重水核電廠氫氣純度分析儀的改造分析

諸海川，常滿(mǎn)意

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 技術(shù)三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

某重水核電廠發(fā)電機(jī)采用“水氫氫”冷卻方式冷卻發(fā)電機(jī)腔室，發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈采用水冷卻方式，氫氣（H2）則是冷卻定子鐵芯及轉(zhuǎn)子，以防止發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力及局部過(guò)熱。發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由供氫站經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥向發(fā)電機(jī)腔室提供氫氣，經(jīng)再循環(huán)冷卻水冷卻后，再冷卻發(fā)電機(jī)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子。氫氣在發(fā)電機(jī)內(nèi)部由發(fā)電機(jī)軸上葉片強(qiáng)迫循環(huán)，并通過(guò)氫氣冷卻器進(jìn)行散熱。

發(fā)電機(jī)須長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)檢修時(shí)，必須用二氧化碳（CO2）將發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣置換出來(lái)，再用壓縮空氣將二氧化碳置換出來(lái)。在發(fā)電機(jī)維修結(jié)束重新投運(yùn)前，用二氧化碳置換發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)的空氣，再用氫氣置換發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)的二氧化碳。當(dāng)氫氣的純度達(dá)90%以上時(shí)，可以對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行充氫升壓。

就地氫氣控制盤(pán)臺(tái)位于汽機(jī)廠房87.5m 層壓空房間門(mén)口，在盤(pán)臺(tái)上有一塊發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體壓力指示表、氫氣純度指示表、氫氣溫度表、二氧化碳純度指示表、氫氣干燥器電加熱器的控制開(kāi)關(guān)，以及氫氣和二氧化碳純度取樣回路及相關(guān)儀表。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)取樣回路連續(xù)不斷地從發(fā)電機(jī)內(nèi)抽出氣體進(jìn)行氫氣純度的監(jiān)測(cè)，即可以時(shí)刻反應(yīng)出發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的純度。當(dāng)氫氣純度異常下降時(shí)，在主控室有相應(yīng)的光字牌報(bào)警和CI 報(bào)警，從而提示運(yùn)行人員及時(shí)采取糾正措施，避免氫氣爆炸事故的發(fā)生。

1 氫氣控制要求

根據(jù)某重水核電廠氫氣冷卻系統(tǒng)運(yùn)行文件要求，發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣循環(huán)流動(dòng)。氫氣在流經(jīng)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子時(shí)帶走它們?cè)诎l(fā)電機(jī)帶負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱量，氫氣在流經(jīng)氫氣冷卻器時(shí)，其熱量被再循環(huán)冷卻水帶走，發(fā)電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子得以被氫氣連續(xù)冷卻。

為防止在發(fā)電機(jī)殼內(nèi)外形成爆炸性混和氣體（空氣中氫氣體積含量在4.1%～74.2%之間）在發(fā)電機(jī)充氫過(guò)程中，采用二氧化碳作為中間氣體，避免氫氣和空氣直接接觸。而且，在氣體的置換過(guò)程中，要嚴(yán)格按程序進(jìn)行操作，防止氫氣泄漏到大氣中。正常運(yùn)行時(shí)，維持發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度大于98%（低報(bào)90%），通過(guò)在線(xiàn)氫氣純度儀可以連續(xù)監(jiān)視氫氣純度；當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度降低，氫氣純度儀低于98%后，須通過(guò)供氫站對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行掃氣。如果發(fā)電機(jī)氫氣純度不能維持大于90%，并且繼續(xù)下降，則需將機(jī)組停運(yùn)，發(fā)電機(jī)解列后，對(duì)發(fā)電機(jī)的氫氣進(jìn)行置換[1]。

2 變更必要性分析

氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度保持在96%～98%為最佳工況，如果機(jī)內(nèi)氫氣純度過(guò)高（高于98%），氫氣消耗量會(huì)增大，如果氫氣純度過(guò)低（低于95%），會(huì)使發(fā)電機(jī)效率降低，同時(shí)機(jī)內(nèi)氣體含氧量相應(yīng)增加，混合氣體安全系數(shù)降低，容易與其他氣體形成爆炸性混合氣體。因此，發(fā)電機(jī)氫氣純度的在線(xiàn)檢測(cè)是非常必要的[3]。

某重水核電廠發(fā)電機(jī)氫氣純度儀采用日本YAMATAKE 公司的Smart Gas Analyzer，型號(hào)為SGA 300-D3E1S-1，當(dāng)前該智能氣體分析儀已經(jīng)停產(chǎn)，無(wú)法提供備件技術(shù)支持?，F(xiàn)場(chǎng)智能氣體純度分析儀回路中的SPC 協(xié)議通訊器（純度變送器）故障，無(wú)備件可更換。主控失去對(duì)氫氣純度（AI0336）的監(jiān)測(cè)，在氫氣純度小于90%時(shí)失去氫氣純度低（CI2631）報(bào)警。

目前，依靠現(xiàn)場(chǎng)分析儀表頭的顯示值以及定期的人工化學(xué)取樣分析監(jiān)視發(fā)電氣氫氣純度。根據(jù)2018 年5 月～7月的數(shù)據(jù)分析儀工作并不穩(wěn)定，出現(xiàn)4 次讀數(shù)異常，數(shù)據(jù)在一周內(nèi)緩慢上升至103%（正常純度在99.3%～99.5%），需要不斷地在線(xiàn)標(biāo)定。且目前在線(xiàn)分析儀傳感器單元不能確保可用時(shí)間，運(yùn)行人員缺少遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及報(bào)警數(shù)據(jù)，化學(xué)取樣分析工作頻繁，增加了氫氣泄漏的不安全因素。為了解決該氣體分析儀故障無(wú)備件的問(wèn)題，有必要對(duì)發(fā)電機(jī)氫氣純度儀回路設(shè)備進(jìn)行變更替代，以保證能夠正常監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行和置換過(guò)程中氫氣和二氧化碳的純度，為運(yùn)行維修人員提供有效的參考數(shù)據(jù)。

圖1 變更前氫氣純度分析儀接線(xiàn)圖Fig.1 Wiring diagram of hydrogen purity analyzer before change

3 設(shè)備改造

3.1 氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)

變更前氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電氣回路的主要設(shè)備有：

分析儀探頭：日本Yamatake 公司的SGA300 型氣體分析儀，監(jiān)測(cè)由于空氣或其他氣體進(jìn)入所引起的轉(zhuǎn)子冷卻氣體純度的降低。

分析儀：作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，接收分析儀探頭測(cè)量的氫氣、二氧化碳和空氣的純度作為數(shù)字信號(hào)，并輸出模擬量4mA ～20mA 信號(hào)。

報(bào)警變送器：提供繼電器報(bào)警輸出信號(hào)。

指示表、切換繼電器、切換手柄：回路中使用兩塊指示表，1#指示表顯示氫氣純度（量程：85%～100%），2#指示表通過(guò)繼電器和手柄組成的切換回路，分別可顯示二氧化碳純度（背景氣為氫氣）和空氣純度（背景氣為二氧化碳），量程均為0%～100%。

變更前，氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取樣氣回路的主要設(shè)備有：空氣過(guò)濾器、截止閥、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥。通過(guò)發(fā)電機(jī)底部取氣，取樣氣體通過(guò)過(guò)濾器后，流經(jīng)分析儀探頭和流量計(jì)，最終回到發(fā)電機(jī)內(nèi)部，流量計(jì)回路分為氫氣流量計(jì)和二氧化碳流量計(jì)兩路并聯(lián)，日常運(yùn)行期間投運(yùn)氫氣流量計(jì)，置換氣期間投運(yùn)二氧化碳流量計(jì)。

3.2 變更后設(shè)計(jì)

變更后氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電氣回路的主要設(shè)備有：

圖2 變更前氫氣純度分析儀運(yùn)行流程圖Fig.2 Operation flow chart of hydrogen purity analyzer before change

圖3 變更后氫氣純度分析儀接線(xiàn)圖Fig.3 Wiring diagram of the hydrogen purity analyzer after the change

分析儀探頭：美國(guó)Honeywell（霍尼韋爾）7866 型氣體分析儀，采用熱導(dǎo)原理傳感器，測(cè)量氣體純度，將電信號(hào)傳給顯示表。使用熱導(dǎo)傳感器進(jìn)行氣體純度測(cè)量的基本原理為：熱導(dǎo)傳感器的熱絲具有電阻隨溫度變化的特性，當(dāng)有電流通過(guò)熱導(dǎo)傳感器的熱絲時(shí)，熱絲被加熱，由于載氣的熱傳導(dǎo)作用使熱絲的一部分熱量被載氣帶走，熱絲的溫度下降。在這個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，熱絲的電阻值和熱絲內(nèi)部的電流發(fā)生變化，傳感器便有信號(hào)輸出，此時(shí)輸出的電信號(hào)與載氣的純度成一定的比例關(guān)系[2]。

分析儀顯示表：作為控制單元，接受探頭的電信號(hào)，顯示測(cè)量氣體的百分比及報(bào)警信息，并輸出模擬量4mA ～20mA 信號(hào)和繼電器報(bào)警輸出信號(hào)（量程：75%～100%）。

圖4 變更后氫氣純度分析儀運(yùn)行流程圖Fig.4 Operation flow chart of hydrogen purity analyzer after change

圖5 氫氣流量計(jì)浮球卡澀Fig.5 Hydrogen flowmeter float ball jam

電源：對(duì)分析儀探頭和顯示表進(jìn)行供電。變更后氣回路的設(shè)備不變化，但根據(jù)7866 型氣體分析儀的技術(shù)要求，探頭采用常壓測(cè)量的工作方式，因此須對(duì)氣回路管線(xiàn)進(jìn)行改造，使取樣氣體回路接入發(fā)電機(jī)排空總管，取樣氣體向大氣排放，每日的排氫計(jì)算值為：24h×60min×100ml/min=144000ml=144L=0.144m3。

4 變更調(diào)試問(wèn)題處理

4.1 氫氣流量計(jì)卡澀

變更后試驗(yàn)期間（投用氫氣流量計(jì)和二氧化碳流量計(jì)時(shí)，流量計(jì)內(nèi)部浮球出現(xiàn)卡澀，卡死在量程上限）。

經(jīng)分析原因如下：運(yùn)行人員投運(yùn)流量計(jì)時(shí)，需通過(guò)緩慢打開(kāi)調(diào)節(jié)閥將氫氣流量計(jì)調(diào)至滿(mǎn)量程，但是若調(diào)節(jié)閥門(mén)過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)浮球直接超量程，容易導(dǎo)致卡澀；在更換流量計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在雜質(zhì)，懷疑在改造管線(xiàn)期間，存在雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部管線(xiàn)。

表1 氫氣純度差異值Table 1 Hydrogen purity difference

圖6 對(duì)比驗(yàn)證的氣回路示意圖Fig.6 Comparison and verification of the gas circuit schematic

根據(jù)原因進(jìn)行優(yōu)化：執(zhí)行技術(shù)人員升版操作規(guī)程，向運(yùn)行人員強(qiáng)調(diào)，投運(yùn)流量計(jì)需緩慢打開(kāi)閥門(mén)，避免浮子超量程。維修人員升版作業(yè)計(jì)劃，在完成氣源管線(xiàn)改造后，增加使用壓縮空氣（或CO2）進(jìn)行吹掃，避免異物進(jìn)入流量計(jì)中。

表2 不同流量下人工取樣儀表值Table 2 Manual sampling instrument values at different flow rates

表3 標(biāo)定后儀表對(duì)比值Table 3 Instrument comparison value after calibration

4.2 在線(xiàn)表與人工取樣結(jié)果不一致

通過(guò)收集變更后設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)比人工化學(xué)取樣結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在測(cè)量數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)氣體（99.99%高純氫氣）對(duì)氫氣純度儀和人工取樣儀表進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)不一致原因進(jìn)行分析。

1）人工取樣儀表取樣流量設(shè)定過(guò)低。結(jié)合標(biāo)氣驗(yàn)證工作，在作業(yè)計(jì)劃中明確記錄2 個(gè)流量值下儀表測(cè)量數(shù)據(jù)。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄100ml/min與300ml/min 流量下儀表測(cè)量值差異為0.63%。

2）化學(xué)取樣儀表取樣時(shí)長(zhǎng)設(shè)定過(guò)短。結(jié)合標(biāo)氣驗(yàn)證工作，在作業(yè)計(jì)劃中明確記錄2 個(gè)取樣時(shí)間下儀表測(cè)量數(shù)據(jù)。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄1min 與5min 流量下儀表測(cè)量值差為0.2%。

3）化學(xué)取樣儀表誤差過(guò)大。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)氣體，驗(yàn)證化學(xué)取樣儀表測(cè)量精度。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，化學(xué)取樣測(cè)量值為99.12%，與標(biāo)準(zhǔn)氣體誤差為0.87%。

4）在線(xiàn)表測(cè)量值漂移。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)氣體，驗(yàn)證在線(xiàn)儀表測(cè)量精度。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，在線(xiàn)表測(cè)量值為97.54%，與標(biāo)準(zhǔn)氣體誤差為2.45%，超過(guò)儀表允許誤差2%，故判斷儀表測(cè)量值存在漂移。通過(guò)設(shè)備標(biāo)定調(diào)整，最終解決了人工取樣儀表與在線(xiàn)儀表數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

氫氣純度儀長(zhǎng)期帶電運(yùn)行，設(shè)備面臨老化、停產(chǎn)、缺陷率升高等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)氫氣純度分析儀進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)改造調(diào)試問(wèn)題進(jìn)行分析，提供優(yōu)化方案，深入分析了氫氣純度分析儀與化學(xué)人工取樣結(jié)果不一致的原因，并對(duì)原因進(jìn)行驗(yàn)證，其變更設(shè)計(jì)思路和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)希望能夠?yàn)槠渌?lèi)電廠的變更提供技術(shù)參考。