工业实用效率

核电厂空气仪表

介绍

核电站为人民、商业和工业提供电力。电力的生产方式与化石燃料(如煤、石油等)发电厂类似,利用蒸汽驱动涡轮机旋转发电机,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,而不是化石燃料的燃烧。一旦从蒸汽中除去能量,剩余的能量要么用于预热凝结水(液态水),用于制造更多的蒸汽,要么用于冷凝器热交换器。在冷凝器中,蒸汽凝结成液体,能量通过冷却水从湖泊、海洋、河流或通过冷却塔进入大气。一旦剩余能量被除去,蒸汽成为液体冷凝物,液体冷凝物在蒸汽发生器中再加热,产生高能蒸汽供汽轮机(1)(2)使用。

黎明时分的奥科尼核电站

用于测量和安全的仪表空气

为了以最有效的方式发电,必须监控和控制蒸汽和冷凝液的流动,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需要仪表空气:清洁、干燥、压缩空气。通常情况下,仪表空气系统的负载是相对恒定的。高质量的空气可以防止仪器、控制器和AOV上的小端口被杂物、湿气或油堵塞,从而阻止支持高效发电的设备的正常运行。

双赢

CANUG

CANUG(压缩空气核用户组)成立于1988年,目的是在为核电站服务的压缩空气系统工程师之间交换信息。80个成员共同认为,必须改进压缩空气系统的可靠性、可用性和降低其成本,这些系统为利用压缩空气控制核能转化为电力的阀门、仪器和其他部件提供服务。
http://www.aovusersgroup.com/canug.html

如上所述,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。核电站的安全和适当运作确保核燃料和裂变产物将被包含在可接受的配置中,从而不会对核电站操作员或一般公众造成伤害。在一些核电站,仪表空气被要求在紧急情况下协助安全关闭核电站,确保防止放射性污染排放的屏障保持不变。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)。

在所有工业设施,压缩空气也用于补充用途,如操作空气驱动工具和泵。这通常被称为服务空气,与仪表空气系统是分开的。服务空气系统可作为仪表空气的后备。

奥科尼核电站的空气仪表

Oconee核电站的原始仪表空气系统配置包括3台沃辛顿往复式压缩机(hbb14x13,每台489 cfm),并支持制冷剂干燥器。在初始启动和运行期间,Oconee的仪表空气系统通常有两个运行中的压缩机,一个处于备用状态,支持机组的1和2个空气操作阀门和仪表的操作,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,使用两台Sullair旋转螺杆压缩机(150系列)来支持工具和污水喷射器。

服务空气系统作为备份连接到仪表空气系统。事实证明,这既有利又有问题。沃辛顿的高维护和服务空气经常被用来补充仪表空气。由于服务空气系统由油浸压缩机支持,仪器空气系统经常被油污染,导致操作问题。通过在服务空气到仪表空气交叉处安装Deltech变色过滤器,油问题得到了解决。

到80年代中期,核监管委员会(NRC)收集了有关核电站经历的问题,这些核电厂造成的核电站造成的损耗和可靠性差。NRC发布通用字母88-14(仪器供气系统问题影响安全相关设备)。本报告称为NUREG-1275,第2卷“操作经验反馈报告 - 空气系统问题”表示“空气操作的安全相关组件的性能可能不符合其预期的安全功能,因为设计不足,安装和维护仪器空气系统。“

除了通用函件88-14(4)外,核电操作研究所(INPO)发布了补充操作经验报告(SOER)88-1(仪器空气系统故障),写入以解决穷人发起的系统故障质量仪器空气(IA)。†当时注意到,“由仪器空气故障引起的系统故障以指示仪器空气系统更加注重仪器空气系统的速度。”†(5)

解决仪表空气问题

ONS以及其他核工业的其他人解决了这些问题。在ONS时,安装了额外的空气压缩机;Sullair 32/25 400,A 2200 CFM泛滥串联旋转螺杆压缩机。双级两级预过滤器和两个撒哈拉无磁性干燥剂干燥器(每个额定额定电压为1400 SCFM)安装在新型压缩机的下游。这种配置,现在是乐器空气的主要来源,每年约340天运营,每季度脱离服务,以进行预防性维护。沃辛顿压缩机已成为空气的备用源,配套制冷剂干燥器被两台平行安装的两种750 SCFM无丝无丝毫撒哈拉干燥剂替换。这种安排工作得很好,提供更可靠的干燥,清洁压缩空气(6)。

OConee核站是独一无二的,其仪器空气系统配置,采用了石油淹水压缩机,以及为所有三个核单位具有一个中心源源。大多数核工业使用无油压缩机;旋转螺钉或离心机。他们的大多数系统被配置为使得每个核电装置具有自己的空气来源。虽然每个单位都有自己的来源,但大多数网站都有交叉连接在单位的仪器空气供应之间。除紧急情况期间,交叉连接被保留隔离,确保一个空气系统上的问题不影响多个单元的操作。

CANUG 2009年会议在迪士尼当代度假村举行,并以压缩空气挑战训练为特色。教练是比尔·斯卡尔斯和汤姆·塔兰托。

新核电站仪表空气规范

新的核电站即将建成。这些将被建造或提供作为模块单元。只有几个设计可供选择,因此,植物将是相同的。通过这样设计和建造它们,将更有成本效益,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,压缩空气核用户集团(CANUG)接受了它作为一个挑战。目前的挑战是为电厂设计人员提供一种理想的仪表空气系统配置,不仅可靠,而且具有成本效益和灵活性。目前每个CANUG成员都有一个仪表空气系统,它有一些缺点,这是一个为未来的工厂设计师提供输入的机会,消除这些缺点。

深度防护的三个

关于理想仪表空气系统,CANUG要求3个纵深防御。这将允许一个仪表空气列车在维护,而其他两个配置在运行和待机。每一个三列应包括一个压缩机和相关的内部/后冷却器(s),湿接收器,预过滤/除雾器,干燥剂干燥器和后过滤。为了提高灵活性,组件列车应该具有交叉连接的能力,以及与外部空气源系统的连接能力。干燥接收器应在过滤器的出口处使用,并根据需要在仪表空气系统的远端使用。

应尺寸压缩机尺寸以携带大约75%的负载,以允许系统动态的生长或变化。它们的吸入来源应在不受高温,污染源或高度保湿空气的区域。压缩机控制应该使得一个控制器的故障不会影响其他两个压缩机的能力。

压缩机和烘干机之间的管道应采用不锈钢,以减少高度湿润空气的腐蚀影响。这也将最大限度地减少该地区其他工业排放的其他大气污染物所带来的腐蚀。同样,湿式接收器应该是不锈钢或涂层,以防止腐蚀。

预过滤器应该是由自动疏水阀支持的高质量聚合过滤器。根据所使用的压缩机类型和压缩机吸入区域预期的污染物,还应使用“除雾器”。

疏水阀(支持后冷却器/中冷却器水分分离器,湿式接收器,和预过滤器)应该是“零损失”疏水阀,至少3/8”端口,以防止堵塞。每一个排水疏水阀都应该有自己独特的排水口排放到污水坑。它们也应该由旁路管线和阀门支撑,这样既能将疏水阀从维修现场拆卸下来,又能使所支撑的部件保持在维修状态。

CANUG讨论了用于该系统的干燥剂空气干燥器的类型,确定了一种无热干燥剂干燥器。其原因是一个更简单的设计和操作比内部加热或鼓风机吹扫干燥器。我们知道,从长远来看,这样做的成本更高,但我们考虑的是可靠性高于成本。这还有待商榷。

应安装湿和干接收器。湿式接收器为干燥器净化提供浪涌量以及另一个收集和冷凝压缩空气中水分的另一机会。干接收器防止在仪器空气头部的突然浪涌以及蓄能器容积上进行速度升温,以支撑下游部件的操作。

CANUG还考虑安装双平行预过滤器和后过滤器,以增加可靠性边际。这允许从服务中移除一个过滤器,而不需要使整个列车退出服务。

除了与设备一起安装的监视器外,还需要额外的监测功能,以观察仪表空气系统的健康状况。露点监视器应该安装在每个空气干燥器的出口,如果他们不作为空气干燥器包的一部分。此外,整个系统还应设有采样龙头,以便定期监测空气质量;每个预过滤/除雾器(油和碳氢化合物)和干燥器后过滤(颗粒和水分)的下游,以及整个系统的战略位置。水分可以通过泄漏进入仪表空气系统,因此在后滤器下游位置定期监测水分可能是有利的(菲克定律)。在关键位置应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。气流指示上游的干燥器将提供输入的清洗正在使用的干燥器。这将是很好的增加能力,以测量电量(千瓦,安培)正在被压缩机。这可以为压缩机的效率以及流量指示的二次检查提供有价值的见解。

系统的改进

自从NRC的通用信函88-14和INPO的SOER 88-1发布和回应以来,空气质量并不是一个大问题,除了确保我们继续履行我们过去所做的承诺。但是,仪表空气系统的可靠性仍然是一个挑战。核动力业务研究所提供了整个核工业经历的问题的操作经验数据库,定期审查其适用性。核电站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。不需要像通用函88-14和SOER 88-1那样作出正式答复,但每一核设施都有责任认真考虑数据库中所列的适用事件、原因和解决办法,使类似事件不会在其各自场址发生;“运营经验;要么听从,要么接受。”

预防性维护指南

在90年代中期,核工业指出,使用核能生产电力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。仪器空气系统组件被选为EPRI PMIR(预防性维修信息库)研究和开发的一部分。一些核工业人员和压缩空气工业代表参与了本指南的编写。由于这一努力,加上之前收集的信息涉及仪表空气系统工程师在整个核工业,EPRI生产了压缩空气系统维护指南(TR-1006677)。这是一个极好的资源,以发展预防性维护计划和发展一个全面的了解仪表空气系统。EPRI PMIR模板在整个核工业中作为开发预防性维护程序的基准工具使用。

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。虽然在电力销售和分配领域可能存在竞争,但核设施之间存在巨大的合作,分享“运行经验;问题和解决方案”为了行业的利益。

如需更多信息,请联系Bill Eister, Oconee Nuclear Station,杜克能源公司,电话:864-885-4572,电邮:wmeister@duke-energy.com

参考:

  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. 核监管委员会动画电厂:http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-pwr.html.
  3. 在反应堆中,辐射被捕获并以几种方式包含:http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/radiation.html
  4. NRC通用字母: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号通则和第88-14号通则(nuregg -1837)法规效力评估:http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/nuregs/staff/sr1837/
  7. 核工业支援小组:http://www.nucleartourist.com/basics/inpo.htm