1000 MW 核電汽輪發(fā)電機(jī)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)調(diào)試

聶士超

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125112）

0 引言

隨著核電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加，百萬(wàn)千瓦核電汽輪發(fā)電機(jī)組逐漸應(yīng)用于各在建電廠。裝機(jī)容量的增加導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中的損耗相應(yīng)增加，發(fā)電機(jī)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量增加，若不及時(shí)將這些熱量帶走將會(huì)影響發(fā)電機(jī)的絕緣性能，縮短發(fā)電機(jī)的使用壽命，甚至?xí)饑?yán)重的運(yùn)行事故，因此大型核電機(jī)組通常采用氫氣（H2）作為冷卻介質(zhì)，來(lái)保障機(jī)組運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量被及時(shí)帶走。我國(guó)《防止電力生產(chǎn)事故的25 項(xiàng)重點(diǎn)要求》中也指出，發(fā)電機(jī)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是電廠穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

本文介紹了氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成以及調(diào)試過(guò)程中的重要調(diào)試項(xiàng)目，為后續(xù)新建電站的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行提供借鑒。

1 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣會(huì)混合在密封油中，并隨著密封油回油被帶出發(fā)電機(jī)外，有時(shí)還可能出現(xiàn)其他泄漏點(diǎn)，因此發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫壓總是呈下降趨勢(shì)。為防止氫壓下降導(dǎo)致機(jī)內(nèi)溫度上升，在發(fā)電機(jī)的氣體變化過(guò)程中以及當(dāng)向發(fā)電機(jī)充注氫氣時(shí)，需要通過(guò)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控氣體的純度，以確保其處于容許范圍內(nèi)。為發(fā)電機(jī)充注氫氣時(shí)，連續(xù)采集的氣體樣品由一個(gè)吸附式氣體干燥器進(jìn)行干燥。當(dāng)發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)，氣體受循環(huán)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓差驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在氣體干燥器中的循環(huán)流動(dòng)。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由眾多的集成裝置組成，包括氣體控制站、氣體控制裝置儀表柜、CO2（二氧化碳）加熱裝置、CO2膨脹裝置、氫氣干燥裝置、循環(huán)風(fēng)機(jī)、絕緣過(guò)熱檢測(cè)裝置、在線漏氫檢測(cè)裝置、發(fā)電機(jī)漏液檢測(cè)裝置、勵(lì)磁機(jī)漏液檢測(cè)裝置等，它們由不銹鋼的管道連接在一起形成系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)旨在安全的條件下清除空氣、充注氫氣，來(lái)冷卻發(fā)電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子，還可以使發(fā)電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或保養(yǎng)期內(nèi)，在安全的條件下清除氫氣、充注空氣。在整個(gè)操作過(guò)程中，通過(guò)引入CO2作為中間介質(zhì)來(lái)避免產(chǎn)生易燃混合物，為防止溫度較低的CO2進(jìn)入發(fā)電機(jī)引起其內(nèi)部表面水汽凝結(jié)、產(chǎn)生結(jié)露，利用CO2加熱裝置來(lái)對(duì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)的CO2進(jìn)行加熱。它還可以持續(xù)監(jiān)控氫氣干燥器入口氣體和出口排放氣體的露點(diǎn)，以確保其處于容許范圍內(nèi)。連續(xù)采集的氣體樣品將被注入絕緣過(guò)熱監(jiān)測(cè)儀，以監(jiān)控發(fā)電機(jī)的絕緣原件，防止其過(guò)熱。

當(dāng)發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)漏油或漏水時(shí)，油水將流入漏液檢測(cè)裝置。該裝置內(nèi)設(shè)有液位開關(guān)，當(dāng)油水積聚液位上升到一定值時(shí)，液位開關(guān)閉合，發(fā)出報(bào)警。

2 系統(tǒng)調(diào)試

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)試內(nèi)容主要有報(bào)警試驗(yàn)、各個(gè)設(shè)備功能的驗(yàn)證試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)氣密性試驗(yàn)、氣體置換調(diào)試，下面主要介紹發(fā)電機(jī)氣密性試驗(yàn)和氣體置換過(guò)程。

2.1 發(fā)電機(jī)氣密性試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)氣密性試驗(yàn)適用于發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備，通過(guò)保壓24 h 來(lái)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)本體以及設(shè)備和管道的接口是否滿足泄漏率的要求，在進(jìn)行試驗(yàn)之前要滿足以下先決條件：

（1）試驗(yàn)過(guò)程發(fā)電機(jī)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)備均處于在線狀態(tài)（包括氫氣干燥裝置、氣體控制裝置儀表柜、氣體控制站、發(fā)電機(jī)漏液檢測(cè)器、循環(huán)風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)絕緣過(guò)熱監(jiān)測(cè)儀），并確保系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)管道、設(shè)備、閥門均進(jìn)氣。

（2）確保密封油系統(tǒng)正常運(yùn)行，保壓期間無(wú)密封油系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)和泵的切換操作。密封油泵通過(guò)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油管道吸油并建立壓力后送至密封瓦，在密封瓦處建立油膜，用以密封發(fā)電機(jī)內(nèi)的氣體，所以密封油的正常運(yùn)行是發(fā)電機(jī)氣密性試驗(yàn)重要的條件。

（3）確保潤(rùn)滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行，潤(rùn)滑油冷卻器正常運(yùn)行，油溫在正常范圍內(nèi)。密封油正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)與潤(rùn)滑油的接口進(jìn)行動(dòng)態(tài)換油，使密封油的油溫不會(huì)過(guò)高。另外，潤(rùn)滑油系統(tǒng)作為最后的油源，在3 臺(tái)密封油泵均失效時(shí)潤(rùn)滑油用以建立油膜密封氣體。

（4）發(fā)電機(jī)的冷源全部隔離，包括定子冷卻水和氫冷器內(nèi)的閉式冷卻水。這一先決條件確保了水溫的變化對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體熱脹冷縮的影響，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)泄漏率。

在滿足上述條件后，啟動(dòng)密封油泵建立油壓，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后將連接短管拆除并安裝至空氣管道側(cè)，氫氣側(cè)短管接口位置用盲板封閉。充氣過(guò)程中密切監(jiān)視浮子油箱液位計(jì)的讀數(shù)，當(dāng)液位高于750 mm 時(shí)，密切關(guān)注發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)漏液液位，防止密封油泄漏。充氣充到0.3 MPa 后關(guān)閉壓空供應(yīng)隔離閥，將接口處的法蘭脫開對(duì)空，以防隔離閥內(nèi)漏造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。在保壓過(guò)程中持續(xù)觀察潤(rùn)滑油系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)的運(yùn)行情況，通過(guò)遠(yuǎn)傳到上位機(jī)的儀表觀察發(fā)電機(jī)內(nèi)的壓力變化，每0.5 h 記錄一次相關(guān)數(shù)據(jù)。待24 h 結(jié)束后，通過(guò)以下公式進(jìn)行泄漏率的計(jì)算：

式中 Pi——初始相對(duì)壓力，mbar（1 mbar=100 Pa）

Pf——最終相對(duì)壓力，mbar

Ti——初始平均氫氣溫度，℃

Tf——最終平均氫氣溫度，℃

Patmi——初始大氣壓力，mbar

Patmf——最終大氣壓力，mbar

D——試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，h

試驗(yàn)24 h 后的壓降應(yīng)小于2.0 kPa，如果未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，使用檢漏液或氦氣進(jìn)行查漏。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)排氣閥將發(fā)電機(jī)內(nèi)壓力降為大氣壓，停運(yùn)潤(rùn)滑油泵和密封油泵。

2.2 氣體置換試驗(yàn)

氫氣與空氣的混合物中，當(dāng)氫氣含量在4%～74.2%均為可爆性氣體，與氧接觸時(shí)極易形成具有爆炸濃度的氫、氧混合氣體[1]。因此，在向發(fā)電機(jī)內(nèi)充排氫氣時(shí)，應(yīng)避免氫氣與空氣接觸，也就是必須通過(guò)中間介質(zhì)進(jìn)行置換。中間介質(zhì)一般為惰性氣體CO2[1]。

機(jī)組啟動(dòng)前，先投入密封油系統(tǒng)，待密封油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后向機(jī)內(nèi)充入壓縮空氣，由于CO2的密度大于空氣，所以將高壓的CO2氣體自發(fā)電機(jī)下部充入發(fā)電機(jī)，將發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣通過(guò)上部的接口管線排到室外，氣體控制裝置內(nèi)的純度分析儀模式選擇為“AIR IN CO2”，當(dāng)檢驗(yàn)到CO2的含量超過(guò)85%（均指容積比）后，停止CO2的充氣操作，期間保持氣體壓力不變。CO2的含量滿足要求后就可以開始充H2操作，由于H2的密度低于空氣，所以H2通過(guò)氣體控制裝置以及相應(yīng)的管道進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)頂部的匯流管向下驅(qū)趕CO2。將氣體控制裝置內(nèi)的純度分析儀的模式選擇為“H2IN AIR”，當(dāng)H2純度高于96%、O2含量低于2%時(shí)，停止排氣，此時(shí)仍需持續(xù)升壓至0.3 MPa，記錄最終的H2使用量，操作花費(fèi)的時(shí)間以及達(dá)到的最終純度。

在發(fā)電機(jī)停機(jī)后，需要通過(guò)CO2作為中間介質(zhì)將系統(tǒng)內(nèi)以及發(fā)電機(jī)內(nèi)的H2置換出來(lái)，排氫時(shí)降壓速度不宜太快，不但有引起靜電的風(fēng)險(xiǎn)，而且還會(huì)存在壓力變化過(guò)快導(dǎo)致氫側(cè)回油進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。降低發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體壓力，然后向機(jī)內(nèi)引入CO2用以驅(qū)趕機(jī)內(nèi)的H2。當(dāng)CO2含量超過(guò)95%時(shí)，方可引入壓縮空氣驅(qū)趕CO2，當(dāng)氣體混合物中空氣含量達(dá)到95%時(shí)方可終止向發(fā)電進(jìn)內(nèi)輸送壓縮空氣[1]。

氣體置換時(shí)注意事項(xiàng)：①涉氫操作時(shí)必須將所有電子產(chǎn)品關(guān)機(jī)，嚴(yán)禁周圍有火源；②氫氣置換過(guò)程中要嚴(yán)密監(jiān)視浮子油箱液位計(jì)示數(shù)和漏液檢測(cè)裝置的液位計(jì)示數(shù)，以防發(fā)生發(fā)電機(jī)漏油事故；③在進(jìn)行氣體置換之前，相關(guān)純度儀表已用標(biāo)氣進(jìn)行校訂，油氫壓差調(diào)節(jié)閥已設(shè)定完成。

3 結(jié)語(yǔ)

1000 MW 核能汽輪發(fā)電機(jī)組氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)已趨于成熟，國(guó)內(nèi)眾多機(jī)組也采用類似技術(shù)和布置方案，在已商運(yùn)電站中氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中配套的各集裝裝置的實(shí)際運(yùn)行效果得到了充分驗(yàn)證。隨著三代核電技術(shù)的發(fā)展，氫冷機(jī)組的相關(guān)配套系統(tǒng)不斷優(yōu)化，調(diào)試周期逐漸縮短，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。