工业效用效率

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。

黎明时分的奥科尼核电站

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冷凝液的流量以及热交换器中的液位。许多监控流量、液位、压力和温度的仪表都采用仪表空气质量压缩空气(仪表空气)来传输信息。流量和液位控制通过气动阀(AOV)的节流操作完成。AOV需要仪表空气:清洁干燥的压缩空气。通常,仪表空气系统上产生的负载相对恒定。高质量的空气可防止仪表、控制装置和AOV上的小端口被碎屑、水分或油堵塞,从而妨碍支持高效发电的设备的正常运行。

双赢

卡努

CANUG(压缩空气核用户组)成立于1988年,目的是在为核电厂服务的压缩空气系统工程师之间交换信息。80个成员国都认为有必要提高压缩空气系统的可靠性、可用性并降低其成本,这些系统为阀门、仪表和其他部件提供服务,这些部件利用压缩空气控制核能向电力的转换。
http://www.aovusersgroup.com/canug.html

如前所述,核能是由铀235的裂变产生的。裂变过程以及裂变产生的裂变产物都会产生辐射。核电厂的安全和正确运行确保了核燃料和裂变产物将包含在可接受的配置中,从而不会对电厂操作员或公众造成伤害。在一些核电厂,需要仪表空气,以协助在紧急情况下安全关闭核电厂,确保保持放射性污染物释放的屏障。然而,在大多数核电厂中,执行这些功能不需要仪表空气,因为执行这些功能所需的所有部件要么不使用压缩空气,要么气控部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。

奥科尼核电站的仪表空气

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,这些数据涉及核电厂因仪表空气质量差和可靠性差而出现的问题。NRC发布了通用信函88-14(影响安全相关设备的仪表空气供应系统问题)。本报告引用了NUREG-1275第2卷“运行经验反馈报告空气系统问题”,其中指出“由于仪表空气系统的设计、安装和维护不充分,气动安全相关部件的性能可能与其预期安全功能不符。”

除通用信函88-14(4)外,核电运行研究所(INPO)发布了补充运行经验报告(SOER)88-1(仪表空气系统故障),以解决由劣质仪表空气(IA)引发的系统故障。†当时指出,“仪表空气故障导致的系统故障的发生率表明有必要更加关注仪表空气系统。”†(5)

使用仪表空气解决问题

国家统计局和其他核工业部门都解决了这些问题。在ONS,安装了一台额外的空气压缩机;Sullair 32/25 400,一台2200 cfm的油浸式双腔旋转螺杆压缩机。在新压缩机下游并联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(每个干燥器的额定功率为1400 scfm)。该配置现在是仪表空气的主要来源,每年运行约340天,每个季度停止使用以进行预防性维护。沃辛顿压缩机已成为备用空气源,配套的制冷剂干燥器已被两台并联安装的750 scfm无热撒哈拉干燥剂干燥器所取代。这种装置运行良好,提供了更可靠的干燥、清洁压缩空气源(6)。

奥科尼核电站具有独特的仪表空气系统配置,使用油浸式压缩机,并为所有三个核机组提供一个中央气源。大多数核工业使用无油压缩机;旋转螺丝或离心机。他们的大多数系统配置为每个核装置都有自己的气源。尽管每个装置都有自己的气源,但大多数场所都有装置仪表气源之间的交叉连接。除紧急情况外,交叉连接保持隔离,以确保一个空气系统上的问题不会影响多台机组的运行。

CANUG 2009年会议在迪士尼当代度假区举行,以压缩空气挑战训练为特色。培训师是比尔·斯凯尔斯和汤姆·塔兰托。

新核电厂仪表空气规范

新的核电站即将建成。这些将作为模块化单元建造或提供。将只有几个设计可供选择,因此,工厂将是相同的。通过这种方式进行设计和建造,将更具成本效益,更容易获得电力运营许可。当首次提出类似电厂的概念时,压缩空气核用户集团(CANUG)将其视为一项挑战。挑战在于为电厂设计人员提供理想的仪表空气系统配置,该配置不仅可靠,而且具有成本效益和灵活性。目前CANUG的每个成员都有一个仪表空气系统,该系统有一些缺点,这是一个向未来工厂设计师提供输入的机会,消除了这些缺点。

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。

压缩机的尺寸应能承载约75%的负载,以适应系统动态的增长或变化。其吸入源应位于不受高温、污染源或高湿度空气影响的区域。压缩机控制装置应确保一个控制器上的故障不会影响其他两个压缩机的性能。

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。

应安装湿式和干式接收器。湿接收器为干燥器清洗提供了喘振量,也为收集和冷凝压缩空气中的水分提供了另一个机会。干式接收器可防止仪表空气集管突然波动时干燥器的额定值过高,并可防止蓄能器容量过高,以支持下游部件的运行。

CANUG还考虑安装双并联前置过滤器和后置过滤器,以增加可靠性。这允许在不使整个列车停止运行的情况下,将过滤器从运行中移除。

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

可以指出,核工业是独一无二的:为了安全使用核能,核工业需要共同努力。尽管在售电和配电领域可能存在竞争,但核电站之间存在着巨大的合作,为了行业利益,共享“运行经验、问题和解决方案”。

欲了解更多信息,请联系奥科尼核电站的Bill Eister,杜克能源公司,电话:864-885-4572,电子邮件:wmeister@duke-能源网

参考资料:

  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. 核管理委员会发电厂:http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-pwr.html
  3. 在反应堆中,辐射以几种方式被捕获和控制:http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/radiation.html
  4. NRC通用信函:http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/gen-comm/gen-letters/1988/gl88014.html
  5. 核电运行研究所: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