熱電廠氫氣泄漏事故分析及預(yù)防措施

王智勇，馮書軍

(河北省消防總隊(duì)，河北 石家莊 050035)

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熱電廠氫氣泄漏事故分析及預(yù)防措施

王智勇，馮書軍

(河北省消防總隊(duì)，河北 石家莊 050035)

在大中城市中，熱電廠是主要供熱供電供汽源，其發(fā)電機(jī)組氫冷卻系統(tǒng)中使用了大量易燃易爆的氫氣，一旦泄漏與空氣混合，遇到點(diǎn)火源極易引發(fā)爆炸事故。以“3·13”華能北京熱電廠爆炸事故為例，分析發(fā)電機(jī)組氫冷卻系統(tǒng)的利弊，從工藝技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)及消防安全管理等方面提出了預(yù)防措施。

熱電廠；氫氣泄漏；爆炸

近年來(lái),隨著大型氫冷卻發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來(lái)越廣，全國(guó)發(fā)生了多起氫冷卻發(fā)電機(jī)組氫氣泄漏爆炸事故。事故輕則導(dǎo)致密封油系統(tǒng)管道、發(fā)電機(jī)內(nèi)風(fēng)擋的損壞，重則導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線圈的損壞甚至造成重大人身傷亡事故，給人民的生產(chǎn)生活造成重大影響。因此，將大型氫冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)冷所用介質(zhì)(氫氣)的安全運(yùn)行作為一個(gè)重要課題來(lái)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

一、事故概況

華能北京熱電廠1999年建成投產(chǎn)，共四臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量84.5萬(wàn)千瓦，擔(dān)負(fù)著北京市10%的供電、50%的供汽和30%的供熱任務(wù)，是北京市重要的電源汽源熱源支撐點(diǎn)。其中2號(hào)機(jī)組是國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)的目前世界上效率最高的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，于2011年12月4日成功并網(wǎng)發(fā)電。

2015年3月13日14時(shí)50分許，警用直升機(jī)首先發(fā)現(xiàn)華能電廠上空有黑煙并報(bào)警，119消防指揮中心接到報(bào)警后，隨即調(diào)集20個(gè)消防中隊(duì)、91部消防車及屬地公安、交管警力趕赴現(xiàn)場(chǎng)處置。經(jīng)過(guò)消防官兵全力撲救，大火于16時(shí)左右被撲滅，未造成人員傷亡。該起氫氣泄漏爆炸事故的原因?yàn)?號(hào)機(jī)組葉輪輪緣斷裂與葉片脫落，機(jī)組軸系發(fā)生劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致軸與軸瓦嚴(yán)重磨損，氫氣密封系統(tǒng)失效發(fā)生大量泄漏，與勵(lì)磁系統(tǒng)火花接觸后發(fā)生爆炸。由于2號(hào)機(jī)組位于彩鋼板廠房?jī)?nèi)，氫氣爆炸引燃了周圍彩鋼板，致使火勢(shì)持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)形成大量濃煙。公安消防部隊(duì)接警后，及時(shí)出動(dòng)，有力處置，很快將大火撲滅，此次爆炸火災(zāi)事故未造成嚴(yán)重后果?？梢?，預(yù)防熱電廠氫泄漏事故極其重要。

二、氫冷卻系統(tǒng)利弊分析

熱電廠發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中繞組和鐵芯會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，需有效冷卻降溫，才能保證系統(tǒng)正常工作。為了及時(shí)將熱能導(dǎo)出，通常采用空氣、氫氣、水、氟里昂等冷卻劑進(jìn)行冷卻，其中以定子繞組為水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組和定子鐵芯為氫氣冷卻的發(fā)電機(jī)(通常稱作“水氫氫”冷卻機(jī)組)應(yīng)用最為廣泛[1]。

(一)有利方面

熱電廠發(fā)電機(jī)組氫冷卻系統(tǒng)有利方面為：(1)氫氣密度小，導(dǎo)熱系數(shù)大，在降低了發(fā)電機(jī)風(fēng)扇和通風(fēng)系統(tǒng)摩擦損耗產(chǎn)熱的同時(shí)，提高了發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量，縮小了發(fā)電機(jī)的體積。(2)氫氣的絕緣性能好，電離現(xiàn)象微弱，可以延長(zhǎng)線圈的使用壽命。(3)由于氫氣采用密閉循環(huán)系統(tǒng)，可降低機(jī)組噪音，減少氫氣損耗[2]。

(二)不利方面

熱電廠發(fā)電機(jī)組氫冷卻系統(tǒng)不利方面為：(1)氫氣屬于易燃易爆的甲類氣體，比空氣輕，與空氣混合后爆炸下限為4.1%，爆炸上限為74.2%，在此范圍內(nèi)均可發(fā)生爆炸。因此，為防止氫氣泄漏，對(duì)發(fā)電機(jī)組的密封性要求很高。(2)氫氣與空氣所形成的混合氣體的爆炸點(diǎn)火能量小，氫氣的最小點(diǎn)火能量?jī)H為0.02 mJ，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)的火花或氫氣高速流動(dòng)產(chǎn)生的靜電放電火花就可以引發(fā)爆炸事故。(3)在運(yùn)行過(guò)程中，由于不可避免出現(xiàn)氫氣外滲，需要設(shè)計(jì)一套補(bǔ)氫系統(tǒng)，以滿足不斷補(bǔ)充氫氣的需要。(4)發(fā)電機(jī)充氫、排氫時(shí)，過(guò)程復(fù)雜且緩慢，技術(shù)要求很嚴(yán)格，火災(zāi)危險(xiǎn)性大。

三、火災(zāi)預(yù)防措施

(一)工藝技術(shù)防火措施

為防止發(fā)電機(jī)氫氣泄漏后爆炸，必須嚴(yán)格控制氫氣的濃度、壓力及可能引發(fā)爆炸的點(diǎn)火能量，做好發(fā)電機(jī)充氫、運(yùn)行、排氫等全過(guò)程的控制和管理。(1)氫冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)、外應(yīng)安裝可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警裝置，使其在運(yùn)行過(guò)程或充排氫檢修過(guò)程中，遇有氫氣泄漏時(shí)可以及時(shí)報(bào)警。(2)發(fā)電機(jī)在CO2置換氫氣、氫氣置換CO2等充氫或排氫過(guò)程中，為防止摩擦產(chǎn)生火花而引起爆炸，盤車等機(jī)械設(shè)備要停止運(yùn)行。在充、排氫過(guò)程中，惰性保護(hù)介質(zhì)CO2的濃度應(yīng)不低于98%，含水量應(yīng)不高于0.1%。發(fā)電機(jī)內(nèi)送入的壓縮氫氣、CO2等氣體，應(yīng)經(jīng)干燥器充分干燥，并保持發(fā)電機(jī)內(nèi)空氣絕對(duì)濕度低于15 g·m-3。(3)發(fā)電機(jī)內(nèi)充入及排出CO2最好在6 h內(nèi)完成，最多不得超過(guò)24 h，主要是防止氣態(tài)CO2在發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)露，不能保持干燥，從而降低線圈的絕緣性能。(4)在發(fā)電機(jī)充入氫氣置換CO2時(shí)，必須遵從以下操作規(guī)程：一是通向發(fā)電機(jī)的所有管道、閥門要確保隔離；二是在氫氣純度控制盤(如圖1所示)顯示純度高于90%時(shí)，方可投入氣體分析器；三是在發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度高于98%、空氣含量低于1.5%時(shí)，方可認(rèn)為置換結(jié)束，停止排出混合氣體，并升高氫氣壓力達(dá)到要求的數(shù)值。在提升氫氣壓力過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)氫氣壓力的監(jiān)視，防止因氫、油壓差閥故障造成氫氣泄漏或發(fā)電機(jī)進(jìn)油[3]。(5)氫冷發(fā)電機(jī)廠房地面應(yīng)采用不發(fā)火地面，進(jìn)入防爆區(qū)工作的人員必須著防靜電工作服，穿不帶鐵掌的膠鞋，開關(guān)氫氣系統(tǒng)閥門等作業(yè)時(shí)戴防靜電手套或者使用不發(fā)火的銅制或木制工具操作。(6)輸送氫氣的管道在法蘭等連接處應(yīng)采用防靜電跨接措施，及時(shí)導(dǎo)出氫氣在管道中高速流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的靜電。同時(shí)，在氫置換過(guò)程中還應(yīng)控制好氫氣的流速且整個(gè)置換過(guò)程要連續(xù)、緩慢地進(jìn)行，并保持充、排氣的壓力穩(wěn)定。(7)氫冷發(fā)電機(jī)廠房應(yīng)采用無(wú)死角的平屋頂結(jié)構(gòu)，并在其最高處設(shè)置氫氣濃度探測(cè)器及自然排氣孔，保證一旦有氫氣泄漏至屋頂能夠及時(shí)報(bào)警并導(dǎo)出氫氣。(8)在存儲(chǔ)密封油的主油箱內(nèi)應(yīng)安裝靈敏的氫氣探測(cè)器，如果發(fā)現(xiàn)主油箱內(nèi)有氫氣出現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)檢查發(fā)電機(jī)的密封油系統(tǒng)[4]。(9)發(fā)電機(jī)內(nèi)外應(yīng)安裝良好的干燥氣體吹掃系統(tǒng)并與可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，如果發(fā)現(xiàn)氫氣殘存量超標(biāo)應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)吹走殘存氫氣，防止因碳刷等冒出火花，引起混合氣體爆炸。(10)氫冷發(fā)電機(jī)周圍及密封油系統(tǒng)區(qū)域應(yīng)劃定為防爆區(qū)，所有電氣設(shè)備應(yīng)采用本質(zhì)安全型或阻隔型防爆電器。禁止可能產(chǎn)生明火及靜電火花的作業(yè)，如果必須動(dòng)火作業(yè)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行氫冷發(fā)電機(jī)的排氫操作并確保沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)后實(shí)施。

圖1 氫氣純度控制盤

(二)發(fā)揮自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的作用

氫氣純度在線監(jiān)測(cè)裝置是消除發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣泄漏爆炸的關(guān)鍵設(shè)備，要確保該裝置的有效性，能真實(shí)地反映發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣純度。目前所制造的氫冷卻發(fā)電機(jī)組，均配置有氫氣取樣點(diǎn)和氫氣純度在線監(jiān)測(cè)裝置，使用這套系統(tǒng)可隨時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的純度值[5]。但目前氫氣純度在線監(jiān)測(cè)裝置只用于監(jiān)測(cè)機(jī)組內(nèi)部的氫氣濃度，建議在檢測(cè)內(nèi)部氫氣濃度的同時(shí)，可在發(fā)電機(jī)組易發(fā)生氫氣泄漏的位置設(shè)置氫氣濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警器，并與消防自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。同時(shí)，在易發(fā)生氫氣泄漏的位置，建議安裝水蒸氣或氮?dú)獾葰怏w噴射惰化保護(hù)裝置。當(dāng)監(jiān)測(cè)報(bào)警器檢測(cè)到發(fā)電機(jī)外部的氫氣超標(biāo)時(shí)，監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置立即給消防自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警裝置，通知消防值班人員。同時(shí)消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)給出信號(hào)，聯(lián)動(dòng)氫氣進(jìn)氣閥門自動(dòng)關(guān)閉，自動(dòng)啟動(dòng)氣體噴射惰化保護(hù)裝置工作，噴出水蒸氣或氮?dú)?，以降低發(fā)生氫氣爆炸的概率。

(三)加強(qiáng)消防安全管理

首先，在發(fā)電廠建設(shè)初期應(yīng)進(jìn)行全面的安全設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)，并經(jīng)安監(jiān)、消防等主管部門驗(yàn)收備案后再投入運(yùn)行，從源頭上控制火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。發(fā)電廠要成立消防安全工作領(lǐng)導(dǎo)小組，強(qiáng)化內(nèi)部消防安全的管理力度。建立健全各項(xiàng)安全生產(chǎn)及消防安全組織制度，定期組織檢查、巡查和安全評(píng)估，使各級(jí)各部門認(rèn)真履行消防安全責(zé)任[6]。其次，強(qiáng)化消防安全設(shè)施的維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)電廠要聘請(qǐng)有資質(zhì)的消防設(shè)施維保公司并與之簽訂維保合同，加大對(duì)消防設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)的力度。建立消防安全的獎(jiǎng)懲機(jī)制，使消防安全人人記在心上，抓在手上。第三，每月組織一次消防安全培訓(xùn)，重點(diǎn)是對(duì)新入職的員工進(jìn)行安全知識(shí)的培訓(xùn)。結(jié)合企業(yè)實(shí)際制定切實(shí)可行的消防演練方案，每季度開展一次消防安全演練，不斷增強(qiáng)“檢查消除隱患的能力、撲救初起火災(zāi)的能力、組織人員疏散逃生的能力、安全培訓(xùn)教育的能力”的建設(shè)，全面提升員工的消防安全素質(zhì)，確保發(fā)電廠消防安全。

四、結(jié)束語(yǔ)

引起發(fā)電機(jī)組氫氣泄漏事故的因素很多，在制造過(guò)程中要保證發(fā)電機(jī)各部位選用合格的材料，各項(xiàng)試驗(yàn)符合要求；運(yùn)行中要注意調(diào)整氫冷卻器氣壓、定冷水壓及密封油壓等參數(shù)符合規(guī)定，并應(yīng)隨時(shí)跟蹤發(fā)電機(jī)的風(fēng)溫，使其控制在正常范圍內(nèi)。此起華能北京熱電廠的爆炸事故雖未造成大的經(jīng)濟(jì)損失，也沒(méi)有人員傷亡，但為熱電廠發(fā)電機(jī)組氫冷卻系統(tǒng)的氫氣泄漏事故預(yù)防敲響了警鐘。希望其他使用氫冷卻系統(tǒng)的熱電廠以此為戒，做好安全防范工作，預(yù)防此類事故的發(fā)生。

[1] 杜志英,鞠鳳元,婁智勇,等.熱電廠氫冷發(fā)電機(jī)漏氫故障診斷[J].科技傳播,2011(19):72.

[2] 衛(wèi)政.新豐熱電廠2#發(fā)電機(jī)漏氫問(wèn)題的分析與處理[J].內(nèi)蒙古石油化工,2013,39(16):68-69.

[3] 劉紅彬,姜彩生.氫冷發(fā)電機(jī)氫爆原因分析及防范措施[J].電力學(xué)報(bào),2007,22(1):102-105.

[4] 顏陽(yáng).發(fā)電機(jī)組漏氫治理[J].科技傳播,2012(13):112-113.

[5] 孟君艷,苑永太,劉釗.熱電廠內(nèi)消防報(bào)警系統(tǒng)的改進(jìn)[J].熱電技術(shù),2014(2):35-38.

[6] 杜楠.工業(yè)企業(yè)火災(zāi)和爆炸事故的預(yù)防[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保,2003,30(4):164-166.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

Analysis and Prevention of Hydrogen Leakage Explosions in Thermal Power Plants

WANG Zhiyong, FENG Shujun

(FireCorpsofHebeiProvince,Shijiazhuang050035,China)

The heating of large and medium-sized cities is mainly supplied by thermal power plants, whose hydrogen generator cooling system contains a large amount of flammable and explosive hydrogen gas. When it leaks, mixes with air and meets the ignition source, it may explode. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the hydrogen generator cooling system with Huaneng Beijing Thermal Power Plant explosion on March 13 as an example, and puts forward the prevention measures of the process engineering, automatic monitoring and control system, and fire safety management.

thermal power plant; hydrogen leakage; explosion

2017-02-06

王智勇(1972— )，男，河北盧龍人，高級(jí)工程師； 馮書軍(1975— )，男，河北邢臺(tái)人，工程師。

TU998.12；TM611

A

1008-2077(2017)06-0070-03