核电厂设有除盐水生产厂房,其功能是将淡水厂(或海水淡化厂房)的来水经预处理、反渗透装置、阳离子交换器、阴离子交换器和混合离子交换器处理后,向核岛、常规岛和BOP系统的所有用户提供符合水质和水量要求的除盐水,包括pH=7±0.5和通过加氨系统添加碱化剂调节pH至8.5～9.0的除盐水。在以往的工程中,加氨系统基本都使用液氨作为碱化剂,虽有占地面积小,储运方便等优势,但其发生泄漏、爆炸等生产故事后产生的危害性极大,相比之下,氨水是一种更安全的替代品。本文对某核电厂除盐水加氨系统碱化剂由液氨更换为氨水的改造设计进行分析,并对改造后存在的风险进行评估,供设计人员在进行加氨系统设计及风险规避方面参考。

某核电厂位于南方沿海地区,海水资源丰富,经海水淡化处理生产的淡水再经过离子交换等工艺进一步制成成品除盐水,原除盐水加氨系统采用液氨作为加氨原料,考虑到液氨发生生产事故造成的危害较大而核电厂的运行对于安全的需求尤为严格,所以需要将加氨原料替换为20%浓氨水以进一步确保加氨系统安全性。

如图1所示,原加氨系统设置有2个100 L的液氨钢瓶,液氨通过管道和2个容积2 m³的溶液箱连接,氨气通入溶液箱的除盐水中溶解生成浓度1%～2%的氨水。氨雾吸收器和溶液箱相连通,吸收挥发产生的氨气。

改造后的加氨系统如图2所示。原有的液氨钢瓶、相应的液氨输送管道需要先拆除。之后增设氨水溶液的贮存和输送系统,其中包括氨贮存箱、卸药泵、氨水输送泵以及配套的管道、阀门等设施。

改造后系统运行具体流程包括:

(1)装卸浓氨水。槽车运输来的20%浓氨水,在装卸至氨水贮存箱前,需检查装卸管道、阀门是否严密、无泄漏,氨气吸收装置内除盐水液位满足吸收要求。

(2)浓氨水的贮存。每个机组设置2台氨水贮存箱,药液采用泵输送的方式从贮存箱分别输送至原有的氨溶液箱。

(3)氨溶液的配制。向氨溶液箱注入除盐水至设定液位,补水管电动球阀自动关闭。先开启氨水贮存箱出液阀,再开启氨水输送泵,氨水经管道通入氨溶液箱中,启动氨溶液箱搅拌器,配置成浓度为1%～2%的氨溶液。

(4)氨气吸收装置。由于浓氨水易挥发,有浓烈的气味,普通的氨气吸收装置无法满足浓氨水贮存罐的排气要求,故设置1套专门的水封式氨气吸收装置,采用除盐水吸收排气中的氨气。氨气吸收装置内吸收饱和的除盐水可用于化学加药。

(5)注意事项。在改造前应将原液氨输送管道中残留的液氨完全放净,氨溶液箱进液隔离阀门处于严密关闭的状态,避免氨气逸出。为避免改造施工影响化学加药系统的运行,改造时可临时采用小包装的桶装氨水进行人工配药。

本改造方案虽然对系统的变更较大,需增加一系列工艺设备,并且需要电控及土建专业的配合,但由于增加的氨溶液箱、输送泵等所有设备均安装在一个框架上,为整体供货,并配有就地电控柜,所以改造施工量并不大,可行性较强。

虽然相对于液氨,氨水的安全性较高,但依然存在着一定的危险性。根据《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ/T 169-2018)中附录A.1物质危险性标准^[1]1],氨水不属于有毒、易燃或爆炸性物质,但氨水的挥发物氨气为一般毒性物质,易燃,与空气混合能形成爆炸性混合物。主要理化及危险特性见表1。

改造后的氨溶液箱为无压力容器,无爆炸风险,且罐体结构比较均匀,发生整个容器破裂而泄漏的可能性较小,而容器与输送管道的接头处较易发生破裂而导致氨水泄漏。所以本评价设定接头处发生泄漏,泄漏孔径取最大值即管径的100%,0.04 m。

贮罐或输送管道破损发生的氨水泄漏速率按《建设项目环境风险评价导则》(HJ 169-2018)附录F.1,以式(1)估算:

$Q{}_L=C{}_{\text{d}}A\rho \sqrt{\frac{2({\rm P}-{\rm P}{}_0)}{\rho }+2gh}(1)$

式中 Q_L——液体泄漏速度,kg/s;

C_d ——液体泄漏系数,常用0.6～0.64,取0.62;

A ——裂口面积,1.26×10^-3m²;

ρ ——液体密度,取925 kg/m³;

P、P₀ ——容器内及环境压力,压力差取0;

g ——重力加速度,9.8 m/s²;

h ——裂口之上液位高度,取2.0 m。

由式(1)估算氨水泄漏速度为4.52 kg/s,10 min内氨水泄漏量为2.71 t。

氨水蒸发量的估算:氨水泄漏后,在围堰中形成液池,并随着表面风的对流而蒸发扩散。泄漏氨水的蒸发主要是质量蒸发,质量蒸发速度Q₁按式(2)计算:

$Q{}_1=ap{\rm M}/(R{\rm T}{}_0)u{}^{(2-n)/(2+n)}r{}^{(4+n)/(2+n)}(2)$

式中 Q₁——质量蒸发速度,kg/s;

a,n ——大气稳定度系数;

p ——液体表面蒸气压,2.86×10⁴Pa;

R ——气体常数,8.314 J/(mol·k);

M ——气体分子量,17×10^-3kg/mol;

T₀ ——环境温度,293.15 K;

u ——风速,0.1 m/s;

r ——液池半径,0.9 m。

按照最不稳定状态即大气稳定度为A时^[2,3]2,3],泄漏氨水蒸发的氨气量为9.54×10^-5kg/s。

氨溶液箱不是置于室外环境,而是放置于氨贮存间中,因而泄漏的氨水蒸发产生的氨气可能会在室内聚集导致氨浓度升高产生爆炸性气氛。氨溶液箱的排气管上设置了氨雾吸收器,氨水贮存间设置有氨浓度检测仪及报警装置,以保证室内空气中氨的浓度小于20 mg/m³,氨的预警值为15 mg/m³,氨的警报值为20 mg/m³。房间内设置有机械通风,机械排风装置除手动控制外,还要求与氨浓度检测仪连锁,设置事故通风装置,并分别设置室内外开关。故针对氨水的安全措施主要包括氨雾检测仪,氨雾吸收器和排风设备。

因氨水贮存间的氨水的浓度为20%,加氨间氨水浓度为1%～5%,现仅对贮氨浓度较大的氨水贮存间(容积320 m³)进行分析。

(1)氨雾检测仪正常运行,氨雾吸收器和排风设备故障时,氨水泄漏可能会发生爆炸事故。此时由于氨水泄漏、氨气的蒸发、积聚,可能会造成氨气爆炸隐患。依据《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ/T 169-2018)计算结果如下:浓氨水泄漏后,50.3 s会达到氨浓度检测仪预报警值15 mg/m³,氨浓度检测仪报警。一般在10 min内事故就会得到控制,10 min泄漏氨水的最大蒸发氨气量为0.057 kg,氨气总量75.4 L,与房间容积的比值为0.24 L/m³,低于爆炸下限5 L/m³,参见《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)。

(2)氨雾吸收器正常运行,氨雾检测仪和排风设备故障时,氨水泄漏可能会发生爆炸事故。由于氨雾吸收器是针对氨溶液箱中蒸发产生的氨气进行吸收,对泄漏出的氨水蒸发产生的氨气没有吸收作用,所以计算结果与第一种情况相同。

(3)排风设备正常运行,氨雾检测仪和氨雾吸收器故障,氨水泄漏蒸发产生的氨气能够被排风设备有效排除故无爆炸隐患。

①氨雾检测仪故障,氨水泄漏不会发生爆炸事故。②氨雾吸收器故障,氨水泄漏不会发生爆炸事故。③排风设备故障,同3.3.1节中情况(1),根据计算在氨浓度检测仪报警至事故得到有效处理的10 min内,室内氨气浓度低于爆炸下限,无爆炸风险。

氨水泄漏120 min后室内空气中氨气浓度将达到爆炸下限5 L/m³,有发生爆炸事故的隐患。

根据以上分析可以看出虽然氨储存间设置有通风、检测报警装置,但是极端条件下有装置失灵,氨水泄漏分解产生氨气导致室内形成爆炸性气氛,存在一定的安全隐患。另与氨水泄漏在密闭环境造成爆炸性气氛导致生产事故相比,在对氨水溶液箱进行检修、焊接等操作时引起的爆炸事故更为常见。常见的事故原因包括未对空氨水罐进行完全清洗,导致罐内残留氨水挥发和罐内空气混合形成爆炸性气体,检修、焊接操作前也未对罐内残余气体成分进行具体检测等。因此不仅需要在加氨系统运行时进行全面的监控防范,还需要在进行检修、焊接等操作前进行严格的安全隐患排查。

液氨在大气压力下的沸点温度为-33 ℃,远低于液氨槽罐液氨的储存温度,即为过热液体,一旦发生泄漏,部分液氨因压力瞬时大幅降低迅速气化为气体^[4,5]4,5],产生气液两相流动液氨瓶中的氨呈两相流状态,所以根据《建设项目环境风险评价导则》(HJ 169-2018)中对两相流泄漏的公式F.6～F.8计算,在泄漏孔径为1 cm的情况下,液氨的泄漏速度达到1.83 kg/s。泄漏液氨的蒸发可以分为闪蒸蒸发、热量蒸发和质量蒸发3种,其蒸发量为这3种蒸发量之和。由于泄漏液氨的压力由罐内压力迅速降为环境压力,首先发生闪蒸蒸发,其蒸发气化热来自液氨由T=20 ℃降至沸点t=-33 ℃的显热。根据热量守恒见式(3):

${\rm M}\times C{}_{{\rm P}}\times ({\rm T}-t)=q\times Q{}_2(3)$

其中液氨质量M=1.83 kg/s,为液氨平均比热容C_P=4.6 kJ/(kg·℃),液氨气化热q=1.37×103 kJ/kg。由式(3)得到闪蒸蒸发量为Q₂=0.33 kg/s。紧接着未闪蒸完全的液氨在地面形成液池,液池吸收环境热量发生液氨的热量蒸发见式(4):

$Q{}_3=\frac{\alpha S({\rm T}-t)}{q\sqrt[]{\pi \beta \gamma }}(4)$

式中 Q₃——热量蒸发速度,kg/s;

β ——表面热扩散系数,β=1.29×10^-7m²/s;

α ——表面热导系数,α=1.1 W/(m·K);

γ ——蒸发时间,保守考虑为1 s。

此外还会发生由液池表面气体运动导致的质量蒸发,蒸发速度Q₃方式同式(2)。根据以上计算,液氨泄漏后会在地面形成半径8.2 cm的液池,并达到泄漏-蒸发平衡,即此时的蒸发速度和泄漏速度相等为1.83 kg/s,相当于产生2 211 L/s的氨气,所以在液氨泄漏以后,10 s(考虑到气体扩散速度)内贮氨室氨气浓度就会超过爆炸下限,留给操作人员的干预时间几乎没有。除此以外,相比较与氨水,液氨受环境温度、应力腐蚀、罐体设计等因素的影响下还有压力容器爆炸的隐患。由此可见,使用氨水作为碱化剂的加氨系统安全性有明显提升。

虽然相比较于液氨,采用20%氨溶液作为氨源已经大大的增强了安全性,但是经过评估,在极端情况在仍有发生爆炸的危险。针对这种情况,有以下设计改进意见:①在预算允许的情况下,增设氨雾检测仪,并与原氨雾检测仪相互独立工作,最大程度的避免因氨雾检测仪故障导致工作人员无法接收到警报信息的情况。②增设抗爆墙。抗爆墙的增设可将极端情况下发生爆炸造成的损失降到最低。③将氨贮存箱放置地点改为室外,进行自然通风,但是该设计涉及到放置地点的重新选择,管线的重新布置等,这对于已建成的用地情况普遍紧张的核电厂来说较为困难。已经核准或正在建设的核电厂可考虑这一改进建议来对厂区构筑物进行规划。

本工程设计细致全面的对原有的核电厂除盐水加氨系统进行了改造,将碱化剂由液氨更换为安全性更高的氨水。经过风险评估,在同样发生泄漏的情况下,氨水的留给操作人员进行人工干预的时间更加充分,加氨系统的安全性得到了有效的提升。