淺談三門核電氫氣升壓站的結(jié)構(gòu)原理與維護(hù)保養(yǎng)

郭曉平　劉玉梅

摘 要：高壓氫氣作為冷卻和除氧介質(zhì)在核電站應(yīng)用較為廣泛。文章以三門核電氫氣升壓站作為研究對(duì)象，簡要描述了氫氣升壓站的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)原理。根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，從安全和工藝兩個(gè)方面總結(jié)了氫氣升壓站維修保養(yǎng)的相關(guān)注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：三門核電；氫氣升壓站；結(jié)構(gòu)原理；維護(hù)保養(yǎng)

1 概述

三門核電氫氣系統(tǒng)是電站獨(dú)立的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，為設(shè)備的冷卻、系統(tǒng)除氧提供不同壓力的較為純凈氫氣，包括低壓氫氣子系統(tǒng)和高壓氫氣子系統(tǒng)。其中，低壓氫氣子系統(tǒng)為除鹽水運(yùn)輸和儲(chǔ)存系統(tǒng)（DWS）的催化除氧單元CORS提供除氧用的低壓氫氣，為發(fā)電機(jī)氫氣和二氧化碳系統(tǒng)（HCS）提供冷卻用的低壓氫氣；高壓氫氣子系統(tǒng)為化學(xué)和容積系統(tǒng)（CVS）供氣，用于主系統(tǒng)除氧。高壓氫氣子系統(tǒng)主要是由氫氣拖車、氫氣升壓站、氫氣匯流排、高壓氫氣瓶及相關(guān)儀表管道組成，核心設(shè)備為氫氣升壓站。

文章分為四個(gè)部分。首先對(duì)三門核電氫氣升壓站進(jìn)行簡介，其次從結(jié)構(gòu)原理和維護(hù)保養(yǎng)兩個(gè)方面分別對(duì)氫氣升壓站進(jìn)行分析，最后部分為結(jié)束語。

2 氫氣升壓站介紹

固定式氫氣升壓站系統(tǒng)采用1.0～20MPa儲(chǔ)氣瓶中的氫氣作為被壓縮介質(zhì)，壓縮空氣作為升壓泵動(dòng)力源，將氫氣增壓至41.4Mpa。氫氣升壓站系統(tǒng)核心是六臺(tái)獨(dú)立氫氣專用氣動(dòng)升壓泵并聯(lián)設(shè)計(jì)，三臺(tái)平均流量即可達(dá)到流量參數(shù)的要求，可互為備用，當(dāng)某個(gè)升壓泵出現(xiàn)問題，可切換至備用升壓泵運(yùn)行，確保充裝工作可靠性。整套裝置采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)，由設(shè)備運(yùn)行、氫氣安全監(jiān)控報(bào)警、系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)視控制等子系統(tǒng)組成。匯流排為高壓設(shè)計(jì)，采用SS316不銹鋼材料，設(shè)計(jì)壓力70Mpa。同時(shí)可充10個(gè)瓶（兩組），可同時(shí)操作，也可分別操作，增加充裝靈活性。設(shè)備運(yùn)行安全可靠并滿足中國及國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、規(guī)范的要求，符合氫氣場(chǎng)合安全需要，具備防靜電、無電火花、防爆等安全措施。

3 氫氣升壓站結(jié)構(gòu)原理

氫氣升壓站采用HASKEL AGT-32/62型氣體升壓泵，共六臺(tái)。該泵為氣體驅(qū)動(dòng)，無油潤滑，往復(fù)活塞式雙級(jí)氣動(dòng)增壓器，型號(hào)號(hào)碼32/62為空氣驅(qū)動(dòng)活塞面積與壓縮氣體活塞面積之比的近似值?？諝怛?qū)動(dòng)活塞在設(shè)備內(nèi)置的兩個(gè)四通氣動(dòng)換向閥（循環(huán)閥）控制下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該閥由空氣換向系統(tǒng)交替加壓和減壓。驅(qū)動(dòng)活塞和增壓氣體活塞直接相連，壓縮氣體活塞在無需潤滑的條件下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)壓縮介質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生任何污染。驅(qū)動(dòng)端排出的空氣被用來冷卻壓縮端缸套和級(jí)間管路。

氫氣升壓站機(jī)械系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)空氣路、低壓進(jìn)氣路、氮?dú)庵脫Q路、高壓出氣路、排放路、增壓模塊、檢測(cè)模塊、高壓匯流排、氣瓶測(cè)溫模塊組成。

具體工作原理如下：首先通入輸入氣體通入驅(qū)動(dòng)空氣然后打開外控閥門，泵開始正常工作；驅(qū)動(dòng)氣控制活塞向左運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行氣體的一級(jí)壓縮；右腔室的驅(qū)動(dòng)空氣泄放，驅(qū)動(dòng)氣控制活塞向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行氣體的二級(jí)壓縮。

3.1 驅(qū)動(dòng)空氣部分

空氣驅(qū)動(dòng)部分包括兩個(gè)空氣驅(qū)動(dòng)活塞組合件、一個(gè)循環(huán)控制閥、換向閥（一個(gè)安裝在上端蓋，另一個(gè)安裝在下端蓋）、一條驅(qū)動(dòng)氣體流通管線（將驅(qū)動(dòng)氣體由閥的一個(gè)端蓋引導(dǎo)至另一個(gè)端蓋）、一條導(dǎo)向管（連接兩個(gè)串聯(lián)的換向閥）。驅(qū)動(dòng)控制閥上既沒有彈簧，也沒有制動(dòng)元件，當(dāng)換向閥交替在活塞內(nèi)測(cè)的大面積端面上加壓和泄壓時(shí)，循環(huán)閥就開始往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3.2 氣體增壓部分

氣體壓縮部分不需使用任何潤滑劑。氣體壓縮部分的使用壽命還取決與所提供氣體的清潔度，所以在氣體入口端配置高精度過濾器（過濾等級(jí)為5μ）。如果增壓空氣或其他濕度較大的氣體，初始的露點(diǎn)要足夠低，以防止在增壓器出口壓力下達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備使用一段時(shí)間后，設(shè)備內(nèi)部的一些微粒會(huì)進(jìn)入到氣體輸出管線中，所以氣體管線末端配置高精度過濾器。

3.3 冷卻

氣體壓縮端的有效冷卻方式至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)備動(dòng)態(tài)密封件、導(dǎo)向件及靜態(tài)密封件的工作壽命依賴于適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟?。該升壓泵利用?qū)動(dòng)端派出的廢氣冷卻壓縮端缸套，在往復(fù)工作中，驅(qū)動(dòng)氣體因膨脹作用明顯降溫，因此排出的壓縮空氣是很有效的冷卻介質(zhì)。

理論上，對(duì)于大多數(shù)氣體、當(dāng)壓縮比超過3：1后，壓縮過程中溫升會(huì)超過密封件的許可溫度。事實(shí)上，當(dāng)活塞在低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，氣體壓縮所產(chǎn)生的熱量被冷卻的壓縮段缸套和其他金屬部件散發(fā)，使這些元件工作在許用溫度范圍之內(nèi)。試驗(yàn)室測(cè)定當(dāng)設(shè)備的壓縮比介于5：1到10：1之間時(shí)，壓縮過程中產(chǎn)生的熱量最多，溫升最高。這就說明在活塞循環(huán)速度很高的工況下，采用做功后的驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)行冷卻是一種非常有效的方法。

4 氫氣升壓站維護(hù)保養(yǎng)

4.1 安全注意事項(xiàng)

如果操作不當(dāng)，高壓氣體會(huì)給操作人員帶來巨大危險(xiǎn)。在設(shè)備試壓和運(yùn)行時(shí)禁止非運(yùn)行人員打開柜門；在試壓和試運(yùn)行操作過程中，升壓應(yīng)緩慢，操作人員應(yīng)保持在便于隨時(shí)控制驅(qū)動(dòng)氣體的閘閥位置，工作人員必須在高壓管路2米外觀察工作情況，并注意觀察壓力值時(shí)不要正對(duì)壓力表；絕對(duì)禁止在系統(tǒng)有壓力的情況下進(jìn)行維護(hù)和維修；禁止在系統(tǒng)未裝配完整時(shí)進(jìn)行試運(yùn)行；故障分析及診斷時(shí)，如果需要近距離操作，只能在泄壓后進(jìn)行；操作時(shí)必須防止跌落現(xiàn)象發(fā)生，否則會(huì)損傷或丟失部件。

吹掃程序是用氮?dú)庵脫Q管道內(nèi)的氫氣，在此之前要將管道內(nèi)的高壓氫氣進(jìn)行泄放。執(zhí)行吹掃的目的是為了保證設(shè)備的使用壽命，氫氣具有氫脆現(xiàn)象，且滯留在管道內(nèi)的氫氣可能會(huì)與空氣接觸，有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。吹掃完成后，要關(guān)閉氫中氧分析儀，避免探頭與空氣直接接觸，延長使用壽命。在執(zhí)行設(shè)備檢修前，務(wù)必保證已執(zhí)行吹掃程序，確保高壓氫氣濃度氫氣爆炸極限。

4.2 檢修工藝

作為高壓易爆設(shè)備，氫氣升壓站相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)工作需有專業(yè)人士執(zhí)行。在檢修過程中不建議更換和換向針長柄配合的“O”型圈密封件，除非發(fā)生過量泄漏，因?yàn)檫@需要拆卸氣體驅(qū)動(dòng)部分。如果必須更換，那么請(qǐng)注意安裝過程中各零件的同軸度。使用換向針作為安裝工具，其橡膠面對(duì)著定位圈，用一個(gè)小榔頭輕敲換向針頂部，直至定位圈的四周的腳彎曲。

將循環(huán)閥再潤滑和組裝后，如果驅(qū)動(dòng)循環(huán)不正常，則需要進(jìn)行如下測(cè)試以檢查哪一個(gè)換向針有故障具體測(cè)試方法：通入驅(qū)動(dòng)氣體，如果下端的換向閥失靈，壓力表將指向零。如果上端換向閥失靈，壓力表將顯示驅(qū)動(dòng)氣壓力，換向針正確的作用將使壓力表在0至驅(qū)動(dòng)壓力之間快速升降。當(dāng)壓力值在增長過程中變化緩慢時(shí)，說明循環(huán)閥一側(cè)的換向針基座存在泄漏。如果壓力下降時(shí)緩慢，則說明另一側(cè)的換向針基座存在泄漏。根據(jù)需要檢查和替換零件，還需檢查堵頭處是否向外漏氣。

裝配前，仔細(xì)研究與設(shè)備同時(shí)提供的全部技術(shù)資料，如有問題應(yīng)立即停止，向廠家提出技術(shù)支持。檢測(cè)并確認(rèn)系統(tǒng)工作過程中所承受的驅(qū)動(dòng)介質(zhì)最大入口壓力、壓縮介質(zhì)最大入口壓力和出口壓力。確保以上所涉及的三項(xiàng)壓力值在設(shè)備的許用壓力范圍之內(nèi)。確保以上所涉及的三項(xiàng)壓力值在系統(tǒng)中連接管路、接頭、儀表和其他附件的許用壓力范圍之內(nèi)。確保系統(tǒng)配置中包括用于過載保護(hù)和抗沖擊的安全閥或其他保護(hù)裝置。

5 結(jié)束語

對(duì)氫氣升壓站的設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)原理兩方面進(jìn)行簡單分析，突出設(shè)備維修保養(yǎng)執(zhí)行過程中需要執(zhí)行相關(guān)安全措施，同時(shí)對(duì)設(shè)備檢修工藝也有較高要求。所以無論是運(yùn)行還是檢修人員一定要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)程，確保設(shè)備檢修質(zhì)量和檢修安全，保證氫氣升壓站設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]SMG-MS59-VNM-LS001.三門核電一期工程氫氣升壓站設(shè)備操作維護(hù)手冊(cè)[Z].

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[3]氫氣升壓站設(shè)備規(guī)范書[S].