1000 MW 核电汽轮发电机氢气供应系统调试

聂士超

（中核辽宁核电有限公司，辽宁兴城 125112）

0 引言

随着核电机组装机容量的不断增加，百万千瓦核电汽轮发电机组逐渐应用于各在建电厂。装机容量的增加导致发电机中的损耗相应增加，发电机定子铁芯和转子的发热量增加，若不及时将这些热量带走将会影响发电机的绝缘性能，缩短发电机的使用寿命，甚至会引起严重的运行事故，因此大型核电机组通常采用氢气（H2）作为冷却介质，来保障机组运行期间产生的热量被及时带走。我国《防止电力生产事故的25 项重点要求》中也指出，发电机氢气供应系统的安全可靠运行是电厂稳定运行的重要保障。

本文介绍了氢气供应系统的系统组成以及调试过程中的重要调试项目，为后续新建电站的氢气供应系统调试、运行提供借鉴。

1 氢气供应系统系统

发电机内的氢气会混合在密封油中，并随着密封油回油被带出发电机外，有时还可能出现其他泄漏点，因此发电机内的氢压总是呈下降趋势。为防止氢压下降导致机内温度上升，在发电机的气体变化过程中以及当向发电机充注氢气时，需要通过氢气供应系统持续监控气体的纯度，以确保其处于容许范围内。为发电机充注氢气时，连续采集的气体样品由一个吸附式气体干燥器进行干燥。当发电机停机时，气体受循环风机产生的压差驱动，从而实现在气体干燥器中的循环流动。

氢气供应系统主要由众多的集成装置组成，包括气体控制站、气体控制装置仪表柜、CO2（二氧化碳）加热装置、CO2膨胀装置、氢气干燥装置、循环风机、绝缘过热检测装置、在线漏氢检测装置、发电机漏液检测装置、励磁机漏液检测装置等，它们由不锈钢的管道连接在一起形成系统[1]。该系统旨在安全的条件下清除空气、充注氢气，来冷却发电机的定子铁芯和转子，还可以使发电机在长时间停机或保养期内，在安全的条件下清除氢气、充注空气。在整个操作过程中，通过引入CO2作为中间介质来避免产生易燃混合物，为防止温度较低的CO2进入发电机引起其内部表面水汽凝结、产生结露，利用CO2加热装置来对进入发电机的CO2进行加热。它还可以持续监控氢气干燥器入口气体和出口排放气体的露点，以确保其处于容许范围内。连续采集的气体样品将被注入绝缘过热监测仪，以监控发电机的绝缘原件，防止其过热。

当发电机和励磁机内部出现漏油或漏水时，油水将流入漏液检测装置。该装置内设有液位开关，当油水积聚液位上升到一定值时，液位开关闭合，发出报警。

2 系统调试

氢气供应系统的调试内容主要有报警试验、各个设备功能的验证试验、发电机气密性试验、气体置换调试，下面主要介绍发电机气密性试验和气体置换过程。

2.1 发电机气密性试验

发电机气密性试验适用于发电机及其附属设备，通过保压24 h 来验证发电机本体以及设备和管道的接口是否满足泄漏率的要求，在进行试验之前要满足以下先决条件：

（1）试验过程发电机氢气供应系统的设备均处于在线状态（包括氢气干燥装置、气体控制装置仪表柜、气体控制站、发电机漏液检测器、循环风机和发电机绝缘过热监测仪），并确保系统内的每个管道、设备、阀门均进气。

（2）确保密封油系统正常运行，保压期间无密封油系统的相关试验和泵的切换操作。密封油泵通过汽轮机润滑油管道吸油并建立压力后送至密封瓦，在密封瓦处建立油膜，用以密封发电机内的气体，所以密封油的正常运行是发电机气密性试验重要的条件。

（3）确保润滑油系统正常运行，润滑油冷却器正常运行，油温在正常范围内。密封油正常运行时，通过与润滑油的接口进行动态换油，使密封油的油温不会过高。另外，润滑油系统作为最后的油源，在3 台密封油泵均失效时润滑油用以建立油膜密封气体。

（4）发电机的冷源全部隔离，包括定子冷却水和氢冷器内的闭式冷却水。这一先决条件确保了水温的变化对发电机内气体热胀冷缩的影响，进而影响发电机泄漏率。

在满足上述条件后，启动密封油泵建立油压，待系统运行稳定后将连接短管拆除并安装至空气管道侧，氢气侧短管接口位置用盲板封闭。充气过程中密切监视浮子油箱液位计的读数，当液位高于750 mm 时，密切关注发电机、励磁机漏液液位，防止密封油泄漏。充气充到0.3 MPa 后关闭压空供应隔离阀，将接口处的法兰脱开对空，以防隔离阀内漏造成试验数据不准。在保压过程中持续观察润滑油系统、密封油系统的运行情况，通过远传到上位机的仪表观察发电机内的压力变化，每0.5 h 记录一次相关数据。待24 h 结束后，通过以下公式进行泄漏率的计算：

式中 Pi——初始相对压力，mbar（1 mbar=100 Pa）

Pf——最终相对压力，mbar

Ti——初始平均氢气温度，℃

Tf——最终平均氢气温度，℃

Patmi——初始大气压力，mbar

Patmf——最终大气压力，mbar

D——试验持续时间，h

试验24 h 后的压降应小于2.0 kPa，如果未达到标准，使用检漏液或氦气进行查漏。试验结束后，通过排气阀将发电机内压力降为大气压，停运润滑油泵和密封油泵。

2.2 气体置换试验

氢气与空气的混合物中，当氢气含量在4%～74.2%均为可爆性气体，与氧接触时极易形成具有爆炸浓度的氢、氧混合气体[1]。因此，在向发电机内充排氢气时，应避免氢气与空气接触，也就是必须通过中间介质进行置换。中间介质一般为惰性气体CO2[1]。

机组启动前，先投入密封油系统，待密封油系统运行稳定后向机内充入压缩空气，由于CO2的密度大于空气，所以将高压的CO2气体自发电机下部充入发电机，将发电机内的空气通过上部的接口管线排到室外，气体控制装置内的纯度分析仪模式选择为“AIR IN CO2”，当检验到CO2的含量超过85%（均指容积比）后，停止CO2的充气操作，期间保持气体压力不变。CO2的含量满足要求后就可以开始充H2操作，由于H2的密度低于空气，所以H2通过气体控制装置以及相应的管道进入机壳内顶部的汇流管向下驱赶CO2。将气体控制装置内的纯度分析仪的模式选择为“H2IN AIR”，当H2纯度高于96%、O2含量低于2%时，停止排气，此时仍需持续升压至0.3 MPa，记录最终的H2使用量，操作花费的时间以及达到的最终纯度。

在发电机停机后，需要通过CO2作为中间介质将系统内以及发电机内的H2置换出来，排氢时降压速度不宜太快，不但有引起静电的风险，而且还会存在压力变化过快导致氢侧回油进入发电机内的风险。降低发电机内气体压力，然后向机内引入CO2用以驱赶机内的H2。当CO2含量超过95%时，方可引入压缩空气驱赶CO2，当气体混合物中空气含量达到95%时方可终止向发电进内输送压缩空气[1]。

气体置换时注意事项：①涉氢操作时必须将所有电子产品关机，严禁周围有火源；②氢气置换过程中要严密监视浮子油箱液位计示数和漏液检测装置的液位计示数，以防发生发电机漏油事故；③在进行气体置换之前，相关纯度仪表已用标气进行校订，油氢压差调节阀已设定完成。

3 结语

1000 MW 核能汽轮发电机组氢气供应系统的技术已趋于成熟，国内众多机组也采用类似技术和布置方案，在已商运电站中氢气供应系统中配套的各集装装置的实际运行效果得到了充分验证。随着三代核电技术的发展，氢冷机组的相关配套系统不断优化，调试周期逐渐缩短，提高了机组运行的稳定性。