核电站仪表空气

介绍

核电站为人们、商业和工业提供电力。发电的方式类似于化石燃料(如煤、石油等)发电厂，使用蒸汽驱动涡轮机，使发电机旋转，从而产生电力。以热的形式产生蒸汽的能量来自铀235原子的裂变，而不是燃烧化石燃料。一旦能量从蒸汽中移除，剩余的能量要么被用于预热冷凝物(液态水)，然后用于生产更多的蒸汽，要么被移到冷凝器热交换器中。在冷凝器中，当能量被从湖泊、海洋、河流中的冷却水或通过冷却塔进入大气的时候，蒸汽冷凝成液体。一旦剩余的能量被除去，蒸汽成为液体凝结水，液体凝结水在蒸汽发生器中再加热，产生用于涡轮机(1)(2)的高能蒸汽。

测量和安全仪表空气

为了以最有效的方式发电，必须监测和控制蒸汽和凝结水的流动以及热交换器中的液位。许多监测流量、液位、压力和温度的仪器都结合了仪器空气质量压缩空气(instrument air)来传递信息。流量和液位控制是通过气动阀(AOV)的节流操作来实现的。AOV所需的仪表空气:洁净干燥的压缩空气。通常，仪器空气系统上的负载是相对恒定的。高质量的空气防止仪器、控制装置和AOV上的小端口被碎片、湿气或油堵塞，从而阻碍设备的正常运行，以支持高效的电力生产。

如前所述，核能是由铀235的裂变产生的。裂变过程以及由裂变产生的裂变产物产生辐射。核电站的安全、正确运行，确保核燃料和裂变产物以可接受的形态储存，以免对核电站操作人员或公众造成危害。在一些核电站，仪表空气是必需的，以协助在紧急情况下安全地关闭核电站，确保放射性污染释放的屏障将被保持。然而，在大多数核电站中，仪表空气并不需要执行这些功能，因为执行这些功能所需的所有组件要么不使用压缩空气，要么空气控制组件在防止放射性污染物释放所需的位置失效(3)。

与所有工业设施一样，压缩空气也用于辅助用途，如操作空气驱动的工具和泵。这通常被称为服务空气，与仪器空气系统分离。服务空气系统可作为仪表空气的备用。

奥科尼核电站的空气仪器

Oconee核电站(ONS，三单元站)的原始仪表空气系统配置包括三个Worthington往复式压缩机(HBB 14x13，每个489 cfm)，支持制冷剂干燥器。在初始启动和运行期间，Oconee的仪表空气系统通常使用两台压缩机运行，一台处于备用状态，支持机组1和2个气动阀门和仪器的运行，以及工具和污水喷射器。ONS意识到需要更多的压缩空气容量。在70年代中期，安装了一个独立的服务空气系统，使用两个油浸式Sullair旋转螺杆压缩机(150系列)，以支持工具和污水喷射器。

厂用空气系统与仪表空气系统相连，作为备用。事实证明，这既有好处，也有问题。沃辛顿的维修率很高，经常使用厂用空气补充仪表空气。由于厂用空气系统由油浸式压缩机支撑，仪表空气系统经常被油污染，导致运行问题。通过在厂用空气至仪表空气交叉口安装Deltech变色过滤器，机油问题得以解决。

到80年代中期，核管理委员会(NRC)已经收集了相当多的数据，涉及到由于仪表空气质量和可靠性差而导致的核电站的问题。NRC发布了通用信件88-14(影响安全相关设备的仪器空气供应系统问题)。该报告引用了nureg1275，第2卷“操作经验反馈报告-空气系统问题”，指出“由于仪表空气系统的设计、安装和维护的不足，气动安全相关部件的性能可能不符合其预期的安全功能。”

除了通用函88-14(4)之外，核能运行协会(INPO)还发布了补充运行经验报告(SOER) 88-1(仪表空气系统故障)，旨在解决由劣质仪表空气(IA)引发的系统故障。当时指出，“由仪表空气故障引起的系统故障正在以一定的速度发生，这表明需要对仪表空气系统给予更多的关注。”

解决仪表空气问题

国家统计局和核工业的其他部门都解决了这些问题。在国家统计局，增加了一台空压机;Sullair 32/25 400, 2200cfm油浸串联旋转螺杆压缩机。在新压缩机的下游平行安装了两个两级预过滤器和两个撒哈拉无热干燥剂干燥器(每个额定温度为1400 scfm)。这种配置现在是Instrument Air的主要来源，每年运行约340天，每个季度都要停机进行预防性维护。沃辛顿压缩机已成为备用空气源，配套的制冷剂干燥器被两台平行安装的750 scfm无热撒哈拉干燥剂干燥器取代。这种安排工作得很好，提供了一个更可靠的干燥、清洁的压缩空气来源(6)。

Oconee核电站的仪表空气系统配置是独一无二的，它使用了一个油浸式压缩机，并且所有三个核机组都有一个中央源供应。大多数核工业使用无油压缩机;旋转螺杆或离心机。他们的大多数系统都是这样配置的，每个核单元都有自己的气源。虽然每个单元都有自己的源，但大多数站点在单元的仪表空气供应之间有交叉连接。除紧急情况外，交叉连接保持隔离，以确保一个空气系统的问题不会影响多个单元的运行。

新核电厂仪表空气规范

新的核电厂即将建成。这些将作为模块单元建造或供应。只有几种设计可供选择，因此，这些植物将是相同的。通过这种方式设计和建造它们，成本效益将大大提高，而且更容易获得电力运营许可。当类似发电厂的概念首次提出时，压缩空气核能用户组织(CANUG)将其视为一个挑战。我们面临的挑战是为电厂设计人员提供一个理想的仪表空气系统配置，一个不仅可靠，而且具有成本效益和灵活性的系统。目前每个CANUG成员都有一个仪表空气系统，该系统有一些缺点，这是一个机会，为未来的工厂设计师提供输入，消除这些缺点。

三纵深防御

对于理想的仪表空气系统，CANUG要求三层纵深防御。这将允许一个仪表空气列处于维护状态，而另外两个配置为运行和备用状态。三列中的每一列应包括压缩机和相关的中间/后冷却器、湿接收器、预过滤器/除雾器、干燥剂干燥器和后过滤器。为增强灵活性，组件列车应能够交叉连接，并与允许外部气源的系统连接。应在后过滤器的出口处使用干式接收器，并根据需要在仪表空气系统的远端使用干式接收器。

压缩机的尺寸应使其承载大约75%的负载，以适应系统动态的增长或变化。它们的吸入源应在高温、污染物或高度湿润空气的环境中。压缩机控制应该是这样的，一个控制器的故障不会影响其他两个压缩机的能力。

压缩机和干燥器之间的管道应为不锈钢，以尽量减少高湿度空气的腐蚀作用。这也将最大限度地减少该地区其他工业排放物可能引发的其他大气污染物带来的腐蚀。同样，湿接收器应为不锈钢或涂层，以防腐蚀。

预过滤器应该是高质量的凝聚过滤器，并配有自动疏水阀。还应使用“除雾器”，这取决于使用的压缩机类型和压缩机吸入区域的预期污染物。

疏水阀（支持后冷器/中冷器水分分离器、湿接收器和预过滤器）应为“零损失”疏水阀，具有至少3/8”端口，以防止堵塞。每个疏水阀应有各自的独立排水口，排放至集水坑。它们还应该由旁通管路和阀门支撑，以使疏水阀能够从维修中移除，同时使支撑部件保持在使用中。

CANUG讨论了在该系统中使用的干燥剂空气干燥机的类型，并决定采用无热干燥剂干燥机。原因是一个简单的设计和操作比内部加热或鼓风机吹扫干燥机。我们明白，从长远来看，这样做的成本更高，但我们考虑的是可靠性而不是成本。这可能还有待讨论。

应同时安装干湿两种接收器。湿接收器为干燥机清洗提供了一个喘振容积，以及在压缩空气中收集和冷凝湿气的另一个机会。干式接收器可防止干燥器在仪表空气集管和蓄能器体积突然激增时过载，以支持下游部件的运行。

CANUG还考虑安装双并联预过滤器和后过滤器，以增加可靠性的余量。这允许在不使整个列车停止运行的情况下，将过滤器从服务中移除。

除了随安装设备提供的监测器外，还需要额外的监测能力，以便观察仪表空气系统的健康状况。如果露点监测器不是空气干燥器组件的一部分，则应将其安装在每个空气干燥器的出口处。整个系统还应配备取样口，以便定期监测空气质量；每个预过滤器/除雾器（油和碳氢化合物）和干燥器后过滤器（微粒和水分）的下游以及整个系统的战略位置。水分可通过泄漏进入仪表空气系统，因此在后过滤器下游位置定期监测水分可能是有利的（菲克定律）。应在战略位置提供流量和压力指示，以提供使用指示（趋势），并协助诊断问题。干燥器上游的流量指示将提供有关干燥器所用吹扫的输入。最好增加测量压缩机消耗电量（千瓦、安培）的能力。这可以提供有关压缩机效率的宝贵见解，以及流量指示的第二次检查。

系统改进

自从NRC的通用信函88-14和INPO的SOER 88-1的发布和回应以来，空气质量一直不是一个大问题，除了确保我们继续履行我们过去作出的承诺。但是，仪表空气系统的可靠性仍然是一个挑战。核动力运行研究所提供了一个运行经验数据库，其中记录了整个核工业所经历的问题，并定期审查其适用性。核电厂系统工程师将此数据库作为其系统运行状况报告的一部分进行审查，并考虑其潜在的应用。不需要像Generic Letter 88-14和SOER 88-1那样作出正式回应，但每个核设施都有责任认真考虑数据库中列出的适用事件、原因和解决方案，以确保类似事件不会在各自的地点发生;“运营经验;要么留心，要么顺其自然。”

预防性维护指南

在90年代中期，核工业注意到，使用核能发电所必需的设备的可靠性受到了挑战。他们委托电力研究所（EPRI）协助制定一套预防性维护标准，以支持核工业。选择仪表空气系统部件作为EPRI PMIR（预防性维护信息库）研究和开发的一部分。许多核工业人员以及压缩空气工业代表参与了本指南的制定。通过这一努力，加上之前收集的涉及整个核工业仪表空气系统工程师的信息，EPRI编制了压缩空气系统维护指南（TR-1006677）。这是制定预防性维护计划和全面了解仪表空气系统的极好资源。EPRI PMIR模板在整个核工业中用作制定预防性维修计划的基准工具。

结论

可以看出，核工业是独特的:为了安全使用核能，核工业需要共同努力。虽然在售电和配电领域可能存在竞争，但核电站之间存在巨大的合作，分享“运营经验;问题和解决方案”为了行业的利益。

欲了解更多信息，请联系Bill Eister, Oconee Nuclear Station，杜克能源公司，电话:864-885-4572，电邮:wmeister@duke-能源网．

引用:

1. 核电站插图:罗素·d·霍夫曼:http://www.animatedsoftware.com/environm/nukequiz/nukequiz_one/nuke_parts/reactor_parts.swf
2. 核管理委员会动画发电厂:http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-pwr.html
3. 在反应堆中，辐射被捕获和控制有几种方式:http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/radiation.html
4. NRC通用信:http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/gen-comm/gen-letters/1988/gl88014.html
5. 核动力运行研究所:http://www.inpo.info/
6. 第43号Generic Issue和第88-14号Generic Letter (nueg -1837)的监管有效性评估:http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/nuregs/staff/sr1837/
7. 核工业支助小组：http://www.nucleartourist.com/basics/inpo.htm

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