CN110729065A - 一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，包括：(1)分析核电厂核岛厂房的含氢系统，按房间范围确定氢气爆炸性气体环境危险区域；(2)确定所述危险区域内氢气的释放源和释放等级；(3)进行氢气爆炸性气体环境危险区域的预划分；(4)进行通风条件分析，在所述预划分的基础上调整氢气爆炸性气体环境危险区域的划分结果；(5)根据爆炸性气体环境的持续时间，对氢气爆炸性气体环境危险区域的分区进行修正。本发明综合考虑了氢气释放源的释放速率、通风条件和持续时间等条件对氢气爆炸性气体环境分区的影响情况，简单科学，可操作性强。

Description

一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法
技术领域
本发明属于爆炸性气体环境分析技术，具体涉及一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法。
背景技术
“安全”是保障核电发展的生命线，核电的发展必须建立在安全的基础上，国内外核电站几十年来的运行经验表明：核电厂内部爆炸对核电站安全具有重大的潜在威胁，且爆炸发生的可能性贯穿于核电站的整个生命周期。据美国电力研究所(Electric PowerResearch Institute)统计，1991年至2008年期间，核电站内部火灾和爆炸发生的频率为0.14次/(堆年)，相对高发频度已不容忽视。并且，严重的内部爆炸事件可能引发核事故，历史上发生的许多重大的核事故都和内部可燃物爆炸密切相关。因此，内部爆炸已经成为核电站安全最直接的威胁之一。在此背景下，一些先进的核能大国相继开展了对核电厂内部可燃物泄漏导致的爆炸及其复杂成因、可能造成的严重后果的研究。
氢气系统作为核电厂气体系统的重要组成部分，对核电厂安全稳定运行起着至关重要的作用。同时，核电厂氢气系统在正常运行时散逸出来的氢气也是引发核电厂内部火灾和爆炸的主要原因之一，氢气的爆燃和爆炸可对核安全造成严重的威胁。2011年3月日本福岛核电站由于地震和海啸引发氢气爆炸导致核泄漏发生，造成了非常严重的后果。这一事故加强了核工业界对核电站中氢气安全和控制的重要性的认识。2012年国家能源局全面启动在运在建核电站应对超设计基准事故安全技术研发项目，开展对包括核电厂氢气的分布及控制等方面的研究，以促进提高核电安全性。
然而，我国关于核电厂氢气火灾和爆炸的研究起步较晚，现阶段仅针对严重事故下安全壳氢气浓度控制系统的分析评估形成相对完整的分析原则和方法，还没有针对国内核电站开展关于氢气的爆炸性气体环境分区和相关设备防爆方面的系统性研究。其他工业领域(如石油、化工、火电等)已有一些相应的爆炸性气体环境分析的方法，国标《爆炸性环境第14部分：场所分类爆炸性气体环境》(GB 3836.14-2014)也有关于爆炸性气体环境分区的相关概念，但是由于核电厂的环境特殊，需要考虑的现场条件更加复杂，且国标GB3836.14-2014中并没有给出可直接依照执行的氢气爆炸性气体环境分区的方法步骤，所以无法直接应用于核电氢气防爆领域，需要研究者进一步的完善相关氢气爆炸性气体环境分区方法并根据核电厂实际加以优化改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种对核电厂氢气爆炸性气体环境进行分区的分析方法，该方法综合考虑氢气释放源的释放速率、通风条件和持续时间等条件对氢气爆炸性气体环境分区的影响情况，简单科学，可操作性强。
本发明的技术方案如下：一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，包括如下步骤：
(1)分析核电厂核岛厂房的含氢系统，按房间范围确定氢气爆炸性气体环境危险区域；
(2)确定所述氢气爆炸性气体环境危险区域内氢气的释放源和释放等级；
(3)进行氢气爆炸性气体环境危险区域的预划分；
(4)进行通风条件分析，根据分析结果，在所述预划分的基础上调整氢气爆炸性气体环境危险区域的划分结果；
(5)根据爆炸性气体环境的持续时间，对氢气爆炸性气体环境危险区域的分区进行修正。
进一步，如上所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，步骤(1)中，通过梳理核岛厂房内氢气的用途及排疏路径，来确定氢气爆炸性气体环境危险区域。
进一步，如上所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，步骤(2)中所述的释放源指可释放出能形成爆炸性混合物的物质所在的部位或地点，核电厂中氢气的释放源包括含氢气设备、法兰、阀门、接头；释放源按可燃物质的释放频繁程度和持续时间长短分为连续释放源、一级释放源、二级释放源，其中，
连续级释放源为连续释放或预计长期释放的释放源；
一级释放源为在正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源；
二级释放源为在正常运行时，预计不可能释放，当出现释放时，仅是偶尔和短期释放的释放源。
进一步，如上所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，步骤(3)中所述的预划分是根据氢气释放源的等级，将存在连续级释放源的区域预划分为0区，存在一级释放源的区域预划分为1区，存在二级释放源的区域预划分为2区。
进一步，如上所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，步骤(4)中通风条件的分析从通风等级的评定和通风的有效性划分两方面加以考虑，通风等级的评定准则如下：
当假设体积VZ小于0.1m3或小于实际体积V0的1％时，为高级通风，认为危险区域的体积等于VZ；
如果假设体积VZ大于实际体积V0，为低级通风；
假设体积VZ位于上述两者之间的，为中级通风；
所述假设体积VZ的计算公式如下：
Figure BDA0002211435380000041
Figure BDA0002211435380000042
式中：
C--单位时间内新鲜空气置换(充入)的次数(s-1)；
dV0/dt--通过考虑中的体积的新鲜空气总的流速；
f--通风质量系数，取值范围从f＝1(理想状态)到5(空气流动受阻碍)之间；
V0--考虑在释放附近由实际通风提供的总体积(由工厂控制)，本发明根据工程实际考虑为释放源所在房间的体积；
Figure BDA0002211435380000043
(dV/dt)min--新鲜空气的最小体积流速(单位时间体积，m3/s)；
(dG/dt)max--释放源的最大释放速率(单位时间质量，kg/s)，氢气的最大释放速率(dG/dt)max按正常运行时氢气释放速率dG/dt的三倍计算，不包括由于灾难性事故引起破裂时的释放量；
LELm--爆炸下限(单位体积质量，kg/m3)，氢气的爆炸下限为4％的体积分数，也即0.0034kg/m3；
k--适用于爆炸下限的安全系数，其典型值为：
k＝0.25(连续级和1级释放)；
k＝0.5(2级释放)；
T--环境温度(K)。
进一步，通风的有效性划分为以下三个等级：
良好：通风连续存在；
一般：在正常运行时，预计通风存在，允许发生短时、不经常的不连续通风；
差：不能满足“良好”或“一般”标准的通风，但预计不会出现长时间的不连续通风。
进一步，如上所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，步骤(5)中，释放源停止释放后,要求平均浓度从初始值X0下降到k倍LELm的持续时间t的计算公式如下：
Figure BDA0002211435380000051
式中：
C--单位时间内新鲜空气置换(充入)的次数(s-1)；
f--通风质量系数，取值范围从f＝1(理想状态)到5(空气流动受阻碍)之间；
LELm--爆炸下限(单位体积质量，kg/m3)，氢气的爆炸下限为4％的体积分数，也即0.0034kg/m3；
k--适用于爆炸下限的安全系数，其典型值为：
k＝0.25(连续级和1级释放)；
k＝0.5(2级释放)；
X0--可燃性物质的初始浓度，在本发明中，认为泄漏的气体为纯氢气，X0取100％；
对于上述计算得出的房间存在爆炸性气体环境的持续时间t为数个小时的情况，不能降级为非爆炸性气体危险环境，维持原有区域划分；对于持续时间t较短(一般不超过1小时)的房间，则可降级为非爆炸性气体环境。
本发明的有益效果如下：本发明提供的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，能够结合核电厂的实际情况，从氢气释放源分析、通风条件的影响和持续时间计算等面综合考虑，评定核岛厂房的氢气爆炸性气体环境危险区域的类型。本发明为核电厂氢气爆炸风险的评估和控制奠定了基础，也为核电厂的防火防爆设计改进提供了重要参考。基于核电厂氢气爆炸性气体环境分区研究，也可以进一步开展其他危险气体的爆炸性气体环境分区和防爆设计研究工作，提高核电厂的内部爆炸防护设计水平，增加核电厂的安全性。同时，由于爆炸性气体环境分区可以有效区分需要设置防爆电气设备和非电气设备的区域，从总体上降低了设备成本，提高了经济性，并且明确了电气和非电气设备防爆类型，对设备采购有实际的操作意义。本发明方法操作简单，不需要复杂的建模即可快速得出分析结论。
附图说明
图1为本发明的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，流程如图1所示，包括的步骤如下：
(1)确定分析范围
氢气爆炸性气体环境危险区域分析范围应根据释放源的级别和位置、可燃物质的性质、通风条件、障碍物及生产条件、运行经验，经技术经济比较综合确定。根据核电站的实际情况，只需分析核电厂核岛厂房的含氢系统，且考虑按照房间范围来划分氢气相关的爆炸性气体环境危险区域。
核电厂核岛厂房内布置的含氢设备、法兰、阀门、接头等含氢位置处有可能发生氢气泄漏并集聚形成爆炸性气体环境，因此可通过梳理核岛厂房内氢气的用途及排疏路径，来确定氢气爆炸性气体环境危险区域。
(2)氢气泄漏点释放源等级划分
确定氢气爆炸危险区域类型的基础工作是鉴别氢气的释放源和确定释放等级。释放源指可释放出能形成爆炸性混合物的物质所在的部位或地点，核电厂中氢气的释放源主要包括含氢气设备、法兰、阀门、接头等。含氢气的焊接管道等由于其不向大气释放，因而不视为释放源。
释放源应按可燃物质的释放频繁程度和持续时间长短分为连续释放源、一级释放源、二级释放源。释放源分级应符合下列规定：
a)连续级释放源应为连续释放或预计长期释放的释放源。下列情况可划为连续级释放源：
-没有用惰性气体覆盖的固定顶盖储罐中的可燃液体的表面；
-油、水分离器等直接与空气接触的可燃液体的表面；
-经常或长期向空间释放可燃气体或可燃液体的蒸气排气孔和其他孔口。
b)一级释放源应为在正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源。
下列情况可划为一级释放源：
-在正常运行时，会释放可燃物质的压缩机和阀门等的密封处；
-贮有可燃液体的容器上的排水口处，在正常运行中，当水排掉时，该处可能会向空间释放可燃物质；
-正常运行时，会向空间释放可燃物质的取样点；
-正常运行时，会向空间释放可燃物质的泄压阀、排气口和其他孔口。
c)二级释放源应为在正常运行时，预计不可能释放，当出现释放时，仅是偶尔和短期释放的释放源。下列情况可划为二级释放源：
-正常运行时，不能出现释放可燃物质的泵、压缩机和阀门的密封处；
-正常运行时，不能释放可燃物质的法兰、连接件和管道接头；
-正常运行时，不能向空间释放可燃物质的安全阀、排气孔和其他孔口处；
-正常运行时，不能向空间释放可燃物质的取样点。
在以上关于一级释放源及二级释放源的定义中，均规定为正常运行时的释放情景。
根据核电厂核岛厂房旱情系统的工艺特点及相关设备的泄漏率，一般可将含氢设备、法兰和阀门等划分为二级释放源。本发明的方法在分析过程中假设泄漏的气体只有氢气，不考虑氮气等惰性气体，比实际情况更为保守。
(3)氢气爆炸性气体环境危险区域的预划分
爆炸危险区域的划分应按释放源级别和通风条件确定。存在连续级释放源的区域可预划分为0区，存在一级释放源的区域可预划分为1区，存在二级释放源的区域可预划分为2区，在此基础上，应根据通风条件的分析调整相关爆炸危险区域的划分结果。
(4)通风条件的分析
释放到大气中的可燃性气体或蒸气可通过逸散或扩散的方式在空气中被稀释，直到其浓度低于爆炸下限为止，氢气也不例外。通风，即空气流动，能够使新鲜空气置换释放源周围的大气以促进可燃性气体逸散。通风速率适当，也能避免爆炸性气体环境的持久性，影响爆炸危险区域划分。
控制氢气爆炸性气体环境扩散和持续时间的通风效果取决于通风等级、通风的有效性以及通风系统的设计。通风虽然不能有效防止爆炸性环境形成，但能避免爆炸性环境持续较长时间。
通风条件的分析应从通风等级的评定和通风的有效性划分两方面加以考虑。
通风等级分为高级通风、中级通风、低级通风三种类型。判定通风等级，需要计算出每个释放源处的假设体积VZ，根据VZ与实际体积V0的关系，即可评定通风等级。具体的评定准则如下：
a)当VZ小于0.1m3或小于V0的1％时，为高级通风(VH)，认为危险区域的体积等于VZ；
b)如果VZ大于V0，为低级通风(VL)；
c)VZ位于上述两者之间的，为中级通风(VM)。
假设体积VZ在通风等级的评定中具有至关重要的作用，根据安全系数k的值，VZ代表超过爆炸下限(LELm)的0.25倍或0.5倍的可燃性气体或蒸气的平均浓度的体积。为了确定假设体积VZ，需要先确定稀释给定的可燃性物质的释放达到低于爆炸下限规定浓度的新鲜空气的最小体积流速(dV/dt)min，该参数可通过下式计算出：
Figure BDA0002211435380000091
式中：
(dV/dt)min--新鲜空气的最小体积流速(单位时间体积，m3/s)；
(dG/dt)max--释放源的最大释放速率(单位时间质量，kg/s)，氢气的最大释放速率(dG/dt)max按正常运行时氢气释放速率dG/dt的三倍计算，不包括由于灾难性事故引起破裂时的释放量；
LELm--爆炸下限(单位体积质量，kg/m3)，氢气的爆炸下限为4％的体积分数，也即0.0034kg/m3；
k--适用于爆炸下限的安全系数，其典型值为：
k＝0.25(连续级和1级释放)；
k＝0.5(2级释放)；
T--环境温度(K)。
假设体积VZ与释放源所在房间的通风换气次数C成反比例关系，且因空气流动时产生的阻力可能造成场所部分区域通风不良，造成VZ增大，所以在计算VZ时还需引入通风质量系数f进行校正，具体的计算公式如下：
Figure BDA0002211435380000101
Figure BDA0002211435380000102
式中：
C--单位时间内新鲜空气置换(充入)的次数(s-1)；
dV0/dt--通过考虑中的体积的新鲜空气总的流速；
f--通风质量系数，取值范围从f＝1(理想状态)到5(空气流动受阻碍)之间。
V0--考虑在释放附近由实际通风提供的总体积(由工厂控制)，本发明根据工程实际考虑为释放源所在房间的体积。
通风的有效性也影响着爆炸性气体环境的存在或形成，有效的通风可以降低室内场所的爆炸危险等级。因此，当确定区域类型时，还需要考虑通风的有效性。
通风有效应划分成以下三个等级：
--良好：通风连续存在；
--一般：在正常运行时，预计通风存在。允许发生短时、不经常的不连续通风；
--差：不能满足“良好”或“一般”标准的通风，但预计不会出现长时间的不连续通风。
根据上述定义，核电厂设有独立通风系统的房间中，均认为符合通风良好的条件。
(5)调整氢气爆炸性气体环境危险区域的划分
由于有效的通风可以降低室内场所的爆炸危险等级，在氢气爆炸性气体环境危险区域的预划分的基础上，通过通风条件的分析，可以对区域的划分进行调整，本实施例中根据表1进行释放源所在房间的爆炸性气体环境危险区域的划分。
表1：独立通风对区域类型的影响
Figure BDA0002211435380000111
(6)氢气爆炸性气体环境分区的修正
爆炸性气体环境的持续时间对危险区域的划分有重要影响。对出现爆炸性气体环境，仅是短时间存在的场所，能降级为非爆炸性气体危险环境，持续时间较长的区域则不能降级。因此，对于计算得出房间存在爆炸性气体环境的持续时间为数个小时的情况，不能降级为非爆炸性气体危险环境，维持原有区域划分；对于持续时间较短(一般不超过1小时)的房间，则可降级为非爆炸性气体环境。
释放源停止释放后,要求平均浓度从初始值X0下降到k倍LELm的持续时间t的计算公式如下：
式中：
X0——可燃性物质的初始浓度，在本发明中，认为泄漏的气体为纯氢气，X0取100％。
下面通过一个具体实施例来描述本发明的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法。
(1)确定分析范围
某核电工程中，布置于核岛厂房外的氢气站所提供的氢气被注入到化学和容积控制系统(RCV)的容控箱发挥化学控制作用后，经核岛疏水排气系统(RVD)、硼回收系统(ZBR)以及废气处理系统(ZGT)等工艺系统处理，并经核取样系统(RNS)监控检测后，以远低于爆炸下限的安全浓度排入核辅助厂房通风系统(VNA)。按照以上氢气用途及疏排路径，正常运行情况下，该工程核岛厂房中有氢气泄漏和爆炸风险，需要进一步进行爆炸性气体环境分析的房间主要是位于核辅助厂房(NX)、核燃料厂房(KX)和反应堆厂房(RX)的部分房间。
(2)氢气泄漏点释放源等级划分
根据该工程化学和容积控制系统(RCV)、核岛疏水排气系统(RVD)、硼回收系统(ZBR)以及废气处理系统(ZGT)的工艺特点及相关设备的泄漏率，这些房间内含氢设备、法兰和阀门等均划分为二级释放源。
(3)氢气爆炸性气体环境危险区域的预划分
存在二级释放源的房间预划分为氢气爆炸性气体环境2区。
(4)通风条件的分析
以其中NX厂房的N212房间为例，该房间为管廊，布置有RCV系统的多个管道、阀门和取样口，该房间内的氢气释放源的释放速率及释放源等级划分情况见表2，由该表可计算出，该房间内正常运行时氢气的最大释放速率(dG/dt)max为4.97E-10kg/s。
表2某核电厂N212房间正常运行时氢气释放源、释放源等级及释放速率
通过查阅NX厂房的通风系统手册，可知该房间的通风换气次数为15.4次/h，通风质量系数为1，环境温度为298.15K，根据公式(1)，即可计算出该房间内新鲜空气最小体积流速(dV/dt)min为3.01E-07m3/s。在此基础上，根据公式(2)可以计算出氢气释放的假设体积VZ为6.98E-05m3，远小于0.1m3和该房间体积V0的1％，根据判断准则，该房间的通风等级为高级通风，通风有效性为良好。
(5)氢气爆炸性气体环境的划分
根据表1的分析方法，该房间释放源等级为2级、通风等级为高级通风、通风有效性为良好，可知该房间应划分为爆炸性气体环境2区。
(6)氢气爆炸性气体环境分区的修正
根据持续时间计算公式(4)，可算得该房间内氢气扩散的持续时间t为0.25h。因为持续时间小于1h，根据“氢气爆炸性气体环境分区的修正”的分析方法，该房间应修正为非爆炸性气体环境。
根据上述分析方法，目标核电厂核岛厂房内含氢设备、阀门、法兰等所在的房间中，根据释放源等级和通风条件分析，且经持续时间的计算结果修正后划分为爆炸性气体环境2区的房间共计24个。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，包括如下步骤：
(1)分析核电厂核岛厂房的含氢系统，按房间范围确定氢气爆炸性气体环境危险区域；
(2)确定所述氢气爆炸性气体环境危险区域内氢气的释放源和释放等级；
(3)进行氢气爆炸性气体环境危险区域的预划分；
(4)进行通风条件分析，根据分析结果，在所述预划分的基础上调整氢气爆炸性气体环境危险区域的划分结果；
(5)根据爆炸性气体环境的持续时间，对氢气爆炸性气体环境危险区域的分区进行修正。
2.如权利要求1所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，其特征在于：步骤(1)中，通过梳理核岛厂房内氢气的用途及排疏路径，来确定氢气爆炸性气体环境危险区域。
3.如权利要求1所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，其特征在于：步骤(2)中所述的释放源指可释放出能形成爆炸性混合物的物质所在的部位或地点，核电厂中氢气的释放源包括含氢气设备、法兰、阀门、接头；释放源按可燃物质的释放频繁程度和持续时间长短分为连续释放源、一级释放源、二级释放源，其中，
连续级释放源为连续释放或预计长期释放的释放源；
一级释放源为在正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源；
二级释放源为在正常运行时，预计不可能释放，当出现释放时，仅是偶尔和短期释放的释放源。
4.如权利要求3所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，其特征在于：步骤(3)中所述的预划分是根据氢气释放源的等级，将存在连续级释放源的区域预划分为0区，存在一级释放源的区域预划分为1区，存在二级释放源的区域预划分为2区。
5.如权利要求1所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，其特征在于：步骤(4)中通风条件的分析从通风等级的评定和通风的有效性划分两方面加以考虑，通风等级的评定准则如下：
当假设体积VZ小于0.1m3或小于实际体积V0的1％时，为高级通风，认为危险区域的体积等于VZ；
如果假设体积VZ大于实际体积V0，为低级通风；
假设体积VZ位于上述两者之间的，为中级通风；
所述假设体积VZ的计算公式如下：
Figure FDA0002211435370000021
Figure FDA0002211435370000022
式中：
C--单位时间内新鲜空气置换的次数；
dV0/dt--通过考虑中的体积的新鲜空气总的流速；
f--通风质量系数；
V0--考虑在释放附近由实际通风提供的总体积；
Figure FDA0002211435370000023
(dV/dt)min--新鲜空气的最小体积流速；
(dG/dt)max--释放源的最大释放速率；
LELm--爆炸下限；
k--适用于爆炸下限的安全系数；
T--环境温度。
6.如权利要求5所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，其特征在于：通风的有效性划分为以下三个等级：
良好：通风连续存在；
一般：在正常运行时，预计通风存在，允许发生短时、不经常的不连续通风；
差：不能满足“良好”或“一般”标准的通风，但预计不会出现长时间的不连续通风。
7.如权利要求1所述的核电厂氢气爆炸性气体环境分区方法，其特征在于：步骤(5)中，释放源停止释放后,要求平均浓度从初始值X0下降到k倍LELm的持续时间t的计算公式如下：
Figure FDA0002211435370000031
式中：
C--单位时间内新鲜空气置换的次数；
f--通风质量系数；
LELm--爆炸下限；
k--适用于爆炸下限的安全系数；
X0--可燃性物质的初始浓度；
对于上述计算得出的房间存在爆炸性气体环境的持续时间t为数个小时的情况，不能降级为非爆炸性气体危险环境，维持原有区域划分；对于持续时间t不超过1小时的房间，则可降级为非爆炸性气体环境。
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