何永艷，王維豪，韋旺

1. 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 申安網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)學(xué)院，上海 201411

2. 上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444

福島核電站事故之后，核電安全問(wèn)題在全世界引起了廣泛關(guān)注，多個(gè)國(guó)家對(duì)核電氫冷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管提出了更高要求[1?3]。因風(fēng)摩損耗和通風(fēng)損耗與冷卻氣體密度成正比，而氫氣是已發(fā)現(xiàn)氣體中密度最小的氣體，且氫氣具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)與表面散熱系數(shù)，因此單位體積的氫氣比空氣具有更高的冷卻效率，氫氣冷卻方式已經(jīng)成為大型發(fā)電機(jī)的首選冷卻方式[4?6]。但是氫氣冷卻發(fā)電機(jī)存在的缺點(diǎn)是氫氣泄漏不僅會(huì)導(dǎo)致冷卻效率變低、機(jī)組過(guò)熱以及機(jī)組損壞等潛在風(fēng)險(xiǎn)，而且存在巨大的安全隱患。研究表明，當(dāng)空氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)為5%~70%時(shí)，只要有0.02 mJ 的火源存在，就可發(fā)生火災(zāi)和爆炸[6]。然而氫氣滲透能力強(qiáng)，氫氣泄漏不可避免，因此將氫氣泄漏量控制在合理的范圍內(nèi)是保證發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的必要條件，故而氫冷發(fā)電機(jī)安裝前需要對(duì)殼體進(jìn)行嚴(yán)格的氣密性測(cè)試。在保障安全的前提下，為了測(cè)量單日氫氣泄漏量，最為常用的測(cè)量方式為對(duì)壓縮空氣進(jìn)行泄漏測(cè)試并將根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)將其換算為等效氫氣泄漏量[7?8]，同時(shí)可節(jié)約測(cè)試成本。

劉漢臣等[1]對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)氫氣風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了研究，并利用MATLAB 建立了氫氣可燃性判斷計(jì)算模型，模型結(jié)果表明可通過(guò)控制安全殼壓力來(lái)降低氫爆風(fēng)險(xiǎn)，為技術(shù)支持中心制定策略提供參考。趙韻奇等[4]對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濃度下降原因進(jìn)行了全面分析，總結(jié)氫氣濃度下降根本原因，為氫冷發(fā)電機(jī)漏氫故障排查提供指導(dǎo)。黃霖[5]將氦氣泄漏技術(shù)應(yīng)用在氫冷發(fā)電機(jī)氣密試驗(yàn)中，與常用的拉開(kāi)粉檢測(cè)和鹵素檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氦氣檢漏方法具有環(huán)保、性能穩(wěn)定以及檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。郭海[6]介紹了常用氫冷發(fā)電機(jī)氣密性檢測(cè)試驗(yàn)方法與氣密性評(píng)價(jià)方式，并介紹了常出現(xiàn)氫氣泄漏部位與補(bǔ)救方法。何德兆[7]對(duì)國(guó)內(nèi)外推行的氫氣泄漏計(jì)算公式、泄漏衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳盡的對(duì)比，并以秦電二期工程2 號(hào)機(jī)組為平臺(tái)，對(duì)機(jī)組試運(yùn)行期間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了減少氫氣泄漏若干措施。司派友等[8]對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)氣密性計(jì)算方法進(jìn)行了研究，不僅考慮到氣體在密封油中的溶解量，而且詳盡地討論了氣壓與溫度對(duì)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的影響，得出氫氣–空氣換算經(jīng)驗(yàn)值為3.8。閻?？礫9]根據(jù)理想氣態(tài)方程對(duì)國(guó)內(nèi)第一臺(tái)日本進(jìn)口600 MW氫冷發(fā)電機(jī)持續(xù)保壓24 h，測(cè)量多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行單日氫氣泄漏量計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組的氣密效果達(dá)到預(yù)定要求。畢純輝等[10]將傳感技術(shù)與自動(dòng)測(cè)控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析來(lái)提高測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化程度與數(shù)據(jù)分析效率，并采用美國(guó)GE 公司390H 型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的有效性。Heim 等[11]提出了一種空氣滲透建模和模擬的計(jì)算方法，為了驗(yàn)證提出氣流網(wǎng)絡(luò)方法的有效性，開(kāi)發(fā)了滲透試驗(yàn)的模擬模型，并與其他壓差校準(zhǔn)模型的模擬結(jié)果相比較，結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和與采用提出模擬計(jì)算方法結(jié)果之間的差異不超過(guò)2.5%。

之前學(xué)者分別對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)常見(jiàn)漏氫故障、故障原因、故障修復(fù)方案、泄漏判定標(biāo)準(zhǔn)、泄漏計(jì)算方式以及氣密性測(cè)試方法等進(jìn)行深入研究，且已將自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)應(yīng)用于氣密性測(cè)試過(guò)程中。基于之前學(xué)者研究基礎(chǔ)，本文提出了一種基于擬合方程的氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性測(cè)試方法，并將傳感技術(shù)與自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)試結(jié)果精確化、重復(fù)測(cè)試高穩(wěn)定性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了本文所提方法的有效性與穩(wěn)定性。

1 氣密性測(cè)試方案

1.1 泄漏公式推導(dǎo)

氣體體積無(wú)法直接測(cè)量獲得，常用方法為測(cè)量密封容器內(nèi)氣體溫度與壓力，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[6?8]計(jì)算得出：

式中：P為氣體壓力， Pa；V為氣體體積， m3；n為氣體的物質(zhì)的量，m ol；R為普適氣體恒量，8.31 J/(mol·K)；T為氣體溫度， K。

如將nR近似視作常量C，則由式（1）可得：

根據(jù)式（2），在已知容積體積、氣體壓力和氣體溫度的前提下，可將其換算到給定狀態(tài)（或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下氣體體積。在不同時(shí)刻計(jì)算給定狀態(tài)下氣體體積并做差，便可獲得氣體泄漏量：

式中： ?V為給定狀態(tài)下氣體泄漏量， m3；V1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)氣體體積， m3；V2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氣體體積，m3；P1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)容器內(nèi)部壓力， Pa；P2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)容器內(nèi)部壓力， Pa；T1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)容器內(nèi)部平均溫度， K；T2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)容器內(nèi)部平均溫度， K。

衡量氫冷發(fā)電機(jī)氣密性標(biāo)準(zhǔn)為單日氫氣泄漏量，而式（3）所得泄漏量?jī)H為某時(shí)間段內(nèi)的氣體泄漏量，可將其換算為單日氣體泄漏量：

式中 ?t為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始與試驗(yàn)結(jié)束之間時(shí)間間隔， h。

1.2 線性擬合方程氣體泄漏計(jì)算方案

根據(jù)時(shí)序采樣點(diǎn)采集的氣體溫度與壓力，由式（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓縮氣體體積，以時(shí)間作為自變量、壓縮氣體體積為因變量進(jìn)行線性擬合，得到擬合方程：

式中：x為時(shí)間， h；y為氣體體積， m3；k為線性擬合方程斜率；b為線性擬合方程在y軸的截距。

由式（5）中k得氣體單日氣體泄漏量為

1.3 氫冷發(fā)電機(jī)氣密性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)式（3）可知，計(jì)算氣體泄漏量需要已知容器體積、容器內(nèi)部壓力以及容器內(nèi)部平均溫度。容器體積在進(jìn)行氣密性試驗(yàn)前已經(jīng)確定；容器內(nèi)部壓力通過(guò)氣壓傳感器獲得；當(dāng)容器體積過(guò)大時(shí)，容器內(nèi)部溫度分布不均，氣體成分相同情況下，熱氣體密度較低處于容器上層，因此容器內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象。為了得到容器內(nèi)部平均溫度，應(yīng)當(dāng)采集多點(diǎn)溫度計(jì)算平均溫度，在本實(shí)驗(yàn)中選取頭部與尾部不同高度的8 個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，溫度測(cè)試點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 容器內(nèi)溫度分布及溫度采集點(diǎn)選取

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示3 個(gè)步驟，氣密性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。8 個(gè)溫度傳感器接入溫度采集儀中，計(jì)算機(jī)與溫度采集儀之間通過(guò)采用通用接口總線(general purpose interface bus，GPIB)轉(zhuǎn)通用串行總線（universal serial bus，USB）模塊將溫度采集儀接入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)溫度采集儀的控制與溫度數(shù)據(jù)采集。氣壓采集儀通過(guò)氣密性接頭與容器內(nèi)部連通，氣壓儀內(nèi)部與容器內(nèi)部形成等壓，計(jì)算機(jī)與氣壓采集儀之間同樣通過(guò)采用GPIB 轉(zhuǎn)USB 模塊將氣壓采集儀接入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣壓采集。

圖2 氣密性測(cè)試方案

2 氫冷發(fā)電機(jī)氣密性測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證提出氫冷發(fā)電機(jī)氣體泄漏計(jì)算方案的有效性，建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建實(shí)物示意如圖3 所示，在待測(cè)密封性殼體內(nèi)部按照?qǐng)D1 所示布置8 個(gè)電阻溫度探測(cè)儀(resistance temperature detector, RTD)，并將RTD 通過(guò)溫度采集卡接入溫度采集儀；溫度采集儀與氣壓采集儀以IEEE488 并行總線方式相連接，通過(guò)GPIB 轉(zhuǎn)USB 模塊將溫度采集儀與氣壓采集儀接入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊指令控制采集溫度與氣壓。本試驗(yàn)平臺(tái)所使用儀器型號(hào)如表1 所示。

圖3 氣密性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

上位機(jī)基于LabVIEW2018 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，上位機(jī)主要功能為控制溫度采集儀與氣壓采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及泄漏計(jì)算、泄漏曲線繪制、報(bào)表生成等功能。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

本實(shí)驗(yàn)對(duì)SPL-H6 型氫冷發(fā)電機(jī)殼體進(jìn)行了氣密性實(shí)驗(yàn)，其殼內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)容積為113.83 m3、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試壓力為551.58 kPa、日允許泄漏量為3.43 m3。在氫冷發(fā)電機(jī)氣密試驗(yàn)中，為了降低試驗(yàn)成本與保證試驗(yàn)的安全性，通常用空氣代替氫氣進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，最終根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式將單日空氣泄漏量乘以3.81 換算得到單日氫氣泄漏量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以10 min 為間隔對(duì)溫度和氣壓進(jìn)行采集記錄，本試驗(yàn)持續(xù)14 h，共得到86 個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄點(diǎn)，能夠充分驗(yàn)證本文所提方法的有效性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

表2 氫冷發(fā)電機(jī)SPL-H6 型殼體第1 組氣密性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（采樣點(diǎn)間隔10 min，持續(xù)采樣14 h）

表2 中的序號(hào)從1 開(kāi)始，每采集1 次溫度與壓力數(shù)據(jù)“序號(hào)”+1，“氣體壓力”為上位機(jī)發(fā)送采集指令給氣壓采集儀從容器內(nèi)部壓力采集得到，“平均溫度”為采集到的8 個(gè)RTD 溫度求取平均值獲得，“氣體體積”則通過(guò)氣體壓力與平均溫度計(jì)算得到，計(jì)算得出的氣體體積為常溫常壓情況下氣體體積，溫度取20 ℃，可換算為293 K，氣壓取101.429 kPa。由式（2）可得：

式中：Pnorm為標(biāo)準(zhǔn)氣體壓力，101.429 kPa；Vnorm為常溫常壓狀態(tài)下氣體體積，m3；Tnormt為常溫狀態(tài)容器內(nèi)部氣體溫度，293 K；Ptest為實(shí)測(cè)氣體壓力，Pa；Vtest為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算氣體體積，m3；Ttest為實(shí)測(cè)容器內(nèi)部氣體溫度，K。

第2 種氣體體積計(jì)算方式需要首先根據(jù)式（3）計(jì)算出基于基礎(chǔ)氣體體積的氣體泄漏量，之后采用基礎(chǔ)氣體體積減去氣體泄漏量即為最新的氣體體積，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，采用第2 種氣體體積計(jì)算方式所得計(jì)算結(jié)果與采用式（7）計(jì)算所得計(jì)算結(jié)果完全一致，2 種方法均可用于計(jì)算氣體泄漏量。需要特別注意的是，首次氣體體積計(jì)算必須采用式（7）進(jìn)行，之后才可使用式（3）依次計(jì)算泄漏后剩余氣體體積，本文采用式（7）計(jì)算氣體體積，所得氣體體積如表2 所示。

2.3 單日氫氣泄漏公式推導(dǎo)

將式（7）代入式（4），即令V1=Vnorm，可得到容器的單日氣體泄漏量：

將空氣泄漏量乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)3.81 即可等價(jià)于氫氣泄漏量。則通過(guò)式（6）與式（8）可得等價(jià)單日氫氣泄漏量分別為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制氣體體積隨時(shí)間變化與線性擬合曲線如圖4 所示。

圖4 SPL-H6 型氫冷發(fā)電機(jī)殼體泄漏曲線與線性擬合

由圖4 可以看出，隨著時(shí)間的推移，氣體體積不斷縮小，表明所測(cè)試SPL-H6 型氫冷發(fā)電機(jī)殼體存在氣體泄漏。開(kāi)始測(cè)試的前12 h 內(nèi)，氣體勻速泄漏；第12 h 后數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況，氣體體積開(kāi)始增加，這不符合實(shí)際情況，不可以將第12 h 后的測(cè)試數(shù)據(jù)用于泄漏計(jì)算。導(dǎo)致氣體體積計(jì)算異常的原因是多種的，比如壓縮氫氣泄漏入被測(cè)容器、RTD 損壞、環(huán)境溫度變化較快、頻繁打開(kāi)測(cè)試室大門(mén)等。氣密性實(shí)驗(yàn)至少采用連續(xù)4 h 的數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏計(jì)算才符合測(cè)試要求，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的氣體泄漏計(jì)算方法有效性，分別繪制與擬合了0~4、3~8、8~12、10~14 h 這4 個(gè)時(shí)間段的氣體泄漏測(cè)試曲線圖，如圖5 所示。圖5中(a)~(d)分別采用24 個(gè)采樣點(diǎn)繪制氣體泄漏情況，并分別進(jìn)行線性擬合，同時(shí)計(jì)算擬合直線的擬合優(yōu)度R2值。R2取值范圍為（0, 1），當(dāng)R2越接近1 則表示擬合曲線與散點(diǎn)之間的擬合程度越好，越接近0 則表示擬合曲線與散點(diǎn)之間的擬合程度越差，理想狀態(tài)R2值為1。在氫冷發(fā)電機(jī)氣密性實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)單日氫氣允許泄漏量大于1.416 m3時(shí)要求R2大于0.7；當(dāng)單日氫氣允許泄漏量小于1.416 m3>時(shí)要求R2大于0.5 即可。圖5 中(a)~(c)這3 種狀況下線性擬合優(yōu)度均為0.99，線性擬合度極好，圖5(d)中線性擬合優(yōu)度僅為0.532，此次擬合是不成功的，不能夠?qū)⒂?jì)算結(jié)果用于衡量氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性。對(duì)圖5 中所表示的4 種狀況分別用式（9）與式（10）計(jì)算其等效單日氫氣泄漏量，如表3 所示。

表3 單日氫氣泄漏量計(jì)算結(jié)果

圖5 SPL-H6 型氫冷發(fā)電機(jī)殼體多時(shí)間段泄漏曲線與線性擬合

如表3 所示，在0~4、3~8、8~12、10~14 h 這4 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)式（9）計(jì)算的等效單日氫氣泄漏量分別為4.54、5.231、3.951、1.159 m3，根據(jù)式（10）計(jì)算的等效單日氫氣泄漏量分別4.366、3.933、4.058、1.012 m3。由表3 可知，在10~14 h 所得的線性擬合優(yōu)度為0.532，擬合是無(wú)效的，通過(guò)式（9）計(jì)算單日氫氣泄漏量則無(wú)法發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題，必然造成氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性質(zhì)量誤判；通過(guò)本文所提擬合方程計(jì)算單日氫氣泄漏量則可通過(guò)擬合優(yōu)度R2發(fā)現(xiàn)此段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)是無(wú)效的。通過(guò)式（9）進(jìn)行計(jì)算的單日氫氣泄漏量易受單個(gè)采樣點(diǎn)影響從而產(chǎn)生較大誤差，采用本文所提出的擬合方程計(jì)算方法則綜合考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)，因此具有更好的穩(wěn)定性。如在表3 中，在0~4、3~8、8~12 h 這3 個(gè)時(shí)間段內(nèi)按照式（9）計(jì)算的等效單日氫氣泄漏量波動(dòng)幅度為3.951~5.231 m3，而通過(guò)本文提出的擬合方程所得單日氫氣泄漏量波動(dòng)幅度為3.933~4.366 m3，表明本文提出的單日氫氣泄漏計(jì)算方式不僅能夠有效判斷采集數(shù)據(jù)是否合格，而且計(jì)算結(jié)果相較于傳統(tǒng)的計(jì)算方式具有更好的穩(wěn)定性。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的氫冷發(fā)電機(jī)殼體單日氫氣允許泄漏量為3.426 m3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本殼體氣密性不合格。經(jīng)過(guò)修復(fù)后再次測(cè)試，測(cè)試時(shí)間持續(xù)6 h，共得到36 個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄點(diǎn)，所得測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 氫冷發(fā)電機(jī)SPL-H6 型殼體第2 組氣密性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（采樣點(diǎn)間隔10 min，持續(xù)采樣6 h）

根據(jù)表4 數(shù)據(jù)繪制氣體體積隨時(shí)間變化與線性擬合曲線如圖6 所示。

圖6 SPL-H6 型氫冷發(fā)電機(jī)修復(fù)后殼體泄漏曲線與線性擬合

如圖6 所示，修復(fù)后的容器對(duì)采樣點(diǎn)1 與采樣點(diǎn)36 通過(guò)式（9）計(jì)算等效單日氫氣泄漏量為1.624 m3，采用本文提出的方法計(jì)算出等效單日氫氣泄漏量為1.362 m3，且擬合優(yōu)度為0.896，具有很高的擬合度，擬合結(jié)果可用于衡量氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性。2 種不同的計(jì)算方式所得結(jié)果均小于氫冷發(fā)電機(jī)殼體單日氫氣允許泄漏量3.426 m3，表明本次的修復(fù)是有效的，修復(fù)后的SPL-H6 型氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性能夠達(dá)到單日氫氣泄漏量小于3.426 m3的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于擬合方程的氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性測(cè)試方法，用于計(jì)算單日氫氣泄漏量。相比傳統(tǒng)的單個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算方法，本文提出的方法更加準(zhǔn)確；同時(shí)通過(guò)對(duì)擬合方程擬合優(yōu)度R2值的判斷，能夠有效地判定采樣點(diǎn)的有效性。結(jié)論如下：

1）本文提出的基于擬合方程的氫冷發(fā)電機(jī)殼體氣密性測(cè)試方法可以有效地提高氫氣泄漏量計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。

2）本文提出的方法采用擬合方程的方式對(duì)采樣點(diǎn)整體的有效性進(jìn)行了判定，從而避免了計(jì)算結(jié)果受單個(gè)采樣點(diǎn)影響較大的問(wèn)題。

本文提出的基于擬合方程的氫氣泄漏計(jì)算方法具有一定的實(shí)用價(jià)值，能夠?yàn)闅淅浒l(fā)電機(jī)殼體氣密性檢測(cè)提供有效的方法和理論指導(dǎo)，為保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。