发电机氢气泄漏分析与改进研究

2018-07-23刘龙

浙江省安全生产论文集 2018年0期

刘龙

（中核核电运行管理有限公司）

秦山核电厂发生过多次发电机氢气泄漏事件，由于干预及时，避免了氢爆、燃烧的严重工业安全事故。氢气泄漏可能会给电厂带来灾难性的后果，威胁人员和设备的安全。本文阐述了发电机氢气泄漏的危害，结合国内外发电机氢气泄漏事件，重点分析了发电机氢气泄漏途径，研究了紧急干预措施，并提出管理上和技术上的改进建议。

一、发电机氢气泄漏的危害

发电机氢气泄漏严重影响发电机的安全运行，并可能引发工业安全事故，主要危害有：

（1）氢气泄漏造成发电机的氢气压力下降，发电机冷却不足，内部构件局部过热，影响发电机正常运行。

（2）氢气压力低可能导致发电机氢气与定子冷却水压差降低、氢气与密封油压差增加，进而导致发电机进水、进油，发生发电机定子、转子绕组绝缘损坏的事故，严重时还会造成相间或对地短路事故。

（3）氢气属易燃易爆的气体，空气中含氢量达到4%—74%（体积比），遇明火或温度700 ℃以上时，会发生爆炸、燃烧。

（4）氢气泄漏会造成机组耗氢量增加，发电机需频繁补氢，机组运行成本提高。

二、秦山核电厂发电机氢气泄漏事件和改进措施

（一）发电机氢气泄漏事件

秦山核电发生过多起发电机氢气泄漏事件，由于干预及时，避免了发生氢气爆炸、燃烧的严重工业安全事故，以秦山核电二厂4号机组一起氢气泄漏事件为例。

2013年3月17日，汽轮发电机打闸惰转至623rpm，主控室突发氢气与密封油压差低报警，汽轮发电机9瓦处有油喷出，且伴有烟雾，立即对发电机紧急排氢。密封油压恢复正常后，停止紧急排氢。本次氢气泄漏原因为氢气密封油系统过滤器堵塞，导致密封油压降低、密封功能丧失。整个过程历时10分钟左右，大量氢气从发电机轴承处泄漏，险些酿成严重的工业安全事故。

（二）改进措施

针对历次发电机氢气泄漏事件，秦山核电采取了以下改进措施：

（1）拆除发电机排污阀的手柄，防止误碰或误操作导致氢气泄漏，并在排污管口增加管帽，防止阀门内漏。

（2）每班执行密封油系统过滤器刮污操作，避免过滤器堵塞，密封功能丧失。

（3）在值班室门口和发电机平台增加紧急排氢操作文件，确保第一时间拿到操作文件，进行紧急排氢。

（4）在原设计基础上另增加一条应急排氢管线，新增管线更便于第一时间紧急排氢。

（5）所有涉氢区域增加氢气泄漏监测装置。

三、发电机氢气泄漏分析

根据氢气冷却型发电机设计、安装情况，并结合国内外经验，本文将会分析发电机氢气泄漏易发生部位，研究干预措施，并提出管理和技术上的改进建议。

根据泄漏的途径的不同，氢气泄漏可分为内漏和外漏，氢气直接漏到环境中称为外漏，外漏部位比较直观，容易查找和处理；氢气通过其他介质或系统泄漏到环境中称为内漏，内漏不易查找和处理。

（一）氢气外漏

1.氢气外漏的部位

外漏主要发生在以下几个部位：（1）发电机端罩与机座的结合面；（2）发电机本体的入孔门；（3）定子引出线或中性点套管；（4）氢气冷却器上、下法兰与机壳结合面处的橡胶垫；（5）设备的焊缝；（6）氢气供给系统管道、阀门、法兰。

2.氢气外漏的干预措施

（1）监测发动机定子和转子温度，降低发电机出力或者打闸停机，避免发生燃烧、氢爆，导致人员受伤或发电机等重要设备损坏。

（2）停止所有汽轮机厂房的检修活动，通知无关人员撤离。

（3）加强厂房通风，避免氢气积聚。

（4）确认氢气泄漏率在安全可控范围内后，展开查漏工作：①首先查看氢气泄漏监测装置，确认是否监测到氢气泄漏部位。②发电机本体查漏，一般由专业人员通过涂抹检漏液和使用氢气检测仪相结合的方法查漏。需要特别注意的是，查漏人员需严格使用防爆工具，随身不能携带电子产品，以免产生火花。③氢气供给系统管道、阀门、法兰等处查漏，可使用部分隔离与涂抹检漏液相结合的方法查漏。如氢气干燥器、湿度仪、发电机绝缘监测仪等，可以通过分步隔离的方法判断漏点。④如发电机轴承处存在氢气外漏，则检查发电机密封油系统运行情况，尽快恢复封油系统至正常运行。

（5）如漏点无法短时间确定及消除，果断打闸停机，并执行紧急排氢操作。

3.针对氢气外漏的改进建议

（1）制定或完善氢气外漏检查及干预导则。严格按照导则处理不但有据可依，而且处理思路清晰，减少分析、查漏及干预时间，为故障处理争取宝贵的时间。

（2）制定或完善紧急排氢操作文件。完善的紧急排氢操作文件可以指导值班人员尽快采取缓解措施，如立即启动风机或开启发电机周边窗户，加快厂房内空气置换，避免氢气局部积聚、爆炸；执行紧急排氢操作，避免氢气漏入厂房内。

（3）涉氢区域配备凡士林或黄油。氢气泄漏检查、处理过程中防火花措施尤其重要，金属工具上涂抹凡士林和黄油是一种简易、快速的防火花措施。大面积查漏过程中，值班室内防火花铜质工具不够用时，金属工具上涂抹凡士林或者黄油是一个很好的安全措施。

（4）实施针对性的技术改进方案。针对氢气泄漏事件，应尽快制定、实施技术改进方案，避免相同事件重复发生。如秦山核电厂发电机氢气纯度仪的流量调节阀先后发生两次阀门开度异常开大，导致氢气外漏事件。建议在该调节阀上增设固定卡销或者阀门换型，避免由于管线震动等原因导致阀门开度异常开大的现象。

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图1 氢气纯度仪取样调节阀增设固定卡销

（5）对发电机氢气管道中的易破碎仪表进行换型。田湾核电厂发生过因为玻璃流量计破碎导致氢气泄漏的事件，国内外许多发电厂的氢气纯度仪流量计和氢气湿度仪流量计均为塑料或玻璃材质，有老化、破损导致氢气泄漏的风险。建议将涉氢管道中的玻璃、塑料材质的表计更换为金属式数字指示仪。

（6）发电机区域增加专用鼓风机。总结国内外电厂的经验，氢气泄漏事故下，使用大风量风机鼓风、避免氢气积聚的方法效果较好。建议在发电机区域增加专用鼓风机，在紧急排氢操作文件中增加事故时值班人员启动鼓风机的指令。

（二）氢气内漏

1.氢气内漏的途径

发电机内氢气与闭式冷却水系统、密封油系统、定子冷却水系统相接触，氢气压力边界的密封性变差或密封面损坏都会导致氢气向上述系统泄漏，再经上述系统向环境泄漏。

2.氢气内漏的干预措施

（1）经闭式冷却水系统向环境泄漏的干预措施。闭式冷却水通过冷却盘管对发电机内氢气进行冷却，冷却盘管内壁及盘管的接口处易发生氢气泄漏，漏向闭式冷却水系统中，再经闭式冷却水系统漏向环境。冷却盘管处的氢气泄漏一般是一个缓慢且逐渐增大的过程，留有一定查漏时间。

①氢气泄漏较小且在可控范围时，可利用氢浓度检测仪在冷却盘管的水侧各个排气口检测氢浓度的方法确定漏氢的冷却盘管。上述方法无法确定漏点时，则采取逐一隔离冷却盘管的方法，比较隔离前后发电机氢气泄漏速率的变化，若氢气泄漏速率减小，则可判断为该冷却盘管泄漏。泄漏的冷却盘管在隔离状态下，发电机可通过降低功率保持长期运行。

图2 冷却盘管查漏示意图

（2）经密封油系统向环境泄漏的干预措施。发电机密封油系统是提供氢气密封功能，一旦密封油系统油压下降或丧失，氢气会通过密封油并沿着发电机轴承向外泄漏。

①氢气泄漏较小且在可接受范围时，检查密封油压是否正常、调节阀和平衡阀的调节功能是否正常、过滤器是否堵塞、密封油管路是否存在漏油等。条件允许下紧急抢修，否则打闸停机后处理。

②如果密封瓦磨损或者密封油压完全丧失，此时会发生大量氢气泄漏，发电机轴承处可能发生燃烧、爆炸，应立即执行紧急排氢操作，同时打闸停机。

③如泄漏率大，且无法短时确定漏点，应立即执行紧急排氢操作，并打闸停机，再做检查、处理。

（3）经定子冷却水系统向环境泄漏的干预措施。正常运行时，定子冷却冷水压低于氢压，由于氢气渗透力特强，有微量氢气通过空心铜管管壁进入定子冷却水系统属于设计上允许的情况。一旦定子冷却冷水系统密封不良就有可能导致超设计量的氢气漏入定子冷却冷水中，再经定子冷却水系统漏向环境。根据国内外经验，空心铜管和聚四氟乙烯引水管接头处发生氢气泄漏概率较高。

①泄漏率小时，可通过取样检查定子冷却水箱上部覆盖氮气中的氢含量，氢含量有异常上涨趋势，可判断为定子冷却水系统存在氢气泄漏。密切监测氢气泄漏率变化情况，根据定子冷却水系统设计说明书控制机组运行情况。

②泄漏率较大时，定子冷却水箱上部气压会明显增加，压力达到定值时，安全阀会动作，将水箱上部氮气、氢气混合气体排至室外。氢气泄漏率一旦达到发电机运行限值，立即打闸停机，并进行冷却水管的解体、修复。

图3 定子冷却水箱示意图

3.针对氢气内漏的改进建议

（1）增加或完善氢气内漏检查及干预导则。内漏比外漏更加隐蔽，需更多时间分析、排查，尤其能体现出查漏及干预导则的优越性。导则中详细描述与发电机相连系统的查漏及干预措施，指导电厂人员条理清晰地处理发电机氢气内漏事件，避免临时忙乱，错过最佳处理时机，甚至事态恶化。

（2）改进密封油温控制系统的调节性能。国内外多次出现密封油温变化导致密封瓦损坏，进而导致发电机氢气泄漏，改善密封油温控系统的调节性能是保持油温稳定的根本方法。如：秦山核电厂的密封油的冷却水流量调节阀的自动调节性能差，冬季时基本在全关位置，流量——开度线性较差。建议增加旁路小管径冷却水管线及自动调节阀，控制回路进行相应改进（大小管径的调节阀线性叠加控制，温度低时，用小管径的调节阀控制冷却水流量，温度高时，大小管径的调节阀同时控制冷却水流量），工艺管线及调节阀函数曲线示意图如下。