安全殼消氫系統催化板效率試驗影響因素分析

孫 超，邵會福，杜正建，王建國，凌學會

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116001)

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安全殼消氫系統催化板效率試驗影響因素分析

孫 超，邵會福，杜正建，王建國，凌學會

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116001)

本文通過對某核電站安全殼消氫系統(EUH)非能動氫復合器催化板效率試驗的試驗方法和催化板本身特性的分析，確認對催化板消氫效率試驗結果影響較大的因素，并且針對這些影響因素給出相應的應對措施。大修期間的試驗數據表明本文給出的各項應對措施是非常有效的，對其他核電項目具有參考意義。

安全殼消氫系統；非能動氫復合器；催化板；消氫效率

日本福島核電站發生的氫氣爆炸事故造成安全屏障破壞，大量放射性物質外泄。核電站事故后氫氣的消除成為了核電技術人員關注的熱點。目前，國內外的核電廠大部分采用非能動氫復合器消除氫氣[1]。為了確保核電站事故后氫氣的消除效率，需要在每次機組大修時對非能動氫復合器催化板進行效率試驗。

本文將對非能動氫氣復合器的組成、功能、非能動原理、試驗裝置及試驗方法等方面進行介紹，結合大修期間的試驗數據，分析催化板溫度、氣體熱導率差異及氫復合器加保護罩等因素對試驗結果的影響。

1 非能動氫氣復合器簡介

安全殼消氫系統用于在超設計基準事故工況下將安全殼內大氣中的氫氣濃度減少到安全限值以下，從而避免發生由于氫氣爆炸而導致安全殼的失效[2]。某核電安全殼消氫系統由33臺非能動氫氣復合器組成。當安全殼內空氣含氫量達到啟動閥值(1～2%氫氣體積濃度)，氫復合器啟動，當空氣中氫氣的濃度小于0.5%左右時，由于其低于催化板所要求的最小氫氣濃度，此時產生的熱量也不足以推動自然對流的繼續進行，裝置將逐漸自動停止運行。

非能動氫氣復合器[3]自動工作的原理為：氫復合器的金屬外殼可引導氣流向上通過氫氣復合器，在殼體的下部裝有一個插入很多平行的豎直催化劑板的框架，在這些催化劑板上涂滿活性催化劑。含氫混合氣體在催化劑作用下發生氫氧化學反應，并釋放出熱量使復合器下部的氣體密度降低，進而加強了氣體對流，以使大量的含氫氣體進入與催化劑接觸，最終形成含氫空氣流在氫復合器中持續穩定流動的“煙囪效應”，實現了氫復合器的“非能動”要求。

通過以上的介紹可以看到，如果要實現氫復合器的“非能動”消氫功能，其催化板的催化能力是關鍵因素，這也是每次大修期間需要執行催化板消氫效率試驗的意義所在。

2 催化板效率試驗原理

催化板效率試驗原理如圖1所示，濃度3%的氫氣空氣混合氣沿著進氣管道進入密閉加熱箱，混合氣在加熱箱中通過預熱盤管預熱后進入密閉催化床中。在催化床中通過催化板的催化效應發生氫氧結合反應并放出熱量，使得混合氣中氫氣得以消除，反應余氣進入氫分析儀中，測得經過催化板消氫后的氫氣濃度。對比氫氣初始濃度可以計算催化板的消氫效率。該試驗的驗收準則：在催化板溫度達到60℃的條件下，15 分鐘內氫分析儀顯示的氫氣濃度降到氫氣混合器初始氫氣濃度的40%以下視為合格[4]。

圖1 催化板消氫效率試驗原理圖Fig.1 Experimental principle of hydrogen elimination efficiency of catalytic plate

催化板具體消氫過程如圖2所示[5]。首先，H2和O2從混合氣中通過邊界層擴散到催化板表面，進而擴散進入催化板毛細孔道內部并且吸附在活性中心的表面上，H2和O2在活性中心的作用下發生反應生成氣態水，緊接著氫氧反應生成的氣態水從活性中心表面脫附并且從催化板毛細孔道內部擴散到催化板表面，最后氣態水從催化板表面通過邊界層進入混合氣。

圖2 催化板消氫過程圖Fig.2 Catalytic plate hydrogen elimination process

3 催化板消氫效率影響因素及應對措施催化板效率試驗原理

3.1 粉塵及氣溶膠等雜質對催化板消氫效率的影響

從催化板消氫過程中可以看出，催化板表面毛細孔道和活性物質對催化板消氫效率起決定性作用。要保證催化板消氫效率，必須保持催化板表面毛細孔道處于正常狀態。事實上，為了保證安全殼消氫系統“非能動”特性，催化板是處于開口的金屬外殼內，環境中的粉塵及氣溶膠等雜質很容易附著在催化板表面，從而造成催化板表面部分毛細孔道堵塞導致催化板消氫效率下降。

在機組大修期間，島內作業較多，環境中各種粉塵比較多，極易使催化板因粉塵“中毒”而使消氫效率下降。為了避免這一問題，某核電在每次大修期間對氫復合器采取保護措施，對氫氣復合器進行整體包裹從而隔離外界環境，等大修結束后，再解除保護措施，截止H103已完成對全部33臺氫復合器的檢查。對比集團內同型號機組的催化板效率試驗數據[6-8]，加上保護罩可以大大降低催化板消氫功能的不合格率，延長催化板使用時間，減少催化板再生工作。

3.2 初始溫度對催化板效率試驗結果的影響

根據文獻[9]描述，氫氧化和反應總體反應速率的關系式[9]：

V=K﹡CH﹡exp(-E〗/(RT))

(1)

公式(1)中K，R為固定系數，V為反應速率，E為反應活化能，CH為氫氣濃度，T為反應溫度。從公式(1)中可以看出，溫度與反應速率是正相關。從化學反應基本原理分析溫度對反應速度的影響如下：

溫度升高，反應物活化分子的百分數增加，反應速率加快；同時，溫度越高，越有利于氫氧反應生成的氣態水從催化板表面的脫離，根據化學平衡移動的原理，生成物濃度的降低會導致化學反應平衡向正向移動以減弱生成物濃度的降低，化學反應加速。

催化板催化消氫過程是一個放熱過程，氫氧反應一旦啟動，反應放熱會使催化板溫度持續升高反應加速。也就是說，催化板溫度是從初始溫度開始逐漸上升的，在同等氫氣濃度下，相同時間內催化板的消氫效率與催化板的初始溫度相關，而催化板效率試驗要求在15分鐘內消氫效率達到60%以上，即催化板的初始溫度將對催化板效率試驗結果產生影響。為了驗證這一影響因素，在某H103大修期間選取006RV和020RV的催化板執行了兩組對比試驗，繪制了相應的消氫曲線圖，參見圖3。圖3中橫坐標表示從通入氫氣開始的時間，縱坐標表示氫分析儀測得的氫氣濃度。工況一表示放入催化板后直接通入3%氫氣空氣混合氣進行消氫，催化板初始溫度為室溫；工況二表示放入催化板后，先通入空氣對催化板預熱5分鐘，再通入3%氫氣進行消氫。

圖3 催化板消氫曲線圖Fig.3 Hydrogen elimination curve under catalytic plate

3.2.1 催化板催化消氫曲線定性分析

觀察圖3中的4條曲線可以看出，每一條消氫曲線都包含了A-B，B-C，C-D三個階段。結合催化板效率試驗裝置及原理對催化板催化消氫曲線定性分析如下：

A-B：開始通入氫氣到氫氣探測器分析儀檢測到氫氣。由于氣體腔室和管路的綜合作用，通入氫氣后氫分析儀并不能立即檢測到氫氣，隨著氣體流動，大概2分鐘左右，氫氣流動擴散至氫氣分析儀處；

B-C：氫氣濃度上升階段。由于催化板存在自啟動時間，在初始階段，出口探測到的氫氣濃度逐步升高。催化板啟動濃度1%-2%左右，在初始階段，通充入的3%氫氣與催化床內氣體混合，濃度低于啟動濃度，催化板沒有啟動消氫，氫氣探測器分析儀檢測到氫氣濃度快速上升；隨著濃度的升高，催化板啟動，啟動的初始階段，催化能力不足以使氫氣濃度下降；當催化板消氫能力與通入氫氣流量相抵時，催化床內氫氣濃度到達極值C點；

C-D：氫氣濃度下降階段。隨著催化板催化功能的啟動，出口探測到的氫氣濃度開始下降。當氫氣濃度下降到接近催化板消氫的停止閾值時，催化板停止消氫。曲線趨于平緩。

3.2.2 兩種工況下催化板消氫曲線對比分析

對比圖3中兩種工況的消氫曲線可知，工況一的氫氣最高濃度高于工況二，催化板開始催化消氫以后，工況一的氫氣濃度始終高于工況二，15分鐘結束時工況二的氫氣濃度比較低。結合催化板消氫試驗原理圖分析產生這種現象的原因如下：

在放置催化板時，打開加熱箱和催化床密封門，使得加熱箱和催化床內空氣溫度迅速下降，加熱箱內預熱盤管溫度降低，催化板也處于常溫狀態。如果立即開始進行消氫試驗，催化板表面溫度較低，消氫效率偏低。使用工況二的方法，催化板初始溫度增加，氫氧化合反應速率增加，相同時間內消氫效率增加，氫分析儀中測得的氫氣濃度降低。

3.3 氫分析儀測氫原理對試驗結果影響分析

該核電廠在催化板消氫效率試驗中使用的是QRD-1102C 系列熱導式氣體分析器[10]，其工作的基本原理是根據氣體的導熱率而確定其成分的。即通過混合氣體的導熱率的測量來決定混合氣體中某氣體的含量，當混合氣體中背景氣體(如N2等)或其他成分基本保持恒定時，混合氣體的導熱率基本上取決于被測組分的多少。以空氣為參比，在標準大氣壓和0℃時，各種氣體的相對導熱率如表1。

表1 氣體的相對導熱率

按照試驗程序要求，在執行催化板消氫效率試驗前需要采用純氮進行零點校準，再用含5%氫氣的氮、氫混合氣進行滿量程校驗。在試驗過程中發現使用壓縮空氣持續吹掃2個小時后，氫分析儀顯示氫氣濃度0.2%。通入3%氫氣空氣混合氣后氫分析儀顯示濃度在3.2%左右。產生這種偏差的原因分析如下：

當氫分析儀顯示濃度為X%時，對應含氫X%的氮氣氫氣混合氣與含氫Y%的氫氣空氣混合氣導熱能力相同，可得到以下關系式：

X*7.15+(100-X)*0.99
=Y*7.15+(100-Y)*1

可以求得Y與X的表達式：

Y=(6.16X-1)/6.15=X-0.16

即氫分析儀顯示的濃度比實際濃度大0.16%。這種濃度偏差將對試驗中計算的催化板消氫效率結果產生影響。圖4中給出了通入3%的氫氣空氣混合氣后實際消氫效率和計算出的消氫效率對比曲線。從曲線中可以明顯看出氫分析儀顯示的氫氣濃度偏差將導致計算出的消氫效率降低。

圖4 消氫效率偏差曲線Fig.4 Efficiency deviation curve of hydrogen elimination

4 結論

通過本文的論述分析可以得到如下結論：

1) 為避免大修期間粉塵等雜質對催化板的影響，建議在大修期間對催化板加保護罩進行保護；

2) 為了消除催化板初始溫度對試驗結果的影響，建議先通空氣預熱催化板5分鐘后，再通入氫氣混合氣；

3) 為了消除氫分析儀測量的氫氣濃度偏差，建議對試驗結果根據圖4曲線進行修正。

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Influencing Factors Analysis of Containment Hydrogen Removal System Catalytic Plate Test

SUN Chao，SHAO Hui-fu，DU Zheng-jian，WANG Jian-guo，LING Xue-hui

(Liao-ning Hong Yan He Nuclear power plant Limited company, Dalian of Liaoning Prov. 116001, China)

Based on the analysis of the nuclear power plant containment hydrogen removal system (EUH) passive autocatalytic recombiners catalytic plate efficiency test methods and catalytic plate characteristics,Confirm the factors that affect the efficiency of hydrogen removal efficiency of catalytic plate. And gives the corresponding measures for these effects factors.Test data during the overhaul period show that the measures given in this paper are very effective. These measures have reference significance for other nuclear power plants.

Containment Hydrogen Removal System；Passive Autocatalytic Recombiuers(PAR),；Catalytic Plate；Hydrogen Reduction Efficiency

2017-02-20

孫 超(1989—)，男，大慶人，工程師，學士，現從事核電廠性能試驗相關工作

TM623.7

A

0258-0918(2017)03-0509-05