某核電廠氫氣站防爆設(shè)計問題的處理

張海龍

摘? 要：氫氣站作為核電廠配套設(shè)施，為電廠各系統(tǒng)和設(shè)備用戶提供正常運行所需的氫氣。然而氫氣是一種易燃易爆的氣體，為避免氫氣爆炸事故的發(fā)生，某核電對氫氣站進行了多次設(shè)計審查及安全排查。本文首先對排查發(fā)現(xiàn)的氫氣站防爆設(shè)計問題進行梳理，接著對問題出現(xiàn)的原因進行分析，并分別明確了處理措施，最后進行了經(jīng)驗總結(jié)，可供后續(xù)機組氫氣站設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：核電廠? 氫氣站? 防爆? 設(shè)計? 問題

中圖分類號：TM623.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）08（a）-0094-03

Abstract： As a supporting facility for nuclear power plants， hydrogen stations provide hydrogen for the normal operation of power plant systems and equipment users. However， hydrogen is a kind of flammable and explosive gas， to avoid the occurrence of hydrogen explosion accidents， a nuclear power plant has carried out several design reviews and safety investigations on hydrogen stations. This article sorts out the explosion-proof design problems of the hydrogen station found in the investigations， then analyzes the reasons for the problems， and clarifies the treatment measures， and finally summarizes the experience， which can be used as a reference for design of the subsequent hydrogen stations.

Key Words： Nuclear power plant; Hydrogen station; Explosion-proof; Design; Problems

1? 概述

該核電廠氫氣站主要包括低壓氫氣站、氫氣升壓站和高壓氫氣站，均以子項形式布置在廠區(qū)。低壓氫氣站為雙堆布置，用于儲存低壓氫氣，并為氫氣升壓站和低壓氫氣用戶提供氫氣。氫氣升壓站為全廠共用，廠房布置在低壓氫氣站內(nèi)，通過氫氣升壓站設(shè)備制備高壓氫氣，并灌充到高壓氫氣瓶，送到高壓氫氣站。高壓氫氣站為單堆布置，為高壓氫氣用戶提供氫氣。然而氫氣易燃易爆，當其擴散到空氣中的體積濃度達到爆炸極限4.0%～75.6%[1]，如遇明火、撞擊火花、雷擊火花、靜電火花或電火花就會導致爆炸事故的發(fā)生。國內(nèi)外多家核電廠都發(fā)生過較為嚴重的氫氣燃燒爆炸事故，因此，氫氣防爆設(shè)計非常重要，根據(jù)氫氣的危險特性，必須做好氫氣站的防爆設(shè)計。該核電對氫氣站防爆設(shè)計問題高度重視，進行了多次設(shè)計審查及安全排查，發(fā)現(xiàn)了一系列問題。

2? 氫氣防爆設(shè)計的主要措施

氫氣防爆設(shè)計是通過采取設(shè)計方面的措施使構(gòu)成氫氣爆炸的因素盡量不發(fā)生，降低構(gòu)成氫氣爆炸的必備條件同時發(fā)生的概率，從而達到防止氫氣爆炸的目的。氫氣防爆設(shè)計措施如下：

（1）針對明火，控制火源與氫氣潛在泄漏位置的距離[2]。

（2）針對撞擊火花，采用防撞擊火花設(shè)計。

（3）針對雷擊火花，采用建筑物防雷設(shè)計。

（4）針對靜電火花，采用設(shè)備接地設(shè)計。

（5）針對電火花，采用防爆設(shè)備。

（6）針對氫氣泄漏，采用密封防泄漏設(shè)計。

（7）針對泄漏區(qū)域通風不良，采用機械通風措施，保證空氣中氫氣最高含量不超過1%（體積）。

（8）建筑物頂內(nèi)平面應平整，防止氫氣在頂部凹處集聚。在氫氣可能集聚處或濃度增加處，應設(shè)置固定式氫氣檢測報警儀。

3? 氫氣站防爆設(shè)計的主要問題

氫氣站防爆設(shè)計問題主要體現(xiàn)為廠房設(shè)計和設(shè)備設(shè)計的不完善，具體問題如下。

3.1 廠房設(shè)計不完善的問題

（1）觸摸式人體靜電消除器設(shè)置的問題。近年來由于人體靜電造成的爆炸事故比較常見，HG/T 20675-1990中有利用接地金屬體消除靜電的規(guī)定。觸摸式人體靜電消除器作為專用的接地金屬體，能改善人體靜電的管理水平，抑制事故頻發(fā)的趨勢。該核電廠低壓氫氣站和高壓氫氣站在施工圖中均缺少觸摸式人體靜電消除器的設(shè)置[3]。

（2）低壓氫氣站氣瓶拖車間氫氣濃度監(jiān)測的問題。

低壓氫氣站氣瓶拖車間上方存在通風死角，存在氫氣集聚的可能性，然而設(shè)計方在施工圖中僅給出了布置位置要求，但未對氫氣探頭布置的詳細安裝方式進行明確，導致施工單位不能按照設(shè)計的意圖完成探頭安裝，氫氣探頭未安裝在氫氣可能集聚處或氫氣濃度可能增加處，違反國標GB4962-2008[4]中“氫氣使用區(qū)域應通風良好，保證空氣中氫氣最高含量不超過1%（體積）。建筑物頂內(nèi)平面應平整，防止氫氣在頂部凹處集聚。在氫氣可能集聚處或氫氣濃度可能增加處，宜設(shè)置固定式氫氣檢測報警儀”的規(guī)定。

（3）密封防泄漏的問題。

低壓氫氣站值班室和壓縮機間隔墻上有若干貫穿孔，用于電纜、儀表接線的穿墻布置，在電纜、儀表接線施工完成后，仍存留有貫穿孔，未進行封堵，違反GB4962-2008中相關(guān)規(guī)定，如果氫氣擴散至值班室，與非防爆電氣設(shè)備產(chǎn)生的火花等接觸就可能發(fā)生爆炸。

（4）氣瓶間天窗防曬的問題。

高壓氫氣站上方采用透明玻璃鋼采光板，夏天太陽易直曬氣瓶，違反國標GB4962-2008中“儲存和使用氫氣瓶的場所應通風良好，不得靠近火源、熱源及在太陽下暴曬”的規(guī)定。

3.2 設(shè)備設(shè)計不完善的問題

（1）高壓氫氣站內(nèi)氫氣設(shè)備與管道法蘭之間未設(shè)置跨接線的問題。

高壓氫氣站內(nèi)氫氣設(shè)備與管道法蘭之間未設(shè)置跨接線，跨接電阻為0.1Ω，不符合國標GB50177-2005[5]中“氫氣站、供氫站內(nèi)的管道法蘭、閥門等連接處，應采用金屬線跨接”和GB4962-2008中“氫氣設(shè)備與管道上法蘭間的跨接電阻應小于0.03 Ω”的要求。

（2）高壓氫氣瓶儲存的問題。

氫氣升壓站設(shè)備會將制備好的氫氣灌充到高壓氫氣瓶中，并在氫氣升壓站房間進行臨時儲存，然而設(shè)計方并未為高壓氫氣瓶考慮儲存支架，存在較大的安全隱患[6]。

（3）高壓氫氣瓶運輸?shù)膯栴}。

氫氣升壓站到高壓氫氣站都有一定距離，而且單個氣瓶較重（約121kg），而設(shè)計方最初設(shè)計時未考慮運輸方案和運輸工具，無法滿足高壓氫氣瓶頻繁人工運輸?shù)男枨蟆?/p>

4? 原因分析

一期工程氫氣站防爆設(shè)計出現(xiàn)上述問題，經(jīng)分析，主要原因有如下幾點。

（1）設(shè)計人員對標準規(guī)范理解不夠準確和透徹，對設(shè)計細節(jié)關(guān)注不夠。比如觸摸式人體靜電消除器的設(shè)置、氫氣設(shè)備與管道法蘭之間跨接線的設(shè)置、氣瓶儲存場所屋面材料的選擇等。

（2）設(shè)計遺漏。如觸摸式人體靜電消除器的設(shè)置、貫穿孔有效處理措施和高壓氫氣瓶儲存和運輸設(shè)備標準規(guī)范要求等，在設(shè)計初始階段并未明確。

（3）設(shè)計意圖未得到充分理解。比如設(shè)計方在設(shè)計中設(shè)置了氫氣探頭，但由于施工圖未明確安裝位置和安裝方式，導致了氫氣探頭實際安裝位置不滿足要求。

5? 處理措施

對于上述氫氣站防爆設(shè)計出現(xiàn)的問題，具體處理措施如下。

（1）對于觸摸式人體靜電消除器設(shè)置的問題，設(shè)計上為低壓氫氣站和高壓氫氣站在大門外增設(shè)了觸摸式人體靜電消除器，便于作業(yè)人員工作前完成靜電釋放，避免因人員帶電作業(yè)而導致氫氣爆炸事故的發(fā)生。

（2）對于低壓氫氣站氣瓶拖車間氫氣濃度監(jiān)測的問題，增加了在房梁上安裝支架方式的設(shè)計要求，以滿足氫氣泄漏監(jiān)測的要求。

（3）對于密封防泄漏的問題，經(jīng)確認，上述貫穿孔屬于多余的，設(shè)計方未對其用途和處理措施進行明確。為此，設(shè)計上明確了采用細石混凝土對此洞進行封堵，以避免氫氣泄漏到易爆環(huán)境中，從根源上杜絕爆炸的隱患。

（4）對于氣瓶間天窗防曬的問題，設(shè)計改進建議在采光板表面粘貼深色防曬貼膜（如灰色、藍色），以避免因暴曬而導致氫氣爆炸事故的發(fā)生。

（5）對于高壓氫氣站內(nèi)氫氣設(shè)備 與管道法蘭之間未設(shè)置跨接線的問題，要求對該法蘭兩端采用不小于BVR-6mm2的金屬接地線按國標要求跨接，以滿足“氫氣設(shè)備與管道上法蘭間的跨接電阻應小于0.03 Ω”的要求。

（6）對于高壓氫氣瓶儲存的問題，經(jīng)協(xié)調(diào)增加了相應設(shè)計，并增加了防爆設(shè)計方面的要求。針對高壓氫氣瓶的特殊屬性，對氣瓶固定支架采取了多項防爆設(shè)計措施，可以很好地保證高壓氫氣瓶儲存的安全性，具體要求包括“在固定架上與氣瓶接觸的位置全部貼有絕緣橡膠;氣瓶固定架外表面全部進行噴塑處理;在氣瓶底部鋪設(shè)導電橡膠;所有氣瓶固定架的鎖緊鏈外部全部包裹熱塑管;對于氣瓶固定支架也預留了接至廠房接地網(wǎng)的接地線”。

（7）對于高壓氫氣瓶運輸?shù)膯栴}，最終確定短距離采用氣瓶手推車和長距離采用防爆電瓶搬運車的運輸方案。為保證氣瓶手推車運輸?shù)陌踩?，明確氣瓶推車采用四輪結(jié)構(gòu)，具有鎖緊裝置和防靜電措施，以避免手推車傾翻或產(chǎn)生靜電火花。對于防爆電瓶搬運車，為避免氣瓶從地面搬運至電瓶車車廂時發(fā)生滑動或傾倒，明確“設(shè)置升降式尾板，尾板載荷1 t;車廂設(shè)置氣瓶防震措施和固定裝置;通過防爆安全認證，并滿足GB 4962-2008等規(guī)范中對氫氣瓶運輸?shù)南鄳蟆?。如此，可從設(shè)計上保證高壓氫氣瓶在氫氣站間運輸?shù)陌踩浴?/p>

6? 結(jié)語

對于氫氣相關(guān)高風險系統(tǒng)的設(shè)計，尤其是涉及安全性的設(shè)計要給予高度重視。設(shè)計管理人員可組織安全專項審查，確保設(shè)計滿足相關(guān)標準規(guī)范和安全規(guī)定;工程管理人員對施工方要加強監(jiān)管，確?？⒐さ南到y(tǒng)、設(shè)備和子項滿足設(shè)計要求，最終確保整個電廠的安全穩(wěn)定運行。希望本文能為后續(xù)項目氫氣站的設(shè)計提供參考。

參考文獻

[1] 王輝，石雪垚，劉建平，等.先進壓水堆核電站氫氣風險分析[J].原子能科學技術(shù)，2015（5）：877-883.

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[3] 曲國興.基于氫氣管道吹掃方案選擇的計算和驗證[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（14）：42-43.

[4] 樓雅琪.多煉廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究[D].杭州：浙江大學，2019.

[5] 竇剛玉，劉志通.發(fā)電廠氫氣站設(shè)計中美標準比較[J].吉林電力，2016（1）：33-35.

[6] 孫攀.AP1000高壓氫氣系統(tǒng)設(shè)計要點[C].第十九屆中國科協(xié)年會論文集2017.