CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)的安全設計方法研究

何崇超 ，王國平，王雅瓊 ，丁美瑩 ，何 昆

（1.中國科學院 高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞 523803；2.東莞中子科學中心，廣東 東莞 523808）

0 引言

中國散裂中子源（CSNS）是建設在廣東省東莞市的，是由1.6 GeV的高能質子轟擊重金屬靶而產生強流中子，并利用中子研究物質微觀結構和運動的大科學裝置。CSNS主要由質子加速器、中子靶站和中子散射譜儀等三大部分組成，其質子束流功率為100 kW，有效脈沖中子通量達2.0×1016n/（cm2?s），脈沖重復頻率為25 Hz[1]。建成后，CSNS將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，并將與英國ISIS、美國SNS、日本J-PARC的散裂中子源相并列，成為世界四大主要脈沖散裂中子源科學研究中心之一[2]。

CSNS低溫氫循環(huán)系統(tǒng)采用低溫超臨界氫（約1.5 MPa，約20 K）為工質，為靶站慢化器提供慢化中子所必須的制冷能力，并盡量避免低溫設備的運行對中子通量穩(wěn)定性產生影響。氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳混合均有爆炸的危險。氫燃燒時火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現。氫雖然無毒，在生理上對人體是惰性的，但若空氣中氫含量增高，將引起缺氧性窒息。與所有低溫液體一樣，直接接觸液氫將引起凍傷。液氫外溢并突然大面積蒸發(fā)還會造成環(huán)境缺氧，并有可能和空氣一起形成爆炸混合物，引發(fā)燃燒爆炸事故。因此，對CSNS氫循環(huán)的真空系統(tǒng)設計時，需要考慮氫安全方面的設計，以保障真空系統(tǒng)的安全、可靠運行。

1 CSNS低溫氫循環(huán)系統(tǒng)

CSNS氫循環(huán)系統(tǒng)是一個閉式循環(huán)，采取強迫流循環(huán)冷卻的方式。超臨界氫在氫循環(huán)泵的驅動下，經氫氦換熱器放熱降溫，分別由兩條低溫氫傳輸管道進入CM和DM慢化器，在慢化器中吸熱升溫后回到主路，經加熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵到正仲氫轉化反應器，在這里正氫轉化成99%的仲氫后，再回到氫氦換熱器，完成一個循環(huán)。氫循環(huán)系統(tǒng)的主要設備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵、正仲氫轉化反應器以及低溫傳輸管線等[3]，其中換熱器、加熱器、循環(huán)泵和正仲氫轉化器都放置于密閉的氫循環(huán)冷箱中，壓力緩沖器為便于維修和更換，單獨放置在壓力緩沖器冷箱中，如圖1所示。低溫系統(tǒng)的平均工作溫度為20 K，如果不采取真空隔熱措施，相對于300 K大氣環(huán)境的漏熱太大，難以保證系統(tǒng)的正常運行。因此為減少低溫系統(tǒng)的漏熱，需要設計相應的真空系統(tǒng)，以保障氫循環(huán)系統(tǒng)在低溫狀態(tài)下持續(xù)、可靠地運行。

圖1 氫循環(huán)系統(tǒng)流程圖

2 CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)

CSNS氫循環(huán)系統(tǒng)的真空系統(tǒng)包含氫循環(huán)冷箱真空系統(tǒng)、壓力緩沖器冷箱真空系統(tǒng)、低溫傳輸管線的真空系統(tǒng)及管道置換真空等。氫循環(huán)冷箱和壓力緩沖器冷箱均為圓柱形筒體結構，兩條低溫氫傳輸管線均為雙通道管線，隔熱真空層內為并列的兩條氫管道，一來一回。表1給出了各部分真空室的尺寸及相關技術要求。

表1 各真空室的尺寸及真空度、漏率要求

根據以上各部分真空室的尺寸及真空度要求，計算出真空室的容積、內表面積，結合容器內設備的材料及表面積，計算出真空室的總放氣量。再根據真空設計手冊的選配、配泵方法，計算出所選真空泵的抽速。最終選擇渦輪分子泵作為主泵，機械泵為前級泵。具體技術參數如表2列。重點介紹真空系統(tǒng)的氫安全設計方法，因此，對于真空泵的選擇及計算過程不在此詳述。

表2 各真空室的真空泵技術參數表

3 真空系統(tǒng)的氫安全設計方法

3.1 氫氣的危險特性

氫氣的燃點為560℃，溫度組別為T1，氣體類別為礦井外ⅡC類氣體。氫氣與空氣混合的燃燒極限為4%~74.2%，爆炸極限為18.3%~59%，氫的最大安全間隙為0.5 mm，最小引爆火花能量為0.019 mJ[4]。氫氣燃燒需要滿足兩個條件：（1）氫氣和氧氣（或空氣）形成爆炸性氣體環(huán)境；（2）有點火源（點火能量>0.019 mJ）的存在。

3.2 環(huán)境分區(qū)

爆炸性氣體環(huán)境根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續(xù)時間，危險性由強到弱依次分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)三種區(qū)域。0區(qū)是指連續(xù)出現或長期出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)指在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)指在正常運行時不可能出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境[5]。在現實生產中，0區(qū)環(huán)境是極個別的，大多數情況屬于1區(qū)、2區(qū)環(huán)境。而在進行氫安全設計時，應采取合理措施盡量避免0區(qū)的出現，減少1區(qū)的存在。

CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)均位于靶站大廳三層平臺上的氫設備間內，因為采取了一系列的氫安全措施[6]，氫設備間內屬于ⅡC類，2區(qū)的爆炸性環(huán)境。因此，真空系統(tǒng)相應的可能引起點火的電氣設備（機械泵、真空規(guī)、閥門等）均應采用滿足ⅡC類，2區(qū)環(huán)境的防爆設備。機械泵的環(huán)境分區(qū)，需要從外部環(huán)境和內部環(huán)境兩方面來考慮。（1）外部環(huán)境的分區(qū)，不管是作為分子泵的前級泵，還是單獨的管路置換泵，均位于氫設備間內，因此均為ⅡC類，2區(qū)環(huán)境，相當于歐洲ATEX標準中的IIC、Cat3。選擇歐洲的泵（萊寶、浦發(fā)、愛德華等）時應滿足ATEX標準的IIC、Cat3；（2）內部環(huán)境的選擇上，機械泵如果作為分子泵的前級泵，不管是氫循環(huán)冷箱的分子泵組，還是低溫氫管道的分子泵組，抽的普通空氣，在正常情況下不可能出現爆炸性混合氣體，因此應該為ⅡC類，2區(qū)環(huán)境。對于氫管路置換用的機械泵，需要分兩種情況考慮：（1）系統(tǒng)運行之前，往系統(tǒng)內充入氫氣。如果直接用氫置換空氣，必然會出現氫氣與空氣的混合物，此時機械泵內為IIC類，0區(qū)環(huán)境；（2）系統(tǒng)停機后將氫排出系統(tǒng)，如果抽完真空后直接放入空氣，也會在某些局部或死角出現氫氣與空氣的混合物，此時機械泵內為IIC類，1區(qū)環(huán)境。在進行氫安全設計，會采取措施避免以上兩種情況的出現。一般使用符合安全要求的惰性氣體（其氧氣體積分數不得超過3%），在充入氫氣之前先用惰性氣體置換三次，每次抽真空至10 Pa以下。在系統(tǒng)停機后，也是先用惰性氣體置換三次，每次抽真空至10 Pa以下，然后再充入惰性氣體至大氣壓以上進行保壓，直到下次系統(tǒng)重新開機。

3.3 具體的設計方法

低溫系統(tǒng)正常運行時，氫冷箱、壓力緩沖器冷箱及低溫氫傳輸管線的隔熱真空必須好于5×10-3Pa。因此，在系統(tǒng)運行初始階段，當以上各出的真空度均達到5×10-3Pa時，真空系統(tǒng)發(fā)出真空OK信號。真空系統(tǒng)配置了四級質譜儀（RGA），用于監(jiān)測真空層中的氣體分子含量。如果發(fā)現氫分子含量迅速升高，并伴隨真空度的下降，將向系統(tǒng)PLC發(fā)出報警信號，值班人員將根據真空度的變化進行相應的操作。如果真空度能夠維持系統(tǒng)正常運行的范圍內，則不需要進行操作。如果真空繼續(xù)變差，真空度上升到5×10-2Pa時，系統(tǒng)自動關閉RGA。真空度上升到0.1 Pa時，這時PLC將會聯鎖關閉真空機組前的插板閥及真空設備電源，同時撤銷真空OK信號。此時值班人員將進行停機操作，通過緊急排氫模式將系統(tǒng)內的氫排到大氣。

真空系統(tǒng)的排氣不能直接排向房間內，特別是對于抽氫的機械泵，泵的出口通過帶止回閥的管道連接到專門的氫排放系統(tǒng)中，避免置換的氫與大氣形成爆炸性混合物；對于隔熱真空的分子泵機組，前級泵的出口也不直接排至房間內，而是通過管道排至屋頂大氣，避免隔熱真空層意外破裂時，閥門未及時關閉，泄漏的氫通過真空系統(tǒng)直接進入到氫設備間內。此外，還可以在真空系統(tǒng)的出口設置氮氣氣囊，向排氣中混入氮氣，以降低出現氫與空氣混合物的可能性。低溫氫傳輸管道的真空層內設計了氦氣充入口，可以在非常緊急的情況下（如氫管道破裂，氫大量泄漏）向真空層充入氦氣，不僅可以通過加大漏熱來加速氫的排放，還可以稀釋氫的濃度，降低氫與空氣混合發(fā)生爆炸的可能性，如圖2所示。

此外，需要對真空系統(tǒng)內的每一個設備及儀表都進行點火源分析，以評估所有點火源的潛在風險，排除點火源存在的可能性。真空泵的潛在點火源主要有熱表面、火焰和熱氣、機械火花的形成、靜電放電、壓縮熱、化學反應。因此，通過防爆認證的真空泵，根據危險區(qū)域的級別不同一般會采取相應的安全設計，以確保真空泵不會成為潛在的點火源。常用的安全設計有：（1）在泵的吸氣口和壓縮出口進行溫度監(jiān)控；（2）泵油的壓力監(jiān)控；（3）泵的進口和出口設置阻火器（一般用于內部0區(qū)）；（4）經過爆炸實驗的外殼；（5）采用防爆電機。

圖2氫循環(huán)真空系統(tǒng)的流程簡圖

4 總結

真空系統(tǒng)的正常運行是低溫氫循環(huán)系統(tǒng)能在20 K的低溫下正常、穩(wěn)定運行的重要前提，關系到慢化器內中子的慢化、冷卻性能。氫安全的設計不僅關系到氫循環(huán)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行，還關系到運行過程中的設備和人員的安全。因此，針對氫的危險特性，在氫循環(huán)真空系統(tǒng)的設計中，考慮氫安全的設計非常有必要。

[1]張杰.中國散裂中子源（CSNS）——多學科應用的大科學平臺[J].中國科學院院刊，2006，21（5）：415-417.

[2]韋杰.中國散裂中子源介紹[J].現代物理知識，2007，19（6）：22-29.

[3]王國平，肖劍，何昆，等.散裂中子源低溫系統(tǒng)的概念設計[J].低溫工程.2009（5）：27-30.

[4]國家質量技術監(jiān)督局.GB50058.爆炸和火災危險危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S].1992.

[5]國家質量技術監(jiān)督局.GB3836.14-2000.爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第14部分：危險場所分類[S].中國石化北京設計院，2000.

[6]何崇超，何昆,王國平，等.中國散裂中子源低溫系統(tǒng)的氫安全方案設計[J].低溫工程，2010（6）：1-6.