发电机氢气泄漏监测系统在重水核电厂的应用

1、发电机氢气泄漏监测系统在重水核电厂的应用摘 要：该文介绍了秦山三厂氢气泄漏监测系统的变 更改造，增加关键点进行取样监视，切实加强了发电机内循 环氢气的监测力度，有效保障了机组安全稳定的运行。关键词：氢气泄漏 定子冷却水箱 发电机中图分类号： TM91 文献标识码： A 文章编号： 1674-098X （2016）01（b）-0050-02Abstract ： This article describes the upgraded of the hydrogen leak monitoring system in a nuclear power plant ， increase the key

2、points of sampling surveillance ， to strengthen the monitoring of the generator hydrogen inner loop ， effectively ensure the safe and stable operation unit.Key Words：Hydrogen gas leak；Stator cooling water tank ； Generator目前，国内电厂发电机绝大多数采用安全高效的“水 - 氢-氢”冷却方式。运行经验表明， 发电机通风损耗的大小取 决于冷却介质的质量，质量越轻，损耗越小，氢气在气

3、体中 密度最小，有利于降低损耗；另外氢气的传热系数是空气的 6.8 倍，换热能力好；氢气的绝缘性能好，控制技术相对较 为成熟。使用氢气的最大的隐患是易燃、易爆。氢气一旦泄露并 与空气接触，当可燃物和助燃物两个条件满足，如果泄露持 久，氢气的浓度和空气中氧气混合到达爆炸下限时，若再存 在火源 （或静电），氢爆则无法避免， 爆炸分为爆燃和爆轰， 当浓度达到18.3%59%就会发生爆轰。因此，要消除氢气 的危险性，以及稳定发电机内氢气纯度的高值，就必须监测 并控制氢气泄漏。 2001 年 11 月，日本滨冈核电厂 1 号机组 反应堆厂房内部余热导出热交换室，导致发生氢气爆炸。电 厂人员没有意识到在高

4、温高压条件下系统设备中会析出不 可凝结的氢气和氧气，在管道内壁金属的催化作用下，引燃 气体发生爆炸。基于同行业界的经验教训，需充分关注氢气 聚积的敏感区，通过增强检测手段，避免同类事件的再次发 生。1 氢气泄漏监测系统改造原因2006 年前， 秦山三厂氢气泄漏监测点只有 3 个，分别是 发电机 7 号、 8 号轴瓦和发电机励磁小室，当这 3 点氢气含 量超过1%时，主控室分别产生3个CI报警。与国能安全（2014） 161 号防止电力生产事故的二十五项重点要求 （以下简称 电力要求）中相对照，缺少了汽轮发电机组润滑油系统、封 闭母线和定子冷却水箱内氢气含量的实时监视。电力要求中与漏氢监测相关要

5、求如下。（ 1 ）发电机出线箱与封闭母线连接处应装设隔氢装置， 并在出线箱顶部适当位置设排气孔。同时应加装漏氢监测报 警装置，当氢气含量达到或超过 1%时，应停机查漏消缺。（ 2）水内冷定子绕组内冷水箱应加装氢气含量检测装 置，定期进行巡视检查，做好记录。在线监测限值按照隐 极同步发电机技术要求 （GB/T 7064-2008）设定，氢气含量 检测装置的探头应结合机组检修进行定期校验。具备条件的 宜加装定子绕组绝缘局部放电和绝缘局部过热监测装置。由以上几点可以看出，我厂氢气系统的漏氢探头不满足 电力系统的相关要求。为了满足电力要求，有必要在增加漏 氢监测装置，来检查氢气可能泄漏点的氢气浓度，保

6、证发电 机的安全稳定运行。2 变更方案 按照电力要求，在氢冷发电机油系统主油箱内，封闭母 线外套，定子冷却水系统安装氢气浓度监测装置。另外，由 于发电机氢气冷却器再循环冷却水回水压力高，无法降低氢 气冷却器内再循环冷却水的水压，所以现场氢气冷却器内的 水侧压力高于氢气侧压力，氢气在这种情况下不可能泄漏到 再循环冷却水中，故未在再循环冷却水系统增加氢气泄漏探 测装置。故对以下几个关键点进行取样监视。润滑油主油箱（润滑油箱排气总管上安装） 。 定子冷却水箱（定子冷却水箱排气管线上安装） ：若定 子冷却水入口集管、分配短管、定子线圈内水通路、回水短 管和集管等处出现泄漏，水难于渗出，而氢气则会渗入水

7、系 统。氢气泄漏到水中，又从排空管排放到大气，当前配置没 法知道是否有氢气泄漏，也无法第一时间得知发电机内部线 圈及短管出现破损。当水中溶解的氢气达到饱和时，会在定 子冷却水箱内释放氢气，使水箱压力逐渐升高。在定子冷却水箱上部排空管段上加装漏氢探头，进入定子线圈配水集管处水压通常为145 kPa,出水集管处水压100kPa左右。定子、转子气隙内氢气压力正常都在 414 kPa以下， 气压高于水压。定子冷却水箱上部原设计装有直通大气的排 空管，此管端上可以方便加装漏氢探头。发电机出口母线套筒（发电机出口母线套筒最高点安 装）：发电机出口母线采用强制风冷，发电机母线套管内的 气体在发电机母线套管内

8、强制循环。其中 B 相母线套管为进 风口，与风机出口连接， A和C相为出风口，通过换热器后 和风机进口连接。由于强制风冷循环冷却的封闭母线内氢气 浓度比自然风冷的容易稀释，在封闭母线上部的方形集气罐 四角的位置存在气体流动的死角，在该部位设置探头最能够 客观反映封闭母线内的氢气浓度。在发电机出口封闭母线管 上安装氢气探头对出口母线没有任何影响，由于氢气的比重 小于空气，总是漂浮在空气的上面，所以气体取样点选取最 高点。发电机封闭母线探头安装材料必须是无磁性材料，防 止因发电机出口母线电流磁场引起发热，产生故障，另外， 发电机出口封闭母线上探头的安装位置必须位于发电机出 口母线套筒外侧，防止因氢

9、气探头降低发电机母线的绝缘等 级。3 氢气泄露监测系统的组成 根据目前氢气泄漏监测的实际技术应用情况，拟采用国 内已经成熟使用的多点漏氢监测装置来对氢气泄漏情况进 行监测。该装置由两部分组成：传感器和监测主机，其中传 感器安装在每个氢气可能泄漏聚集的点，传感器将探测到的 氢气浓度转换为电信号后传送到监测主机，显示所监测位置 的氢气浓度。当监测到的氢气浓度达到或超过预置报警限值 时，报警器立即发出报警，以提醒运行人员及早采取措施。 在润滑油主油箱（ 1 点）、定子冷却水箱（ 1 点）和发电机出 口母线套筒内（ 6 点，其中在发电机出口母线套筒 4 个角各 1 个，中性点套筒两个角各 1 个）安装

10、氢气浓度监测探头， 其中发电机出口母线套筒内 6 个探头之间互相冗余，当存在 探头损坏或在检修，或者监测数据不一致时，可通过其余的 探头来判断当前正确的氢气浓度，提高监测系统的可用性。漏氢传感器采用高性能电化学传感器，将两个反应电极 （工作电极和对电极）及一个参比电极放置在特定电解液中， 然后在反应电极上加上电压，使透过毛细管扩散栅的待测气 体经行氧化还原反应。再通过仪器中的电路系统测量气体电 解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体含量。电化学传感器具有 ppm 测量级别的高灵敏度， 输出线性， 测 量精度高，对氢气选择性好，仅与氢气产生反应等优点。除此之外，传感器具有全金属防爆外壳、

11、模块化设计， 主要结构有取样安装口、透气泄压口、测量气室、传感器模 块、变送模块和电气接口。传感器模块部分可以单独校准和 存储校验数据，方便维护和检修。氢气浓度监测主机盘柜则布置在现场氢气控制盘柜附 近，采用四级电源，并为漏氢传感器提供恒流电源，大屏幕 LCD直接显示多路氢气浓度和报警。当环境氢气的浓度达到 或超过预置报警值时，声光报警器立即发出报警信号，以及 时提醒运行人员采取安全措施，防止发生爆炸、火灾事故， 从而保障安全生产。4 漏氢监测系统的局限性和后续优化 当发生异常工况，氢气确实存在泄漏，对漏氢传感器进 行更换时， 缺少隔离阀会导致系统直接开口， 氢气上升扩散， 如遇明火会有氢爆风

12、险，存在重大安全隐患。探头安装位置 较低，缺少隔离阀，现有安装结构不符合厂家安装标准。从 2013 年起氢气泄漏监视盘定子冷却水箱氢气泄漏探 头多次出现测量数据为 0 的缺陷，部分缺陷相隔时间小于 2 个月。由于定子冷却水箱的闭式循环特性，探头位于定子冷 却水箱顶部，探头位置离排水（汽）管较近，水汽容易在探 头处凝结，导致探头取样孔被堵住，无法监测出真实有效的数据国能安全（ 2014） 161 号防止电力生产事故的二十五 项重点要求 中提出： 内冷水箱中含氢 （体积含量） 超过 2% 应加强对发电机的监视，超过 10%应立即停机消缺。内冷水 系统中漏氢量达到 0.3 m?/d 时应在计划停机时

13、安排消缺， 漏 氢量大于 5 m?/d 时应立即停机处理。 但就地定子冷却水箱上 漏氢传感器存在以下问题： （ 1）安装有气体流量表的内冷水 箱所排出的气体中除了氢气还有其他组分的气体，所以监测 的不是真实的氢气泄漏量。 （ 2）内冷水箱安装的漏氢探头的 测量量程为0%4%,所以不能满足标准规范文件新要求的 10%的监测指标。（3）当内冷水箱测点发生报警时，运行人 员无法及时有效地判定水箱内氢气含量属内冷水系统渗漏 累积氢气，还是内冷水系统瞬时超标漏氢。针对以上问题， 漏氢监测系统后续需改进的方面有： （1） 增加探头隔离阀，减少氢爆风险。 （ 2）重新选择定子冷却水 箱顶部漏氢传感器的安装位置，降低水汽影响。 （3）给定子 冷却水箱顶部漏氢传感器增加远传气体流量计，采集水箱内 排气的流量数据，有效监测发电机内冷水系统氢气泄漏量和 水箱内的实时氢气浓度，为运行人员监测发电机氢系统漏氢