发电机氢气泄漏的处理

2013-03-02王永军顾汉彬

中国核电 2013年4期

关键词：田湾定子氢气

王永军，黄蓉，袁晔，顾汉彬，张迅

（江苏核电有限公司，江苏连云港 2 22042）

发电机氢气泄漏的处理

王永军，黄蓉，袁晔，顾汉彬，张迅

（江苏核电有限公司，江苏连云港 2 22042）

文章讲述了氢冷发电机中氢气的作用、氢气泄漏的原因及可能造成的危害，介绍了发电机氢气泄漏率的计算方法。以田湾核电站2号机组T203大修后氢气系统查漏为例，讲述了漏点查找过程，并介绍了2010年5月4日，1号机组升功率过程中氢气干燥器浮子流量计破损漏氢事件，阐述了对于发电机漏氢事件，电站工作人员应如何进行处理。

发电机；氢气；泄漏；技术改造

2007年5月17日和2007年8月17日，田湾核电站两台机组分别投入商业运行。机组运行至今，先后发生了几次氢气泄漏事件，当班运行人员严密监视、果断处理，及时组织完成了缺陷处理。在使用氢气冷却方式的发电机机组中，氢气泄漏事件时有发生。由于氢气的特殊性，氢气泄漏给一些电站造成了灾难性的事故。文章从田湾核电站的实际情况出发，结合漏氢事件，阐述了田湾机组的发电机氢气冷却系统的运行工况，重点讲述了氢气在外漏情况下的查漏及处理方法。

1 氢气的作用

田湾核电站发电机是俄供三相同步发电机，型号TBB-1000-2У3，转速为3 000 r/min。为降低离心力，发电机转子的设计需要直径小而轴向长。由于发电机转子的长度长，发电机中部的热量不易散出，所以需要专门的发电机冷却系统。田湾核电站发电机为水氢冷却方式，用水冷却发电机定子线棒，氢气冷却发电机定子铁芯和转子。作为气体冷却介质需要有两个条件：1）换热效率高，也就是导热系数高（氢气导热系数是空气的8.4倍）；2）机械损失小，任何介质（流体）冷却旋转的发电机转子都会与之存在摩擦损失，这个损失的大小，与冷却介质的密度有直接关系，在所有的流体中氢气的密度是最小的。鉴于氢气具有以上的优点，田湾核电站选用氢气冷却发电机的定子铁芯和转子。

2 氢气泄漏的原因及危害

发电机中使用氢气冷却发电机定子铁芯和转子。氢气与发电机壳体、转子空心大轴、密封油系统、定子冷却水系统、氢气冷却水系统等相接触，所以氢气存在或多或少的损失。氢气的损失又可以分为两个部分：一部分是由于系统设计的原因氢气不可避免的损失；另一部分是由于氢气压力边界的密封性变差导致的额外损失。第二部分损失是可以通过氢气查漏，找出泄漏点并针对性地采取措施来减少或避免的。

田湾核电站发电机密封油系统氢侧密封油和空侧密封油取自同一油箱，在各自冷却润滑密封瓦后，空侧回油通过液封回到密封油箱，氢侧回油通过液封箱、氢气分离器回到密封油箱。这样的设计决定了有一部分氢气会溶解在氢侧密封油中并在氢气分离器、液封、密封油箱中分离出来，通过排烟风机排入大气，相应这部分的氢气损失是不可避免的。还有为了保证发电机内氢气浓度在规程要求的范围内，设置了在线表连续监测氢气浓度。在线表连续取样造成的氢气损失也是不可避免的。发电机两侧的氢气回油管线上还设置了油气分离器，正常情况下一直小流量排气，这部分排出的氢气归为不可避免损失。此外氢气压力边界如发电机外壳上的密封面等不可能做到理想上的完全密封，因此也有一定量的氢气损失。除此之外，由于氢气压力边界密封变差、发电机定子冷却水系统边界破损、氢气换热器边界破损等导致的氢气损失可归为额外损失。

正常情况下，田湾核电站的氢气泄漏率均保持在24 h泄漏量小于2%发电机内工作压力的氢气总体积。如果24 h泄漏量大于2%，说明氢气系统可能发生泄漏，需组织氢气系统查漏工作。氢气泄漏量大，会导致补氢操作频繁。如果氢气泄漏量超过制氢站供氢能力，则无法维持额定的氢气压力。氢气压力下降，发电机冷却条件恶化，影响发电机的运行安全。氢气还是一种易燃易爆气体，试验得知，在氢气和空气混合时当氢含量在4%～75%的范围内，且又有火花或温度在700 ℃以上时，就有可能爆炸。所以要严格控制氢气的泄漏量。

3 氢气泄漏率计算方法

正常运行时氢气的额定压力为0.49 MPa，运行人员通过氢气在线压力表（MKG11CP001）这个参数来监视发电机氢气压力。当氢气压力接近0.48 MPa时，进行补氢操作,直至氢压恢复至0.5 MPa。每天夜班或发现氢气下降速度变快时，运行人员需要通过公式计算氢气的泄漏量。

考虑了排污的最大日漏氢量应不超过工作压力下发电机壳体内氢气总量的10%。正常情况下（不考虑排污），按照式（1）计算出来的日漏氢量应不超过工作压力下发电机壳体内氢气总量的5%。

式中：Vy是标准大气压（绝对压力P0=0.098 MPa，温度0 ℃）下的日漏氢量，m3；

Vr是发电机与系统总共的气体体积，Vr=133 m3；

P1、P2是试验前后发电机壳体内氢气的绝对压力，MPa；

ν1、ν2是试验前后发电机壳体内氢气的温度，℃；

t是试验时间，h（不小于8 h）。

工作压力下发电机壳体内氢气总量的百分比日漏氢量S计算公式（2）如下：

式中：Vor是工作压力0.49 MPa下的发电机及其系统的气体折算成标准大气压下的体积（798 m3）。

4 氢气常见漏点及查找方法

氢气冷却发电机容易漏氢的部位有：

1）端罩与机座结合面漏氢；

2）端盖与端罩及上下半端盖结合面漏氢；

3）端盖及密封瓦座结合面漏氢；

4）定子引出线或中性点套管漏氢（通过在线表MKG68CQ001监测）；

5）氢气冷却器上、下法兰与机壳结合面处橡胶垫腐蚀引起漏氢；

6）焊缝焊接质量不良引起漏氢；

7）转子导电螺钉不严在运行中漏氢；

8）氢气供给系统管道、阀门、法兰不严引起漏氢；

9）氢气漏入定子绕组内冷水系统（通过在线表MKG81CQ001监测）；

10）密封瓦内部漏氢或者密封油系统管道、法兰等部位（部分通过在线表MKG65CQ001监测）。

当发现氢气泄漏速度异常增大时，运行人员首先监测几个在线监测仪（MKG68CQ001、MKG81CQ001、MKG65CQ001）是否有明显变化，如有变化则按照相应的规程执行。如果这些参数没有异常，则可能是其他的地方发生了泄漏，此时可以用氢气检漏仪进行查找。当发现漏氢区域而无法确定具体的位置时在可能的漏点上涂上肥皂液，如果有肥皂泡形成则表示此处即为漏点。

2010年7月8日，2号机组氢气泄漏率为3.5%，由运行处牵头，维修人员、仪控人员配合对2号机组发电机氢气相关系统进行了查漏工作。在值长组织各处室参与人员开完工前会之后，运行人员带着维修、仪控人员用氢气检漏仪检查相关系统每一个管线、设备、法兰，逐个楼层排查。当在发电机下部检查时，运行人员发现发电机补氢管线上的阀门2MKG10AA521有轻微的内漏，维修人员对阀门紧固之后仍泄漏，立即提零级工作申请处理。根据漏量判断这不是主要的泄漏点，继续进行检查。在汽轮机厂房16 m平台检查仪控设备氢气纯度表2MKG40CQ001时，运行人员再次发现，氢气检漏仪示数迅速上涨。仔细查看之后确认是一个安全阀的保护罩破裂，漏氢量较大。在值长的指令下，运行人员对氢气纯度表2MKG40CQ001进行了隔离，通知仪控专业人员对缺陷进行紧急处理，更换保护罩。之后，氢气泄漏率有明显的下降。

5 田湾核电站漏氢应急预案和氢气大量泄漏的事故预想

5.1 漏氢应急预案（氢气泄漏在可以补偿的情况下使用）

汽轮发电机功率运行时发生氢气泄漏率大于泄漏标准时（大于2%发电机工作压力的氢气总体积/天，或者大于16 m3标准体积/天），启动电站漏氢处理组织机构，确保人身和设备安全。

漏氢处理组织机构如图1所示。

与氢气查漏无关人员禁止进入汽轮机厂房。由于氢气在空气中的爆炸极限为4%～75%，因此，所有人员禁止在汽轮机厂房内使用手机、BP机等无线通讯设备，禁止在汽轮机厂房内进行任何动火、金属敲击和电气操作。为了防止氢气积聚在汽轮机厂房上部，现场操作员在测定氢气浓度小于4%后，开启汽轮机厂房天窗。辅助系统操纵员确认汽轮机厂房消防系统可用。根据机组值长指令，保卫处负责在重要区域配备消防车，消防人员随时待命。

汽轮机操纵员按照汽轮发电机运行规程进行机组状态控制，及时向机组值长反馈汽轮发电机组状态，密切关注氢气泄漏趋势，必要时通知现场操作员进行补氢。汽轮机操纵员加强与氢气相邻系统内氢气浓度变化的监测，每昼夜由化学人员对密封油系统，发电机定子绕组冷却水中氢含量进行一次化学分析。

图1 漏氢处理组织机构Fig.1 The organization of treating hydrogen leakage

运行现场人员确认氢气系统和氢气相关系统阀门在线的正确性，和仪控人员一起确认在线氢气泄漏监测仪和发电机氢气纯度表的流量无异常，如有异常隔离相应仪表，继续观察氢气泄漏趋势。工业安全科人员应加大对汽轮机厂房氢气系统相关区域进行氢气浓度测量的检测频率，发现异常迅速汇报主控及相关领导。维修查漏人员对氢气相关系统（如发电机端盖、氢气系统仪表、法兰、发电机下部法兰、人孔等区域）进行漏点查找，发现漏点后立即汇报当班值长及相关领导，及时进行漏点处理。

5.2 发电机大量漏氢的事故预想（氢气泄漏暂时无法补偿时参考使用）

当机组发生大量漏氢时，值长立即启动日常生产管理组；进行事故机组广播，请与氢气查漏无关人员立即撤离汽轮机厂房，禁止任何人进行动火作业和拨打手机；进行处理氢气泄漏的人员安排（包括从相邻机组调集支援人员）。

反应堆操纵员关注一回路各项参数，在值长的命令下进行降负荷。

汽轮机操纵员立即检查事故排氢阀是否开启，如开启立即关闭，要求现场人员马上进行补氢。如事故排氢阀没有开启，则立即要求现场人员补氢同时进行氢气查漏。

现场人员查漏路线为：汽轮机厂房16 m，检查密封油氢气侧回油窥视窗MKW35/65AX001玻璃是否破损，发电机本体处的氢气浓度是否上升；汽轮机厂房8 m，检查氢气干燥器MKG50AH001内是否有漏点、密封油窥视窗MKW34/64AX001是否破损、发电机下方积油窥视窗MKG31/32AX001是否破损；汽轮机厂房0 m，检查密封油液封箱处氢气浓度有无大的变化。如果现场发现明显漏点，立即隔离，隔离后汇报主控室当班值长。

汽轮机操纵员密切监视氢气压力，同时检查发电机诊断系统中各项参数，重点是发电机定子铁芯、定子绕组、冷氢和热氢温度。如果机组降负荷，汽轮机操纵员需要关注二回路系统的汽水平衡，重点是保证蒸汽发生器、除氧器、2号低加、汽水分离器凝结水箱液位稳定，必要时进行手动调节。事故处理时应该严格执行规程，不能让发电机的参数超过规程规定的限值。下面是规程中的一些具体的规定：

1）当冷氢温度超过50 ℃时，发电机禁止运行。当冷氢温度超过50 ℃时，发电机应该降负荷，并在出现信号后不超过5 min内将发电机解列。

2）发电机热氢温度不应该超过75 ℃。当任一温度测点超过75 ℃时，应该降低发电机负荷，直到温度≤75 ℃。

3）如果负荷降低并不能使热氢温度降低，发电机应该降功率并在温度达到85 ℃报警信号出现后不超过5 min内将发电机解列。

4）如果定子铁芯和定子绕组温度超过允许值，即：

定子铁芯 105 ℃；

定子绕组 105 ℃。

如果负荷降低并没有使温度降低，发电机应该立即降负荷并解列。

如果采取措施后不能消除故障，当发电机定子铁芯温度MKA14FT001≥120 ℃且相应保护未动作，发电机应该立即降负荷并解列。

5）在任何工况下定子绕组定冷水入口压力不应该超过发电机氢压。当无氢压，定子冷却水泵应该停运。发电机定子冷却水系统的停运是在汽轮发电机停运后，发电机壳体内氢气压力降至0.2 MPa以后进行。

6）在密封油系统工作且发电机壳体内气体压力小于0.06 MPa时，为了避免密封油漏入发电机定子内(由于液封MKW35AT001、MKW65AT001过充，高液位信号M K W 3 5 C L 0 0 1、MKW65CL001触发而无法通过玻璃管油位计监测油位)，应打开液封的浮式液位调节器的旁路阀MKW35AA007、MKW65AA007来调节油位☒

6 田湾核电站1号机漏氢事件过程

2010年5月4日14时44分，主控运行人员监盘时发现，发电机氢气压力急剧下降，值长立即命令现场人员进行补氢操作，同时指令开始氢气查漏，命令汽轮机操纵员严密监视发电机的各项参数。虽然现场人员全开补氢阀门，但是氢气压力仍在下降，仅8 min时氢气压力就从正常值0.49 MPa下降到0.2 MPa。为了防止氢气泄漏造成发电机转子和定子铁芯的冷却恶化，值长下令降功率。从图2中可以看到，在氢气压力下降后发电机定子铁芯温度、定子绕组温度和热氢温度都在上升。直到以上温度测点停止上升后，值长命令停止降功率，发电机功率由803 MW降到519 MW。随后由于除氧器液位下降，为了防止主给水泵跳泵导致蒸汽发生器失去给水，值长第二次下令降功率，功率最低降到151 MW。

现场运行人员查找氢气漏点时，常规岛主管判断可能是氢气干燥器出现问题（因为氢气干燥器刚处理过再生浮子流量计漏点的缺陷），迅速赶到氢气干燥器处，发现再生浮子流量计玻璃管已经破碎，通过此处氢气正在大量泄漏。常规岛主管立即隔离氢气干燥器，并汇报值长。氢气漏点隔离后氢气压力缓慢上升，15时42分05秒氢气压力回升到正常值0.49 MPa。事件处理过程中发电机各项参数都没有超出发电机运行规程规定的限值。

图2 漏氢事件机组参数变化Fig.2 Changes of the parameters during the Hydrogen leakage

针对此次漏氢事件运行人员进行了分析和总结：

（1）系统自身缺陷及改进建议

氢气干燥器的再生浮子流量计选型存在问题，使用的是玻璃管流量计。正常运行时氢气压力为0.5 MPa，玻璃管在设计上考虑能承受1 MPa的压力，但是随着运行时间的推移，玻璃管边缘出现裂痕。裂痕的存在导致氢气的缓慢泄漏，并在保护罩内的小空间内集聚且与空气混合，最后小范围内发生氢爆，最终造成玻璃管的爆裂，从而导致发电机大量漏氢。选材时应该考虑选用不会爆裂的材料（例如金属管）。

（2）运行人员在事故处理过程中的不足及改进措施

发电机热氢温度上涨后，值长下令降功率。但是降功率过程中没有操纵员全程监视发电机各系统的参数，没有根据参数变化来及时改变降功率的速度与目标值。机组降功率的过程中，降功率速度过快会导致二回路系统液位波动较大。汽轮机操纵员发现2号低加、除氧器液位波动大时，应密切关注调阀的工作情况，如发现调阀工作异常，需手动干预调阀的工作，来保证二回路水循环系统的正常运行。降功率过程中除氧器液位最低降到1.75 m，2号低加短时溢流，从而导致机组被迫第二次降负荷。在机组瞬态过程中，操纵员不应该只着眼于引起事故的参数监测，而应该统揽全局，加强对机组状态的全面把握，使机组处于一个安全的状态。

7 田湾核电站为了降低氢气泄漏风险进行的技术改造

田湾核电站为了降低发电机氢气泄漏的可能性，通过分析讨论，进行了两项技术改造。

技改一：2号机组将氢气干燥器的再生浮子流量计玻璃管更换为金属管；

技改二：1号发电机底部12个排油阀后增加一道隔离阀。

当1号发电机转子绝缘波动时需要定期打开发电机底部排油阀进行排油，而排油阀频繁的操作可能致使排油阀关不严密，从而导致发电机漏氢。在1号机组第三次大修期间在1号发电机底部排油阀后各增加一道隔离阀，共12个阀门，如图3虚线框内。

图3 系统改造图Fig.3 System transformation diagram

8 结束语

正常运行时运行人员通过对氢气压力的监测和氢气泄漏率的计算，可以得到氢气的泄漏速度和泄漏量。如果发现氢气泄漏率异常增大，当班人员应立即组织相关部门进行查漏工作，力争将缺陷消除于萌芽之中。运行人员应加强对机组缺陷与系统状态的把握，出现大量漏氢事故时，有助于迅速地判明漏点并隔离堵漏。通过对应急预案和事故预想的学习能保障处理事故有条不紊。发现系统缺陷后及时分析原因，考虑进行技术改造的可能性。希望通过交流，能加深对氢气系统的了解，在氢气泄漏的情况下快速反应，为机组的安全稳定运行提供有力保障。

[1] 田湾汽轮发电机漏氢处理应急预案[R].（Emergency response plan for hydrogen leakage of TNPS turbine generator[R].）

[2] 田湾核电站发电机氢冷系统运行规程[R].（Operation procedure for TNPS generator hydrogen cooling system[R].）

[3] 田湾核电站汽轮发电机运行规程[R].（Operation procedure for TNPS turbine generator[R].）

[4] 田湾核电站1号机二回路工艺系统流程图[R].（Flow diagram for process system of TNPS Unit 1 secondary circuit[R].）

Emergency Management of the Hydrogen Leak From Generator

WANG Yong-jun，HUANG Rong，YUAN Ye，GU Han-bin，ZHANG Xun
（Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang of Jiangsu Prov.2 22042，China）

This article mainly explains the role of hydrogen in the generator of Tianwan Nuclear Power Station,the cause of hydrogen leakage and its potential risk. It also introduces the calculating method for leak rate of hydrogen. It describes the process of inspection and determination of leak location, for example the inspection for locating the leak position in the hydrogen system after TNPS T203 refueling outage, cites the event of hydrogen leakage owing to the damage of floating flow meter of hydrogen drier during Unit 1 power increase on May 4,2 010, and recommends how the NPS work personnel should deal with the generator hydrogen leakage event.

generator；hydrogen；leakage；technical modification

TL38 Article character：A Article ID：1674-1617(2013)04-0321-07