，此时对应的空气中水分含量需要小于0.017 61 g/m3，如果储气罐内部较为潮湿，就会造成VES露点呈现上升趋势甚至不合格。为验证空气露点呈逐渐上升趋势是否是因储气罐本体内部潮湿原因造成的，分别在1号机组101大修期间(2020-01-01至2020-01-03)及2号机组小修期间(2019-08-12至2019-08-20)对1号机组和2号机组32个储气罐进行解体检查。1号机组经打开储气罐后发现31号、32号、25号、24号、8号、16号储气罐的罐体内部均存在不同程度的潮湿，其中24号、8号、16号储气罐内部可以明显看到水迹，并且在使用吸水棉擦拭时均有泥浆带出。2号机组经打开储气罐后发现，8号、16号、23号、24号、25号、31号/32号储气罐罐体内部均存在不同程度的潮湿。

经过排查发现，储气罐内部潮湿的主要原因为VES系统在建设安装调试期间的打压试验采用的是水压试验。在试验完成后，未对系统进行绝对的烘干，从而导致罐体中积攒较多水分，这也造成了VES系统露点在运行过程中呈现逐渐上升的趋势。

3.6 排查结论

通过分析得出，露点不合格的原因为储气罐本体内部潮湿，导致水分慢慢挥发至储气罐的空气中，从而使得露点上升。

4 处理方案选择及处理结果

根据排查结论，在确定VES储气罐本体内部潮湿是导致VES露点升高的原因后，结合现场实际工作情况，主要考虑采取VES储气罐充排及对VES储气罐内部擦拭两个方案来解决VES露点升高的问题。

4.1 储气罐的充排

采用储气罐的充排操作来置换储罐内部的湿空气时，主要分为以下两种情况。

(2)

式中Q——充排体积；V——储气罐空气储存量；CF——充气含水量；C0——储罐内空气初始含水量；Ct——空气期望含水量。

一般情况下，储气罐内的空气储存量V=9 420 m3。

充气气体露点温度(平均为-64℃)对应下的含水量CF=6.153 mg/L。

储气罐内气体露点温度(平均为-56℃)对应下的含水量C0=18.16 mg/L。

储气罐内气体期望露点温度(监督试验要求限值为-53.9 ℃，-60 ℃为期望露点温度)对应下的含水量Ct=10.68 mg/L。

Q=9 189 m3，则若对储气罐内的湿空气进行充分的充排置换达到期望的露点温度需要充气约9 189 m3。

因VES系统储气罐的空气储存容量不能低于9 276 m3，因此每次充排只能置换出144 m3的空气。若充气量Q为9 189 m3，则需63.8次充排才能将储气罐内的湿空气充分置换。

(2)根据技术规格书要求，若监督试验不合格，则机组模式后撤至模式3或模式5，此时VES系统不可用。可对储气罐内的空气进行彻底排空后再充气，此时将储气罐内露点温度(监督试验不合格的露点温度为-53.9 ℃)对应下的含水量C1=23.51 mg/L的空气置换为期望露点温度(-60 ℃)对应的含水量C2=10.68 mg/L 的空气，需1次充排便可将储气罐内的湿空气彻底置换。

总之，若采用储气罐的充排来置换罐体内的湿空气存在以下缺点：一是在VES正常可用情况下，充排次数太多导致充排时间太久，浪费大量的人力、物力；二是在VES系统不可用时，少量的充排次数只是置换了罐内的湿空气，并不能带走罐体内部表面的水分，在系统运行一段时间后，罐体内部表面的水分仍会慢慢扩散至罐内空气中，从而再次导致露点上升。显然，采用充排的操作并不能从根本上解决露点上升的问题。

4.2 储气罐内部擦拭和烘干

通过对VES储气罐内部进行擦拭和烘干，可以彻底解决储气罐内部潮湿问题。另外，经评估对单台机组VES系统32个储气罐开盖，内部擦拭、烘干、充气，预计需14天，并不影响机组按计划启动。

针对储气罐内部的擦拭和烘干，具体方案如下。

(1)打开储气罐前后两端的端盖；

(2)将吸水棉包覆在长杆上对储气罐内部表面进行擦拭；

(3)热烘机出口处连接软管到储气罐端盖对储气罐内部使用热风吹扫烘干；

(4)热烘机吹扫完成后检查储气罐内部是否有湿迹；

(5)封闭储气罐两端的端口(通过打压试验以及在端口密封处涂抹检漏液来确认储气罐是否完全密封)。

因此，通过对两种处理方案优缺点比较，最终选定对VES储气罐内部擦拭和烘干方案。1，2号机分别于2020年1月10日和2019年9月27日完成该项工作，在后续监督试验中露点温度值均稳定在-60℃左右，具体数据结果见表6。由分析结果可充分说明处理方案有效，从源头上解决了VES露点升高的问题。

表6 VES露点测量结果

5 结语

通过对2019年1/2-VES露点趋势升高原因进行分析排查，最终确认VES储气罐本体内部潮湿是导致VES露点升高的主要原因。在采取对VES储气罐内部擦拭和烘干的措施后，VES监督试验的露点温度呈现了下降并一直稳定在期望范围之内，不仅避免了露点温度的持续上升造成监督试验不合格隐患，也为后续类似事件的原因分析及纠正措施制定提供了解决思路。

同时，为避免露点不合格造成监督试验不合格，减少电站停堆风险，在后续设计、建安、调试以及运行阶段，应注意以下事项。

(1)设计阶段：为减少系统充排次数及监督试验不合格时间，进气和出气管线应单独设计，保证充排效果。

(2)建安调试阶段：为保证后续露点稳定，减少监督试验不合格次数，系统打压试验最好执行气压试验。若采用水压试验，则在试验结束后应对储气罐进行彻底擦拭和烘干，在充气过程中化学人员执行露点测量，避免充气结束后露点超标事件的发生。

(3)运行阶段：启动高能压空给VES储气罐充气时，需严格按照指定的滤芯更换周期要求执行，即连续运行60 h后，进行滤芯更换或进行取样验证，保证供气气源的合格。