诸海川

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）-0050-02

Abstract：This article describes the upgraded of the hydrogen leak monitoring system in a nuclear power plant，increase the key 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100 kPa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、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量提供可靠的依据。

5 结语

漏氢监测系统的建立，切实加强了秦三厂对发电机内循环氢气的监测力度，能及时发现润滑油主油箱、定子冷却水箱和发电机出口母线的漏氢隐患，有效保障了机组安全稳定的运行，为核电事业的快速发展保驾护航。

参考文献

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[2] 陈杰武.百万千瓦发电机氢气燃爆的预防措施[J].上海大中型电机，2011（2）：57-59.