聶士超

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125112）

0 引言

隨著核電機組裝機容量的不斷增加，百萬千瓦核電汽輪發(fā)電機組逐漸應用于各在建電廠。裝機容量的增加導致發(fā)電機中的損耗相應增加，發(fā)電機定子鐵芯和轉子的發(fā)熱量增加，若不及時將這些熱量帶走將會影響發(fā)電機的絕緣性能，縮短發(fā)電機的使用壽命，甚至會引起嚴重的運行事故，因此大型核電機組通常采用氫氣（H2）作為冷卻介質，來保障機組運行期間產生的熱量被及時帶走。我國《防止電力生產事故的25 項重點要求》中也指出，發(fā)電機氫氣供應系統(tǒng)的安全可靠運行是電廠穩(wěn)定運行的重要保障。

本文介紹了氫氣供應系統(tǒng)的系統(tǒng)組成以及調試過程中的重要調試項目，為后續(xù)新建電站的氫氣供應系統(tǒng)調試、運行提供借鑒。

1 氫氣供應系統(tǒng)系統(tǒng)

發(fā)電機內的氫氣會混合在密封油中，并隨著密封油回油被帶出發(fā)電機外，有時還可能出現(xiàn)其他泄漏點，因此發(fā)電機內的氫壓總是呈下降趨勢。為防止氫壓下降導致機內溫度上升，在發(fā)電機的氣體變化過程中以及當向發(fā)電機充注氫氣時，需要通過氫氣供應系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控氣體的純度，以確保其處于容許范圍內。為發(fā)電機充注氫氣時，連續(xù)采集的氣體樣品由一個吸附式氣體干燥器進行干燥。當發(fā)電機停機時，氣體受循環(huán)風機產生的壓差驅動，從而實現(xiàn)在氣體干燥器中的循環(huán)流動。

氫氣供應系統(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)風機、絕緣過熱檢測裝置、在線漏氫檢測裝置、發(fā)電機漏液檢測裝置、勵磁機漏液檢測裝置等，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，來冷卻發(fā)電機的定子鐵芯和轉子，還可以使發(fā)電機在長時間停機或保養(yǎng)期內，在安全的條件下清除氫氣、充注空氣。在整個操作過程中，通過引入CO2作為中間介質來避免產生易燃混合物，為防止溫度較低的CO2進入發(fā)電機引起其內部表面水汽凝結、產生結露，利用CO2加熱裝置來對進入發(fā)電機的CO2進行加熱。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，以確保其處于容許范圍內。連續(xù)采集的氣體樣品將被注入絕緣過熱監(jiān)測儀，以監(jiān)控發(fā)電機的絕緣原件，防止其過熱。

當發(fā)電機和勵磁機內部出現(xiàn)漏油或漏水時，油水將流入漏液檢測裝置。該裝置內設有液位開關，當油水積聚液位上升到一定值時，液位開關閉合，發(fā)出報警。

2 系統(tǒng)調試

氫氣供應系統(tǒng)的調試內容主要有報警試驗、各個設備功能的驗證試驗、發(fā)電機氣密性試驗、氣體置換調試，下面主要介紹發(fā)電機氣密性試驗和氣體置換過程。

2.1 發(fā)電機氣密性試驗

發(fā)電機氣密性試驗適用于發(fā)電機及其附屬設備，通過保壓24 h 來驗證發(fā)電機本體以及設備和管道的接口是否滿足泄漏率的要求，在進行試驗之前要滿足以下先決條件：

（1）試驗過程發(fā)電機氫氣供應系統(tǒng)的設備均處于在線狀態(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)電機漏液檢測器、循環(huán)風機和發(fā)電機絕緣過熱監(jiān)測儀），并確保系統(tǒng)內的每個管道、設備、閥門均進氣。

（2）確保密封油系統(tǒng)正常運行，保壓期間無密封油系統(tǒng)的相關試驗和泵的切換操作。密封油泵通過汽輪機潤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)電機內的氣體，所以密封油的正常運行是發(fā)電機氣密性試驗重要的條件。

（3）確保潤滑油系統(tǒng)正常運行，潤滑油冷卻器正常運行，油溫在正常范圍內。密封油正常運行時，通過與潤滑油的接口進行動態(tài)換油，使密封油的油溫不會過高。另外，潤滑油系統(tǒng)作為最后的油源，在3 臺密封油泵均失效時潤滑油用以建立油膜密封氣體。

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

在滿足上述條件后，啟動密封油泵建立油壓，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后將連接短管拆除并安裝至空氣管道側，氫氣側短管接口位置用盲板封閉。充氣過程中密切監(jiān)視浮子油箱液位計的讀數(shù)，當液位高于750 mm 時，密切關注發(fā)電機、勵磁機漏液液位，防止密封油泄漏。充氣充到0.3 MPa 后關閉壓空供應隔離閥，將接口處的法蘭脫開對空，以防隔離閥內漏造成試驗數(shù)據(jù)不準。在保壓過程中持續(xù)觀察潤滑油系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)的運行情況，通過遠傳到上位機的儀表觀察發(fā)電機內的壓力變化，每0.5 h 記錄一次相關數(shù)據(jù)。待24 h 結束后，通過以下公式進行泄漏率的計算：

式中 Pi——初始相對壓力，mbar（1 mbar=100 Pa）

Pf——最終相對壓力，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——試驗持續(xù)時間，h

試驗24 h 后的壓降應小于2.0 kPa，如果未達到標準，使用檢漏液或氦氣進行查漏。試驗結束后，通過排氣閥將發(fā)電機內壓力降為大氣壓，停運潤滑油泵和密封油泵。

2.2 氣體置換試驗

氫氣與空氣的混合物中，當氫氣含量在4%～74.2%均為可爆性氣體，與氧接觸時極易形成具有爆炸濃度的氫、氧混合氣體[1]。因此，在向發(fā)電機內充排氫氣時，應避免氫氣與空氣接觸，也就是必須通過中間介質進行置換。中間介質一般為惰性氣體CO2[1]。

機組啟動前，先投入密封油系統(tǒng)，待密封油系統(tǒng)運行穩(wěn)定后向機內充入壓縮空氣，由于CO2的密度大于空氣，所以將高壓的CO2氣體自發(fā)電機下部充入發(fā)電機，將發(fā)電機內的空氣通過上部的接口管線排到室外，氣體控制裝置內的純度分析儀模式選擇為“AIR IN CO2”，當檢驗到CO2的含量超過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通過氣體控制裝置以及相應的管道進入機殼內頂部的匯流管向下驅趕CO2。將氣體控制裝置內的純度分析儀的模式選擇為“H2IN AIR”，當H2純度高于96%、O2含量低于2%時，停止排氣，此時仍需持續(xù)升壓至0.3 MPa，記錄最終的H2使用量，操作花費的時間以及達到的最終純度。

在發(fā)電機停機后，需要通過CO2作為中間介質將系統(tǒng)內以及發(fā)電機內的H2置換出來，排氫時降壓速度不宜太快，不但有引起靜電的風險，而且還會存在壓力變化過快導致氫側回油進入發(fā)電機內的風險。降低發(fā)電機內氣體壓力，然后向機內引入CO2用以驅趕機內的H2。當CO2含量超過95%時，方可引入壓縮空氣驅趕CO2，當氣體混合物中空氣含量達到95%時方可終止向發(fā)電進內輸送壓縮空氣[1]。

氣體置換時注意事項：①涉氫操作時必須將所有電子產品關機，嚴禁周圍有火源；②氫氣置換過程中要嚴密監(jiān)視浮子油箱液位計示數(shù)和漏液檢測裝置的液位計示數(shù)，以防發(fā)生發(fā)電機漏油事故；③在進行氣體置換之前，相關純度儀表已用標氣進行校訂，油氫壓差調節(jié)閥已設定完成。

3 結語

1000 MW 核能汽輪發(fā)電機組氫氣供應系統(tǒng)的技術已趨于成熟，國內眾多機組也采用類似技術和布置方案，在已商運電站中氫氣供應系統(tǒng)中配套的各集裝裝置的實際運行效果得到了充分驗證。隨著三代核電技術的發(fā)展，氫冷機組的相關配套系統(tǒng)不斷優(yōu)化，調試周期逐漸縮短，提高了機組運行的穩(wěn)定性。