發(fā)電機(jī)氫氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在重水核電廠的應(yīng)用

諸海川

摘 要：該文介紹了秦山三廠氫氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的變更改造，增加關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行取樣監(jiān)視，切實(shí)加強(qiáng)了發(fā)電機(jī)內(nèi)循環(huán)氫氣的監(jiān)測力度，有效保障了機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：氫氣泄漏 定子冷卻水箱 發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0050-02

Abstract：This article describes the upgraded of the hydrogen leak monitoring system in a nuclear power plant，increase the key points of sampling surveillance，to strengthen the monitoring of the generator hydrogen inner loop，effectively ensure the safe and stable operation unit.

Key Words：Hydrogen gas leak；Stator cooling water tank；Generator

目前，國內(nèi)電廠發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)采用安全高效的“水-氫-氫”冷卻方式。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗的大小取決于冷卻介質(zhì)的質(zhì)量，質(zhì)量越輕，損耗越小，氫氣在氣體中密度最小，有利于降低損耗；另外氫氣的傳熱系數(shù)是空氣的6.8倍，換熱能力好；氫氣的絕緣性能好，控制技術(shù)相對(duì)較為成熟。

使用氫氣的最大的隱患是易燃、易爆。氫氣一旦泄露并與空氣接觸，當(dāng)可燃物和助燃物兩個(gè)條件滿足，如果泄露持久，氫氣的濃度和空氣中氧氣混合到達(dá)爆炸下限時(shí)，若再存在火源（或靜電），氫爆則無法避免，爆炸分為爆燃和爆轟，當(dāng)濃度達(dá)到18.3%～59%就會(huì)發(fā)生爆轟。因此，要消除氫氣的危險(xiǎn)性，以及穩(wěn)定發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度的高值，就必須監(jiān)測并控制氫氣泄漏。2001年11月，日本濱岡核電廠1號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆廠房內(nèi)部余熱導(dǎo)出熱交換室，導(dǎo)致發(fā)生氫氣爆炸。電廠人員沒有意識(shí)到在高溫高壓條件下系統(tǒng)設(shè)備中會(huì)析出不可凝結(jié)的氫氣和氧氣，在管道內(nèi)壁金屬的催化作用下，引燃?xì)怏w發(fā)生爆炸?；谕袠I(yè)界的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，需充分關(guān)注氫氣聚積的敏感區(qū)，通過增強(qiáng)檢測手段，避免同類事件的再次發(fā)生。

1 氫氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)改造原因

2006年前，秦山三廠氫氣泄漏監(jiān)測點(diǎn)只有3個(gè)，分別是發(fā)電機(jī)7號(hào)、8號(hào)軸瓦和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁小室，當(dāng)這3點(diǎn)氫氣含量超過1%時(shí)，主控室分別產(chǎn)生3個(gè)CI報(bào)警。與國能安全（2014）161號(hào)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（以下簡稱電力要求）中相對(duì)照，缺少了汽輪發(fā)電機(jī)組潤滑油系統(tǒng)、封閉母線和定子冷卻水箱內(nèi)氫氣含量的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

電力要求中與漏氫監(jiān)測相關(guān)要求如下。

（1）發(fā)電機(jī)出線箱與封閉母線連接處應(yīng)裝設(shè)隔氫裝置，并在出線箱頂部適當(dāng)位置設(shè)排氣孔。同時(shí)應(yīng)加裝漏氫監(jiān)測報(bào)警裝置，當(dāng)氫氣含量達(dá)到或超過1%時(shí)，應(yīng)停機(jī)查漏消缺。

（2）水內(nèi)冷定子繞組內(nèi)冷水箱應(yīng)加裝氫氣含量檢測裝置，定期進(jìn)行巡視檢查，做好記錄。在線監(jiān)測限值按照《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》（GB/T 7064-2008）設(shè)定，氫氣含量檢測裝置的探頭應(yīng)結(jié)合機(jī)組檢修進(jìn)行定期校驗(yàn)。具備條件的宜加裝定子繞組絕緣局部放電和絕緣局部過熱監(jiān)測裝置。

由以上幾點(diǎn)可以看出，我廠氫氣系統(tǒng)的漏氫探頭不滿足電力系統(tǒng)的相關(guān)要求。為了滿足電力要求，有必要在增加漏氫監(jiān)測裝置，來檢查氫氣可能泄漏點(diǎn)的氫氣濃度，保證發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 變更方案

按照電力要求，在氫冷發(fā)電機(jī)油系統(tǒng)主油箱內(nèi)，封閉母線外套，定子冷卻水系統(tǒng)安裝氫氣濃度監(jiān)測裝置。另外，由于發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器再循環(huán)冷卻水回水壓力高，無法降低氫氣冷卻器內(nèi)再循環(huán)冷卻水的水壓，所以現(xiàn)場氫氣冷卻器內(nèi)的水側(cè)壓力高于氫氣側(cè)壓力，氫氣在這種情況下不可能泄漏到再循環(huán)冷卻水中，故未在再循環(huán)冷卻水系統(tǒng)增加氫氣泄漏探測裝置。故對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行取樣監(jiān)視。

潤滑油主油箱（潤滑油箱排氣總管上安裝）。

定子冷卻水箱（定子冷卻水箱排氣管線上安裝）：若定子冷卻水入口集管、分配短管、定子線圈內(nèi)水通路、回水短管和集管等處出現(xiàn)泄漏，水難于滲出，而氫氣則會(huì)滲入水系統(tǒng)。氫氣泄漏到水中，又從排空管排放到大氣，當(dāng)前配置沒法知道是否有氫氣泄漏，也無法第一時(shí)間得知發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈及短管出現(xiàn)破損。當(dāng)水中溶解的氫氣達(dá)到飽和時(shí)，會(huì)在定子冷卻水箱內(nèi)釋放氫氣，使水箱壓力逐漸升高。

在定子冷卻水箱上部排空管段上加裝漏氫探頭，進(jìn)入定子線圈配水集管處水壓通常為145 kPa，出水集管處水壓100 kPa左右。定子、轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)氫氣壓力正常都在414 kPa以下，氣壓高于水壓。定子冷卻水箱上部原設(shè)計(jì)裝有直通大氣的排空管，此管端上可以方便加裝漏氫探頭。

發(fā)電機(jī)出口母線套筒（發(fā)電機(jī)出口母線套筒最高點(diǎn)安裝）：發(fā)電機(jī)出口母線采用強(qiáng)制風(fēng)冷，發(fā)電機(jī)母線套管內(nèi)的氣體在發(fā)電機(jī)母線套管內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)。其中B相母線套管為進(jìn)風(fēng)口，與風(fēng)機(jī)出口連接，A和C相為出風(fēng)口，通過換熱器后和風(fēng)機(jī)進(jìn)口連接。由于強(qiáng)制風(fēng)冷循環(huán)冷卻的封閉母線內(nèi)氫氣濃度比自然風(fēng)冷的容易稀釋，在封閉母線上部的方形集氣罐四角的位置存在氣體流動(dòng)的死角，在該部位設(shè)置探頭最能夠客觀反映封閉母線內(nèi)的氫氣濃度。在發(fā)電機(jī)出口封閉母線管上安裝氫氣探頭對(duì)出口母線沒有任何影響，由于氫氣的比重小于空氣，總是漂浮在空氣的上面，所以氣體取樣點(diǎn)選取最高點(diǎn)。發(fā)電機(jī)封閉母線探頭安裝材料必須是無磁性材料，防止因發(fā)電機(jī)出口母線電流磁場引起發(fā)熱，產(chǎn)生故障，另外，發(fā)電機(jī)出口封閉母線上探頭的安裝位置必須位于發(fā)電機(jī)出口母線套筒外側(cè)，防止因氫氣探頭降低發(fā)電機(jī)母線的絕緣等級(jí)。

3 氫氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)的組成

根據(jù)目前氫氣泄漏監(jiān)測的實(shí)際技術(shù)應(yīng)用情況，擬采用國內(nèi)已經(jīng)成熟使用的多點(diǎn)漏氫監(jiān)測裝置來對(duì)氫氣泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測。該裝置由兩部分組成：傳感器和監(jiān)測主機(jī)，其中傳感器安裝在每個(gè)氫氣可能泄漏聚集的點(diǎn)，傳感器將探測到的氫氣濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳送到監(jiān)測主機(jī)，顯示所監(jiān)測位置的氫氣濃度。當(dāng)監(jiān)測到的氫氣濃度達(dá)到或超過預(yù)置報(bào)警限值時(shí)，報(bào)警器立即發(fā)出報(bào)警，以提醒運(yùn)行人員及早采取措施。

在潤滑油主油箱（1點(diǎn)）、定子冷卻水箱（1點(diǎn)）和發(fā)電機(jī)出口母線套筒內(nèi)（6點(diǎn)，其中在發(fā)電機(jī)出口母線套筒4個(gè)角各1個(gè)，中性點(diǎn)套筒兩個(gè)角各1個(gè)）安裝氫氣濃度監(jiān)測探頭，其中發(fā)電機(jī)出口母線套筒內(nèi)6個(gè)探頭之間互相冗余，當(dāng)存在探頭損壞或在檢修，或者監(jiān)測數(shù)據(jù)不一致時(shí)，可通過其余的探頭來判斷當(dāng)前正確的氫氣濃度，提高監(jiān)測系統(tǒng)的可用性。

漏氫傳感器采用高性能電化學(xué)傳感器，將兩個(gè)反應(yīng)電極（工作電極和對(duì)電極）及一個(gè)參比電極放置在特定電解液中，然后在反應(yīng)電極上加上電壓，使透過毛細(xì)管擴(kuò)散柵的待測氣體經(jīng)行氧化還原反應(yīng)。再通過儀器中的電路系統(tǒng)測量氣體電解時(shí)產(chǎn)生的電流，然后由其中的微處理器計(jì)算出氣體含量。電化學(xué)傳感器具有ppm測量級(jí)別的高靈敏度，輸出線性，測量精度高，對(duì)氫氣選擇性好，僅與氫氣產(chǎn)生反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

除此之外，傳感器具有全金屬防爆外殼、模塊化設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)有取樣安裝口、透氣泄壓口、測量氣室、傳感器模塊、變送模塊和電氣接口。傳感器模塊部分可以單獨(dú)校準(zhǔn)和存儲(chǔ)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便維護(hù)和檢修。

氫氣濃度監(jiān)測主機(jī)盤柜則布置在現(xiàn)場氫氣控制盤柜附近，采用四級(jí)電源，并為漏氫傳感器提供恒流電源，大屏幕LCD直接顯示多路氫氣濃度和報(bào)警。當(dāng)環(huán)境氫氣的濃度達(dá)到或超過預(yù)置報(bào)警值時(shí)，聲光報(bào)警器立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以及時(shí)提醒運(yùn)行人員采取安全措施，防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故，從而保障安全生產(chǎn)。

4 漏氫監(jiān)測系統(tǒng)的局限性和后續(xù)優(yōu)化

當(dāng)發(fā)生異常工況，氫氣確實(shí)存在泄漏，對(duì)漏氫傳感器進(jìn)行更換時(shí)，缺少隔離閥會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直接開口，氫氣上升擴(kuò)散，如遇明火會(huì)有氫爆風(fēng)險(xiǎn)，存在重大安全隱患。探頭安裝位置較低，缺少隔離閥，現(xiàn)有安裝結(jié)構(gòu)不符合廠家安裝標(biāo)準(zhǔn)。

從2013年起氫氣泄漏監(jiān)視盤定子冷卻水箱氫氣泄漏探頭多次出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)為0的缺陷，部分缺陷相隔時(shí)間小于2個(gè)月。由于定子冷卻水箱的閉式循環(huán)特性，探頭位于定子冷卻水箱頂部，探頭位置離排水（汽）管較近，水汽容易在探頭處凝結(jié)，導(dǎo)致探頭取樣孔被堵住，無法監(jiān)測出真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

國能安全（2014）161號(hào)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中提出：內(nèi)冷水箱中含氫（體積含量）超過2%應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)的監(jiān)視，超過10%應(yīng)立即停機(jī)消缺。內(nèi)冷水系統(tǒng)中漏氫量達(dá)到0.3 m?/d時(shí)應(yīng)在計(jì)劃停機(jī)時(shí)安排消缺，漏氫量大于5 m?/d時(shí)應(yīng)立即停機(jī)處理。但就地定子冷卻水箱上漏氫傳感器存在以下問題：（1）安裝有氣體流量表的內(nèi)冷水箱所排出的氣體中除了氫氣還有其他組分的氣體，所以監(jiān)測的不是真實(shí)的氫氣泄漏量。（2）內(nèi)冷水箱安裝的漏氫探頭的測量量程為0%～4%，所以不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件新要求的10%的監(jiān)測指標(biāo)。（3）當(dāng)內(nèi)冷水箱測點(diǎn)發(fā)生報(bào)警時(shí)，運(yùn)行人員無法及時(shí)有效地判定水箱內(nèi)氫氣含量屬內(nèi)冷水系統(tǒng)滲漏累積氫氣，還是內(nèi)冷水系統(tǒng)瞬時(shí)超標(biāo)漏氫。

針對(duì)以上問題，漏氫監(jiān)測系統(tǒng)后續(xù)需改進(jìn)的方面有：（1）增加探頭隔離閥，減少氫爆風(fēng)險(xiǎn)。（2）重新選擇定子冷卻水箱頂部漏氫傳感器的安裝位置，降低水汽影響。（3）給定子冷卻水箱頂部漏氫傳感器增加遠(yuǎn)傳氣體流量計(jì)，采集水箱內(nèi)排氣的流量數(shù)據(jù)，有效監(jiān)測發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)氫氣泄漏量和水箱內(nèi)的實(shí)時(shí)氫氣濃度，為運(yùn)行人員監(jiān)測發(fā)電機(jī)氫系統(tǒng)漏氫量提供可靠的依據(jù)。

5 結(jié)語

漏氫監(jiān)測系統(tǒng)的建立，切實(shí)加強(qiáng)了秦三廠對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)循環(huán)氫氣的監(jiān)測力度，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潤滑油主油箱、定子冷卻水箱和發(fā)電機(jī)出口母線的漏氫隱患，有效保障了機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行，為核電事業(yè)的快速發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳杰.核電廠嚴(yán)重事故氫氣監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].自動(dòng)化儀表，2015（11）：74-76.

[2] 陳杰武.百萬千瓦發(fā)電機(jī)氫氣燃爆的預(yù)防措施[J].上海大中型電機(jī)，2011（2）：57-59.