利用空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備氮?dú)獾目尚行匝芯?/h1>
2021-11-30 07:39魯陳林黃照焦胡楊
科學(xué)與信息化 2021年28期
魯陳林 黃照 焦胡楊
中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840
引言
目前我國(guó)核電廠(chǎng)的氮?dú)夤?yīng)主要來(lái)自于外購(gòu)液氮儲(chǔ)存在液氮罐中，當(dāng)要使用氮?dú)鈺r(shí)，液氮經(jīng)汽化器汽化減壓后送到用戶(hù)。雖然儲(chǔ)存液氮汽化能夠解決核電廠(chǎng)氮?dú)庑枨蟮膯?wèn)題，但是卻存在以下幾個(gè)問(wèn)題，一是需要單獨(dú)建立子項(xiàng)，占用大量廠(chǎng)區(qū)面積；二是需要外購(gòu)液氮進(jìn)行儲(chǔ)存，由于液氮溫度極低，在向液氮儲(chǔ)罐充灌過(guò)程中極易導(dǎo)致操作人員凍傷，帶來(lái)安全隱患。三是配套建設(shè)的液氮?dú)饣O(shè)備使用率不高，并且需要外購(gòu)液氮，靈活性及經(jīng)濟(jì)性不高。隨著核電廠(chǎng)越來(lái)越多的參與電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻，目前核電廠(chǎng)的一些運(yùn)行矛盾已逐漸暴露：一是核電廠(chǎng)不能滿(mǎn)功率運(yùn)行的情況下，怎樣合理的利用核電廠(chǎng)的現(xiàn)有設(shè)備提高利用率，降低設(shè)備的折舊成本；二是利用核電廠(chǎng)自身設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的；三是降低核電廠(chǎng)的建造成本和運(yùn)營(yíng)成本。目前的外購(gòu)液氮進(jìn)行儲(chǔ)存汽化供氮的方式已不能滿(mǎn)足核電廠(chǎng)調(diào)峰調(diào)頻下核電廠(chǎng)一機(jī)多用，使用靈活安全可靠的要求，因此尋找新的供氮方式勢(shì)在必行。為解決這一突出問(wèn)題，本文以某鈉冷快堆為例，結(jié)合核電廠(chǎng)空壓機(jī)的使用負(fù)荷情況及制取氮?dú)獾陌l(fā)展趨勢(shì)，利用核電廠(chǎng)空壓機(jī)的閑置產(chǎn)能制備氮?dú)膺M(jìn)行研究，研究表明利用空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備氮?dú)馐且环N使用靈活、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好的氮?dú)庵迫》绞?，提高空壓機(jī)的利用率，可有效降低核電廠(chǎng)的建造及運(yùn)行成本。
1 變壓吸附制氮原理
變壓吸附（PSA）制氮是以空氣作為原料，在吸附塔中裝上吸附劑碳分子篩，利用碳分子篩對(duì)空氣中的氮?dú)?、氧氣及其他氣體的不同吸附性來(lái)篩選氣體進(jìn)行收集，進(jìn)而得到純度為98.0000%~99.9995%的氮?dú)鈁1]。碳分子篩作為吸附劑，對(duì)氧氣、氮?dú)獾葰怏w的吸附性不同，通過(guò)增壓可提高碳分子篩對(duì)氧氣的吸附作用，通過(guò)降壓可降低對(duì)氧氣的吸附作用，進(jìn)而對(duì)氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行分離，其原理圖如圖1所示。
圖1 PSA制氮碳分子篩分離原理圖
通過(guò)對(duì)吸附壓力進(jìn)行控制，進(jìn)而從空氣中分離出氮?dú)?，氮?dú)獾募兌扰c氮?dú)猱a(chǎn)量成反比關(guān)系，氮?dú)獾漠a(chǎn)量越大，純度越低[2]。由于變壓吸附（PSA）制氮穩(wěn)定性好，不需單獨(dú)建立子項(xiàng)占用大量廠(chǎng)區(qū)用地，不需要外購(gòu)液氮，節(jié)省大量液氮采購(gòu)成本及后期液氮的交通運(yùn)輸成本。不考慮液氮儲(chǔ)存時(shí)的蒸發(fā)因素，制氮設(shè)備無(wú)須專(zhuān)人值守，日常維護(hù)檢修方便，降低了人力成本，能夠連續(xù)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)量調(diào)節(jié)靈活，使用方便，因此可在核電廠(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。
2 空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備氮?dú)夤に嚵鞒?/h2>
利用空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備氮?dú)獾墓に嚵鞒倘鐖D2所示?？諌簷C(jī)的配置：四臺(tái)無(wú)油、水冷、箱式螺桿式空氣壓縮機(jī)組，排氣量≥35Nm3/min，進(jìn)氣壓力1005.3~1022.3hPa；排氣壓力0.9MPa，排氣溫度≤42℃。冷干機(jī)的處理氣量與空壓機(jī)排氣相匹配，空壓機(jī)排氣量可調(diào)節(jié)[3]。由于空壓機(jī)的負(fù)荷根據(jù)核電廠(chǎng)的功率情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可監(jiān)測(cè)空壓機(jī)的負(fù)荷因子判斷空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，對(duì)于核電廠(chǎng)未滿(mǎn)功率運(yùn)行的情況下，部分壓縮空氣輸送給其他用戶(hù)，制氮設(shè)備所需壓縮空氣通過(guò)空壓機(jī)出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入冷干機(jī)，再通過(guò)過(guò)濾器除去空氣中的水分、油、顆粒等雜質(zhì)，進(jìn)而把干凈的壓縮空氣送到吸附塔中進(jìn)行吸附。通過(guò)調(diào)節(jié)吸附塔中空氣的壓力，運(yùn)用碳分子篩對(duì)氧分子進(jìn)行吸附，沒(méi)有被吸附的氮?dú)鈩t通過(guò)另一側(cè)進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐中。當(dāng)一側(cè)的吸附塔吸附完成后，為使兩側(cè)的吸附壓力維持平衡，則需要兩臺(tái)吸附塔的上下均壓閥完成均壓，使壓縮空氣進(jìn)入另外一個(gè)吸附塔進(jìn)行吸附，同時(shí)吸附氧氣并把未被吸附的氮?dú)馑偷降獨(dú)鈨?chǔ)存罐中，并在此過(guò)程中之前的吸附塔需要進(jìn)行降壓進(jìn)行解吸，如此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行氮?dú)獾氖占?chǔ)存。氮?dú)馐占?，?yīng)用在線(xiàn)氮?dú)夥治鰞x進(jìn)行純度分析，當(dāng)純度達(dá)不到使用要求時(shí)需排除制備的氮?dú)?，直到制備的氮?dú)膺_(dá)到所要求的氮?dú)馐褂靡髸r(shí)分別在低壓氮?dú)鈨?chǔ)罐和高壓氮?dú)鈨?chǔ)罐中進(jìn)行儲(chǔ)存和使用，以滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。
圖2 空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備氮?dú)獾墓に嚵鞒?/p>
在某鈉冷快堆的氮?dú)庥脩?hù)中，氮?dú)庀到y(tǒng)的主要功能是抑制鈉火，作為滅火劑噴灑的驅(qū)動(dòng)力；停堆期間，對(duì)蒸汽發(fā)生器充入氮?dú)獗ｐB(yǎng)，鈉水事故期間，對(duì)蒸汽發(fā)生器充入氮?dú)獗Ｗo(hù)；維持某些設(shè)備或房間的惰性氣體，吹掃氮?dú)獗O(jiān)測(cè)支路，降低放射性本底水平等多種功能，氮?dú)庀到y(tǒng)對(duì)核電廠(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此氮?dú)獾闹苽渑c儲(chǔ)存在整個(gè)核電廠(chǎng)的壽期內(nèi)顯得尤為重要。各個(gè)氮?dú)庥脩?hù)的情況如表1所示：
表1 氮?dú)庥脩?hù)使用量要求
通過(guò)各個(gè)用戶(hù)的用氣需求及用氣壓力分析發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備的氮?dú)庠谟脷馄焚|(zhì)、壓力及用量上都滿(mǎn)足各個(gè)用戶(hù)的使用要求，并且PSA制備氮?dú)飧鶕?jù)核電廠(chǎng)的負(fù)荷情況及用戶(hù)需求情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了氮?dú)馐褂玫撵`活性并提高了空壓機(jī)的利用率，極大的降低的外購(gòu)液氮的成本，有效地提高了核電廠(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
3 控制邏輯
利用空壓機(jī)的閑置產(chǎn)能制備氮?dú)獾目刂七壿嬋鐖D3所示，通過(guò)調(diào)節(jié)閥、控制閥及增減壓裝置等的邏輯判斷，能夠得到用戶(hù)所需求的用氣品質(zhì)及氮?dú)庥昧?，能夠滿(mǎn)足核電廠(chǎng)各個(gè)階段的使用要求，通過(guò)空壓機(jī)排氣量的合理分配，實(shí)現(xiàn)的空壓機(jī)的合理高效利用，如圖3所示（見(jiàn)文末）。
圖3 控制邏輯圖
4 結(jié)束語(yǔ)
利用核電站中空壓機(jī)的閑置產(chǎn)能并應(yīng)用PSA制備氮?dú)庠诩夹g(shù)上可行并能夠滿(mǎn)足各個(gè)氮?dú)庥脩?hù)的用氣需求。
利用PSA制備氮?dú)忪`活性好，安全性高，占地面積小，經(jīng)濟(jì)性高。
PSA制氮能夠有效利用核電站調(diào)峰調(diào)頻情況下設(shè)備不能夠完全利用的劣勢(shì)，提供設(shè)備的利用率。
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魯陳林 黃照 焦胡楊
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圖1 PSA制氮碳分子篩分離原理圖
通過(guò)對(duì)吸附壓力進(jìn)行控制，進(jìn)而從空氣中分離出氮?dú)?，氮?dú)獾募兌扰c氮?dú)猱a(chǎn)量成反比關(guān)系，氮?dú)獾漠a(chǎn)量越大，純度越低[2]。由于變壓吸附（PSA）制氮穩(wěn)定性好，不需單獨(dú)建立子項(xiàng)占用大量廠(chǎng)區(qū)用地，不需要外購(gòu)液氮，節(jié)省大量液氮采購(gòu)成本及后期液氮的交通運(yùn)輸成本。不考慮液氮儲(chǔ)存時(shí)的蒸發(fā)因素，制氮設(shè)備無(wú)須專(zhuān)人值守，日常維護(hù)檢修方便，降低了人力成本，能夠連續(xù)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)量調(diào)節(jié)靈活，使用方便，因此可在核電廠(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。
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圖2 空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備氮?dú)獾墓に嚵鞒?/p>
在某鈉冷快堆的氮?dú)庥脩?hù)中，氮?dú)庀到y(tǒng)的主要功能是抑制鈉火，作為滅火劑噴灑的驅(qū)動(dòng)力；停堆期間，對(duì)蒸汽發(fā)生器充入氮?dú)獗ｐB(yǎng)，鈉水事故期間，對(duì)蒸汽發(fā)生器充入氮?dú)獗Ｗo(hù)；維持某些設(shè)備或房間的惰性氣體，吹掃氮?dú)獗O(jiān)測(cè)支路，降低放射性本底水平等多種功能，氮?dú)庀到y(tǒng)對(duì)核電廠(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此氮?dú)獾闹苽渑c儲(chǔ)存在整個(gè)核電廠(chǎng)的壽期內(nèi)顯得尤為重要。各個(gè)氮?dú)庥脩?hù)的情況如表1所示：
表1 氮?dú)庥脩?hù)使用量要求
通過(guò)各個(gè)用戶(hù)的用氣需求及用氣壓力分析發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)閑置產(chǎn)能制備的氮?dú)庠谟脷馄焚|(zhì)、壓力及用量上都滿(mǎn)足各個(gè)用戶(hù)的使用要求，并且PSA制備氮?dú)飧鶕?jù)核電廠(chǎng)的負(fù)荷情況及用戶(hù)需求情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了氮?dú)馐褂玫撵`活性并提高了空壓機(jī)的利用率，極大的降低的外購(gòu)液氮的成本，有效地提高了核電廠(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
3 控制邏輯
利用空壓機(jī)的閑置產(chǎn)能制備氮?dú)獾目刂七壿嬋鐖D3所示，通過(guò)調(diào)節(jié)閥、控制閥及增減壓裝置等的邏輯判斷，能夠得到用戶(hù)所需求的用氣品質(zhì)及氮?dú)庥昧?，能夠滿(mǎn)足核電廠(chǎng)各個(gè)階段的使用要求，通過(guò)空壓機(jī)排氣量的合理分配，實(shí)現(xiàn)的空壓機(jī)的合理高效利用，如圖3所示（見(jiàn)文末）。
圖3 控制邏輯圖
4 結(jié)束語(yǔ)
利用核電站中空壓機(jī)的閑置產(chǎn)能并應(yīng)用PSA制備氮?dú)庠诩夹g(shù)上可行并能夠滿(mǎn)足各個(gè)氮?dú)庥脩?hù)的用氣需求。
利用PSA制備氮?dú)忪`活性好，安全性高，占地面積小，經(jīng)濟(jì)性高。
PSA制氮能夠有效利用核電站調(diào)峰調(diào)頻情況下設(shè)備不能夠完全利用的劣勢(shì)，提供設(shè)備的利用率。
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