某核电厂氢气站防爆设计问题的处理

张海龙

摘  要：氢气站作为核电厂配套设施，为电厂各系统和设备用户提供正常运行所需的氢气。然而氢气是一种易燃易爆的气体，为避免氢气爆炸事故的发生，某核电对氢气站进行了多次设计审查及安全排查。本文首先对排查发现的氢气站防爆设计问题进行梳理，接着对问题出现的原因进行分析，并分别明确了处理措施，最后进行了经验总结，可供后续机组氢气站设计参考。

关键词：核电厂  氢气站  防爆  设计  问题

中图分类号：TM623.1                          文献标识码：A                  文章编号：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

该核电厂氢气站主要包括低压氢气站、氢气升压站和高压氢气站，均以子项形式布置在厂区。低压氢气站为双堆布置，用于储存低压氢气，并为氢气升压站和低压氢气用户提供氢气。氢气升压站为全厂共用，厂房布置在低压氢气站内，通过氢气升压站设备制备高压氢气，并灌充到高压氢气瓶，送到高压氢气站。高压氢气站为单堆布置，为高压氢气用户提供氢气。然而氢气易燃易爆，当其扩散到空气中的体积浓度达到爆炸极限4.0%～75.6%[1]，如遇明火、撞击火花、雷击火花、静电火花或电火花就会导致爆炸事故的发生。国内外多家核电厂都发生过较为严重的氢气燃烧爆炸事故，因此，氢气防爆设计非常重要，根据氢气的危险特性，必须做好氢气站的防爆设计。该核电对氢气站防爆设计问题高度重视，进行了多次设计审查及安全排查，发现了一系列问题。

2  氢气防爆设计的主要措施

氢气防爆设计是通过采取设计方面的措施使构成氢气爆炸的因素尽量不发生，降低构成氢气爆炸的必备条件同时发生的概率，从而达到防止氢气爆炸的目的。氢气防爆设计措施如下：

（1）针对明火，控制火源与氢气潜在泄漏位置的距离[2]。

（2）针对撞击火花，采用防撞击火花设计。

（3）针对雷击火花，采用建筑物防雷设计。

（4）针对静电火花，采用设备接地设计。

（5）针對电火花，采用防爆设备。

（6）针对氢气泄漏，采用密封防泄漏设计。

（7）针对泄漏区域通风不良，采用机械通风措施，保证空气中氢气最高含量不超过1%（体积）。

（8）建筑物顶内平面应平整，防止氢气在顶部凹处集聚。在氢气可能集聚处或浓度增加处，应设置固定式氢气检测报警仪。

3  氢气站防爆设计的主要问题

氢气站防爆设计问题主要体现为厂房设计和设备设计的不完善，具体问题如下。

3.1 厂房设计不完善的问题

（1）触摸式人体静电消除器设置的问题。近年来由于人体静电造成的爆炸事故比较常见，HG/T 20675-1990中有利用接地金属体消除静电的规定。触摸式人体静电消除器作为专用的接地金属体，能改善人体静电的管理水平，抑制事故频发的趋势。该核电厂低压氢气站和高压氢气站在施工图中均缺少触摸式人体静电消除器的设置[3]。

（2）低压氢气站气瓶拖车间氢气浓度监测的问题。

低压氢气站气瓶拖车间上方存在通风死角，存在氢气集聚的可能性，然而设计方在施工图中仅给出了布置位置要求，但未对氢气探头布置的详细安装方式进行明确，导致施工单位不能按照设计的意图完成探头安装，氢气探头未安装在氢气可能集聚处或氢气浓度可能增加处，违反国标GB4962-2008[4]中“氢气使用区域应通风良好，保证空气中氢气最高含量不超过1%（体积）。建筑物顶内平面应平整，防止氢气在顶部凹处集聚。在氢气可能集聚处或氢气浓度可能增加处，宜设置固定式氢气检测报警仪”的规定。

（3）密封防泄漏的问题。

低压氢气站值班室和压缩机间隔墙上有若干贯穿孔，用于电缆、仪表接线的穿墙布置，在电缆、仪表接线施工完成后，仍存留有贯穿孔，未进行封堵，违反GB4962-2008中相关规定，如果氢气扩散至值班室，与非防爆电气设备产生的火花等接触就可能发生爆炸。

（4）气瓶间天窗防晒的问题。

高压氢气站上方采用透明玻璃钢采光板，夏天太阳易直晒气瓶，违反国标GB4962-2008中“储存和使用氢气瓶的场所应通风良好，不得靠近火源、热源及在太阳下暴晒”的规定。

3.2 设备设计不完善的问题

（1）高压氢气站内氢气设备与管道法兰之间未设置跨接线的问题。

高压氢气站内氢气设备与管道法兰之间未设置跨接线，跨接电阻为0.1Ω，不符合国标GB50177-2005[5]中“氢气站、供氢站内的管道法兰、阀门等连接处，应采用金属线跨接”和GB4962-2008中“氢气设备与管道上法兰间的跨接电阻应小于0.03 Ω”的要求。

（2）高压氢气瓶储存的问题。

氢气升压站设备会将制备好的氢气灌充到高压氢气瓶中，并在氢气升压站房间进行临时储存，然而设计方并未为高压氢气瓶考虑储存支架，存在较大的安全隐患[6]。

（3）高压氢气瓶运输的问题。

氢气升压站到高压氢气站都有一定距离，而且单个气瓶较重（约121kg），而设计方最初设计时未考虑运输方案和运输工具，无法满足高压氢气瓶频繁人工运输的需求。

4  原因分析

一期工程氢气站防爆设计出现上述问题，经分析，主要原因有如下几点。

（1）设计人员对标准规范理解不够准确和透彻，对设计细节关注不够。比如触摸式人体静电消除器的设置、氢气设备与管道法兰之间跨接线的设置、气瓶储存场所屋面材料的选择等。

（2）设计遗漏。如触摸式人体静电消除器的设置、贯穿孔有效处理措施和高压氢气瓶储存和运输设备标准规范要求等，在设计初始阶段并未明确。

（3）设计意图未得到充分理解。比如设计方在设计中设置了氢气探头，但由于施工图未明确安装位置和安装方式，导致了氢气探头实际安装位置不满足要求。

5  处理措施

对于上述氢气站防爆设计出现的问题，具体处理措施如下。

（1）对于触摸式人体静电消除器设置的问题，设计上为低压氢气站和高压氢气站在大门外增设了触摸式人体静电消除器，便于作业人员工作前完成靜电释放，避免因人员带电作业而导致氢气爆炸事故的发生。

（2）对于低压氢气站气瓶拖车间氢气浓度监测的问题，增加了在房梁上安装支架方式的设计要求，以满足氢气泄漏监测的要求。

（3）对于密封防泄漏的问题，经确认，上述贯穿孔属于多余的，设计方未对其用途和处理措施进行明确。为此，设计上明确了采用细石混凝土对此洞进行封堵，以避免氢气泄漏到易爆环境中，从根源上杜绝爆炸的隐患。

（4）对于气瓶间天窗防晒的问题，设计改进建议在采光板表面粘贴深色防晒贴膜（如灰色、蓝色），以避免因暴晒而导致氢气爆炸事故的发生。

（5）对于高压氢气站内氢气设备 与管道法兰之间未设置跨接线的问题，要求对该法兰两端采用不小于BVR-6mm2的金属接地线按国标要求跨接，以满足“氢气设备与管道上法兰间的跨接电阻应小于0.03 Ω”的要求。

（6）对于高压氢气瓶储存的问题，经协调增加了相应设计，并增加了防爆设计方面的要求。针对高压氢气瓶的特殊属性，对气瓶固定支架采取了多项防爆设计措施，可以很好地保证高压氢气瓶储存的安全性，具体要求包括“在固定架上与气瓶接触的位置全部贴有绝缘橡胶;气瓶固定架外表面全部进行喷塑处理;在气瓶底部铺设导电橡胶;所有气瓶固定架的锁紧链外部全部包裹热塑管;对于气瓶固定支架也预留了接至厂房接地网的接地线”。

（7）对于高压氢气瓶运输的问题，最终确定短距离采用气瓶手推车和长距离采用防爆电瓶搬运车的运输方案。为保证气瓶手推车运输的安全性，明确气瓶推车采用四轮结构，具有锁紧装置和防静电措施，以避免手推车倾翻或产生静电火花。对于防爆电瓶搬运车，为避免气瓶从地面搬运至电瓶车车厢时发生滑动或倾倒，明确“设置升降式尾板，尾板载荷1 t;车厢设置气瓶防震措施和固定装置;通过防爆安全认证，并满足GB 4962-2008等规范中对氢气瓶运输的相应要求”。如此，可从设计上保证高压氢气瓶在氢气站间运输的安全性。

6  结语

对于氢气相关高风险系统的设计，尤其是涉及安全性的设计要给予高度重视。设计管理人员可组织安全专项审查，确保设计满足相关标准规范和安全规定;工程管理人员对施工方要加强监管，确保竣工的系统、设备和子项满足设计要求，最终确保整个电厂的安全稳定运行。希望本文能为后续项目氢气站的设计提供参考。

参考文献

[1] 王辉，石雪垚，刘建平，等.先进压水堆核电站氢气风险分析[J].原子能科学技术，2015（5）：877-883.

[2] 黄雄.AP1000核电厂严重事故下氢气源项及缓解措施研究[D].北京：华北电力大学，2016.

[3] 曲国兴.基于氢气管道吹扫方案选择的计算和验证[J].产业与科技论坛，2019，18（14）：42-43.

[4] 楼雅琪.多炼厂氢气系统优化设计研究[D].杭州：浙江大学，2019.

[5] 窦刚玉，刘志通.发电厂氢气站设计中美标准比较[J].吉林电力，2016（1）：33-35.

[6] 孙攀.AP1000高压氢气系统设计要点[C].第十九届中国科协年会论文集2017.