孙攀

【摘 要】AP1000核电站采用加注高压氢气来控制一回路冷却剂氧含量在合格水平。随着核电站使用氢气压力等级的不断提高，目前国内标准规范存在指导不足的地方。文章通过对AP1000核电站高压氢气系统分析，总结AP1000堆型高压氢气系统设计过程中应注意的贮存量、氢气升压、气瓶充装、减压等问题，以便为国内核电高压氢气系统的设计提供参考。

【关键词】AP1000；高压氢气；设计；规范

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0081-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.037

【Abstract】The AP1000 nuclear power plant uses high pressure hydrogen to control the level of oxygen in the primary coolant.With the continuous increase in the use of hydrogen pressure levels in nuclear power plants，there is currently insufficient guidance in domestic standards.This article analyzes the AP1000 nuclear power station high-pressure hydrogen system，sums up the storage，hydrogen boost，cylinder filling，decompression and other issues that should be noted in the design process of the AP1000 reactor high-pressure hydrogen system，in order to provide for the domestic nuclear high-pressure hydrogen system design reference.

【Key words】AP1000；High pressure hydrogen；Design；Specification

0 引言

核電厂高压氢气系统的作用是控制反应堆冷却剂系统的氧含量水平[1]。在核电厂正常运行期间，直接向一回路注入20.68MPa的高压氢气，抑制水的辐照分解，减少腐蚀产物和活化产物，降低核电厂辐照剂量。

AP1000核电厂采用第三代非能动压水堆核电技术，四台依托化项目由美国西屋联队负责设计，国家核电技术公司负责引进的第三代核电依托项目。由于工程设计建造的特殊性，设计、建造过程中诸多方面都涉及中美标准规范的匹配性和兼容性的问题。基于CAP1000核电厂在自主化设计、建造过程中氢气管道设计建造过程中出现的相关问题，通过对存储容量、减压阀配置、管道选材特别是埋地管道设计等方面进行对比分析，希望为国内核电厂氢气系统的设计提出相关的借鉴参考。

1 供氢站存储容量

1.1 低压氢气存储容量

AP1000核电站氢气系统是电站独立的氢气贮存、供应系统，为发电机冷却、系统除氧提供不同压力等级的氢气，包括低压氢气子系统和高压氢气子系统。其中，低压氢气子系统为除盐水运输和储存系统（DWS）的催化除氧单元CORS 提供除氧用的低压氢气，为发电机氢气和二氧化碳系统（HCS）提供冷却用的低压氢气，为氢气升压站提供气源；高压氢气子系统为化学和容积系统（CVS）供气，用于一回路冷却剂除氧。

根据EPRI导则，低压氢气储量应至少能维持连续用户30天的用量和至少三倍发电机置换二氧化碳并达到要求纯度和压力用量的和[2]。

低压连续用户至少需要存储容量Q1为：

以AP1000三门核电项目发电机为例：发电机气体容积7769 scf，运行操作压力为：94.7 psia，根据EPRI导则规定，计算得出发电机启动置换用氢需求：

EPRI导则要求备用氢量与发电机启动置换用氢需求计算方法一样，所以：

总的存储容量为：启动需求+备用量+30天连续用户量

根据DL5068-2014《发电厂化学设计规范》，当采用外购氢气供氢时，氢气总有效储存容积应为全厂氢冷发电机10天的正常消耗量和最大一台机组一次启动充氢量之和[4]。与EPRI相比，对于存储量要求较为宽松。在AP1000自主化设计过程中，标准、规范的引用需要具体问题具体分析。

1.2 高压气瓶设计容积、在线数量

AP1000标准设计中，采用高压气瓶通过CVS（化学和容积控制系统），直接向一回路注入20.68MPa的高压氢气，抑制水的辐照分解，减少腐蚀产物和活化产物，降低核电厂辐照剂量。标准设计中气瓶容积37.4L，充装压力为41.4Mpa的氢气。

目前设计通过一组切换阀门，同时连接4个氢气瓶，但只有1个氢气瓶在供氢管线上，当上一个氢气瓶的压力降到使用压力以下时，自动切换到下个氢气瓶上，直到4瓶氢气全部用完。见图1。

PSAR的3.5.1.2.1.2节描述[3]：在氢补给管线失效的事故中，能够释放到安全壳内的氢气的量受到调节流量的阀门和用于隔离补给管系与氢源的常关/失效关闭电磁阀的限制。管线破裂事故中允许向安全壳内泄漏的氢气仅限于一瓶储气瓶的容量。即一个高压氢气瓶中约697scfm的氢气全部泄漏到安全壳中，也不会造成因氢气积聚而引起爆炸。泄漏的氢气需要由产生于热表面的热力和暖通空调系统产生的空气流动以使氢气通过对流在隔间内与空气进行混合，因此氢气补给管线不允许经过没有暖通空调系统的隔间。

因为以上PSAR中的规定，因此只能1个高压氢气瓶连接到高压供氢管线上。在设计过程中，气瓶的容积、数量改变的情况下要考虑满足PSAR本章节要求。

2 高压氢气减压

目前国内AP1000机组氢气供应采用外购20MPa成品氢气，经拖车运输、储存和升压站加压方式，为机组供应合格氢气（拖车气瓶中氢气作为被压缩介质，压缩空气作为升压泵动力源，将氢气增压至41.4Mpa）。无论是低压用户还是高压用户，都需要对气源压力减压至所需压力。一般的高压气体通过逐级减压防止减压节流过程中致冷效应引起的温度降低，导致发生液化现象。目前国内电力设计院对高压氢气一般采用两级减压阀方式进行减压，如某百万机组采用外购15MPa氢气瓶组供氢，采用一级减压至3.5MPa，再减压至1.2MPa供氢压力。

对于常温下氢气减压来说，两级减压阀不仅设备成本增加，而且增加了泄漏风险。由于正常环境温度下氢气的焦耳汤姆逊效应（焦-汤效应）为热效应，焦-汤系数为负，减压后氢气温度反而升高；由41.4MPa、20MPa压力氢气通过一级减压至运行供氢压力理论上是可行的。

温降与压降的关系用焦耳-汤姆逊系数表示为：

气体节流后总是dp<0，若在节流后温度升高，dT>0，则μJ<0；反之，dT<0則，μ>0。根据文献[6]氢气的最大上转换温度为202K（-71℃），即在辽宁徐大堡厂址冬季气温条件下（极端最低气温-30.6℃），氢气减压节流也不会产生制冷效应。

3 埋地管道设计

西屋公司在依托化项目氢气系统设计中，依据美国氢气管道ASME B31.12标准和Compressed Gas Association（简称CGA）G-5.4氢气管道系统标准，选定氢气管道材料为TP304L，埋地氢气管道全程采用玻璃钢套管保护。国内标准《氢气站设计规范》G B 50177，氢气管道可以直接埋地，对氢气管道材料规定没有美标操作性强。

根据CGA-5.4，埋地氢气管道布置全程套管，主要有两方面作用：1）增加套管可以为埋地氢气管道提供防护，减少土壤长期对工艺管道产生阴极腐蚀而产生破坏；2）在系统运行时，增加套管可以及时在套管末端检测到氢气泄漏，如果没有套管，发生泄漏时氢气将弥散在土壤中，危险性较大[7]。但是由于地理地势条件，管道埋深标高不一样，对于管道中氢气的泄漏，将会在套管高点处聚集，反而增加氢气集聚风险；而且增加套管后，管道的防静电接地施工将变得困难。某AP1000依托化项目，在设计全程埋地套管后，又增加了套管内氢气浓度监测仪表，对投资、后续维护带来很大压力。

4 结语

在核电系统设计中，氢气系统在正常运行期间执行发电机冷却、一回路冷却剂除氧，对核电厂长期安全稳定运行起着重要作用；而且氢气具有着火点能量低，与空气、氧混合燃烧、爆炸极限宽，燃烧速度快等点，因此在设计阶段就应特别引起重视。

国内目前氢气管道设计暂没有一套完整的氢气管道标准可参考，氢气设计主要参照GB 50177—2005《氢气站设计规范》、GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》和一些化工行业标准。文章通过对中美氢气规范中存储容量、材料选择要求的对比和分析，和设计实践，总结归纳了核电站氢气设计中需引起注意的几个要点。

随着高压力氢气使用的不断普遍，如何借鉴美标规范中丰富的氢气设计经验，对口EPRI导则要求，从而不断丰富国内氢气系统设计的规范要求，为国内的氢气系统设计提供更全面、更灵活、更经济的选择，从而为尽快完成吸收消化再创新的过程，为创造具有中国自主化AP1000设计做出贡献。

【参考文献】

[1]林诚格.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010：623.（LINCheng-ge.Advanced passive PWR nuclear power technology[M].Beijing：Atomic Energy Press，2010：623.）.

[2]EPRI URD，Chapter 13 Paragraph 4.2.6.1.1 of Appendix J.

[3]辽宁徐大堡核电厂一期工程初步安全分析报告版次：B版，P3.5-9.

[4]DL5068-2014《发电厂化学设计规范》[S].

[5]APP-CVS-M3C-015，化学和容积控制系统计算书.

[6]赵凯华、罗蔚茵.新概念物理教程 热学[M].高等教育出版社，1999，P148.

[7]梅健.AP1000氢气管道设计分析[J].中国核电，2015年3月，第8卷，第一期，29-33.