發電機氫氣泄漏分析與改進研究

劉 龍

（中核核電運行管理有限公司）

秦山核電廠發生過多次發電機氫氣泄漏事件，由于干預及時，避免了氫爆、燃燒的嚴重工業安全事故。氫氣泄漏可能會給電廠帶來災難性的后果，威脅人員和設備的安全。本文闡述了發電機氫氣泄漏的危害，結合國內外發電機氫氣泄漏事件，重點分析了發電機氫氣泄漏途徑，研究了緊急干預措施，并提出管理上和技術上的改進建議。

一、發電機氫氣泄漏的危害

發電機氫氣泄漏嚴重影響發電機的安全運行，并可能引發工業安全事故，主要危害有：

（1）氫氣泄漏造成發電機的氫氣壓力下降，發電機冷卻不足，內部構件局部過熱，影響發電機正常運行。

（2）氫氣壓力低可能導致發電機氫氣與定子冷卻水壓差降低、氫氣與密封油壓差增加，進而導致發電機進水、進油，發生發電機定子、轉子繞組絕緣損壞的事故，嚴重時還會造成相間或對地短路事故。

（3）氫氣屬易燃易爆的氣體，空氣中含氫量達到4%—74%（體積比），遇明火或溫度700 ℃以上時，會發生爆炸、燃燒。

（4）氫氣泄漏會造成機組耗氫量增加，發電機需頻繁補氫，機組運行成本提高。

二、秦山核電廠發電機氫氣泄漏事件和改進措施

（一）發電機氫氣泄漏事件

秦山核電發生過多起發電機氫氣泄漏事件，由于干預及時，避免了發生氫氣爆炸、燃燒的嚴重工業安全事故，以秦山核電二廠4號機組一起氫氣泄漏事件為例。

2013年3月17日，汽輪發電機打閘惰轉至623rpm，主控室突發氫氣與密封油壓差低報警，汽輪發電機9瓦處有油噴出，且伴有煙霧，立即對發電機緊急排氫。密封油壓恢復正常后，停止緊急排氫。本次氫氣泄漏原因為氫氣密封油系統過濾器堵塞，導致密封油壓降低、密封功能喪失。整個過程歷時10分鐘左右，大量氫氣從發電機軸承處泄漏，險些釀成嚴重的工業安全事故。

（二）改進措施

針對歷次發電機氫氣泄漏事件，秦山核電采取了以下改進措施：

（1）拆除發電機排污閥的手柄，防止誤碰或誤操作導致氫氣泄漏，并在排污管口增加管帽，防止閥門內漏。

（2）每班執行密封油系統過濾器刮污操作，避免過濾器堵塞，密封功能喪失。

（3）在值班室門口和發電機平臺增加緊急排氫操作文件，確保第一時間拿到操作文件，進行緊急排氫。

（4）在原設計基礎上另增加一條應急排氫管線，新增管線更便于第一時間緊急排氫。

（5）所有涉氫區域增加氫氣泄漏監測裝置。

三、發電機氫氣泄漏分析

根據氫氣冷卻型發電機設計、安裝情況，并結合國內外經驗，本文將會分析發電機氫氣泄漏易發生部位，研究干預措施，并提出管理和技術上的改進建議。

根據泄漏的途徑的不同，氫氣泄漏可分為內漏和外漏，氫氣直接漏到環境中稱為外漏，外漏部位比較直觀，容易查找和處理；氫氣通過其他介質或系統泄漏到環境中稱為內漏，內漏不易查找和處理。

（一）氫氣外漏

1.氫氣外漏的部位

外漏主要發生在以下幾個部位：（1）發電機端罩與機座的結合面；（2）發電機本體的入孔門；（3）定子引出線或中性點套管；（4）氫氣冷卻器上、下法蘭與機殼結合面處的橡膠墊；（5）設備的焊縫；（6）氫氣供給系統管道、閥門、法蘭。

2.氫氣外漏的干預措施

（1）監測發動機定子和轉子溫度，降低發電機出力或者打閘停機，避免發生燃燒、氫爆，導致人員受傷或發電機等重要設備損壞。

（2）停止所有汽輪機廠房的檢修活動，通知無關人員撤離。

（3）加強廠房通風，避免氫氣積聚。

（4）確認氫氣泄漏率在安全可控范圍內后，展開查漏工作：①首先查看氫氣泄漏監測裝置，確認是否監測到氫氣泄漏部位。②發電機本體查漏，一般由專業人員通過涂抹檢漏液和使用氫氣檢測儀相結合的方法查漏。需要特別注意的是，查漏人員需嚴格使用防爆工具，隨身不能攜帶電子產品，以免產生火花。③氫氣供給系統管道、閥門、法蘭等處查漏，可使用部分隔離與涂抹檢漏液相結合的方法查漏。如氫氣干燥器、濕度儀、發電機絕緣監測儀等，可以通過分步隔離的方法判斷漏點。④如發電機軸承處存在氫氣外漏，則檢查發電機密封油系統運行情況，盡快恢復封油系統至正常運行。

（5）如漏點無法短時間確定及消除，果斷打閘停機，并執行緊急排氫操作。

3.針對氫氣外漏的改進建議

（1）制定或完善氫氣外漏檢查及干預導則。嚴格按照導則處理不但有據可依，而且處理思路清晰，減少分析、查漏及干預時間，為故障處理爭取寶貴的時間。

（2）制定或完善緊急排氫操作文件。完善的緊急排氫操作文件可以指導值班人員盡快采取緩解措施，如立即啟動風機或開啟發電機周邊窗戶，加快廠房內空氣置換，避免氫氣局部積聚、爆炸；執行緊急排氫操作，避免氫氣漏入廠房內。

（3）涉氫區域配備凡士林或黃油。氫氣泄漏檢查、處理過程中防火花措施尤其重要，金屬工具上涂抹凡士林和黃油是一種簡易、快速的防火花措施。大面積查漏過程中，值班室內防火花銅質工具不夠用時，金屬工具上涂抹凡士林或者黃油是一個很好的安全措施。

（4）實施針對性的技術改進方案。針對氫氣泄漏事件，應盡快制定、實施技術改進方案，避免相同事件重復發生。如秦山核電廠發電機氫氣純度儀的流量調節閥先后發生兩次閥門開度異常開大，導致氫氣外漏事件。建議在該調節閥上增設固定卡銷或者閥門換型，避免由于管線震動等原因導致閥門開度異常開大的現象。

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圖1 氫氣純度儀取樣調節閥增設固定卡銷

（5）對發電機氫氣管道中的易破碎儀表進行換型。田灣核電廠發生過因為玻璃流量計破碎導致氫氣泄漏的事件，國內外許多發電廠的氫氣純度儀流量計和氫氣濕度儀流量計均為塑料或玻璃材質，有老化、破損導致氫氣泄漏的風險。建議將涉氫管道中的玻璃、塑料材質的表計更換為金屬式數字指示儀。

（6）發電機區域增加專用鼓風機?？偨Y國內外電廠的經驗，氫氣泄漏事故下，使用大風量風機鼓風、避免氫氣積聚的方法效果較好。建議在發電機區域增加專用鼓風機，在緊急排氫操作文件中增加事故時值班人員啟動鼓風機的指令。

（二）氫氣內漏

1.氫氣內漏的途徑

發電機內氫氣與閉式冷卻水系統、密封油系統、定子冷卻水系統相接觸，氫氣壓力邊界的密封性變差或密封面損壞都會導致氫氣向上述系統泄漏，再經上述系統向環境泄漏。

2.氫氣內漏的干預措施

（1）經閉式冷卻水系統向環境泄漏的干預措施。閉式冷卻水通過冷卻盤管對發電機內氫氣進行冷卻，冷卻盤管內壁及盤管的接口處易發生氫氣泄漏，漏向閉式冷卻水系統中，再經閉式冷卻水系統漏向環境。冷卻盤管處的氫氣泄漏一般是一個緩慢且逐漸增大的過程，留有一定查漏時間。

①氫氣泄漏較小且在可控范圍時，可利用氫濃度檢測儀在冷卻盤管的水側各個排氣口檢測氫濃度的方法確定漏氫的冷卻盤管。上述方法無法確定漏點時，則采取逐一隔離冷卻盤管的方法，比較隔離前后發電機氫氣泄漏速率的變化，若氫氣泄漏速率減小，則可判斷為該冷卻盤管泄漏。泄漏的冷卻盤管在隔離狀態下，發電機可通過降低功率保持長期運行。

圖2 冷卻盤管查漏示意圖

（2）經密封油系統向環境泄漏的干預措施。發電機密封油系統是提供氫氣密封功能，一旦密封油系統油壓下降或喪失，氫氣會通過密封油并沿著發電機軸承向外泄漏。

①氫氣泄漏較小且在可接受范圍時，檢查密封油壓是否正常、調節閥和平衡閥的調節功能是否正常、過濾器是否堵塞、密封油管路是否存在漏油等。條件允許下緊急搶修，否則打閘停機后處理。

②如果密封瓦磨損或者密封油壓完全喪失，此時會發生大量氫氣泄漏，發電機軸承處可能發生燃燒、爆炸，應立即執行緊急排氫操作，同時打閘停機。

③如泄漏率大，且無法短時確定漏點，應立即執行緊急排氫操作，并打閘停機，再做檢查、處理。

（3）經定子冷卻水系統向環境泄漏的干預措施。正常運行時，定子冷卻冷水壓低于氫壓，由于氫氣滲透力特強，有微量氫氣通過空心銅管管壁進入定子冷卻水系統屬于設計上允許的情況。一旦定子冷卻冷水系統密封不良就有可能導致超設計量的氫氣漏入定子冷卻冷水中，再經定子冷卻水系統漏向環境。根據國內外經驗，空心銅管和聚四氟乙烯引水管接頭處發生氫氣泄漏概率較高。

①泄漏率小時，可通過取樣檢查定子冷卻水箱上部覆蓋氮氣中的氫含量，氫含量有異常上漲趨勢，可判斷為定子冷卻水系統存在氫氣泄漏。密切監測氫氣泄漏率變化情況，根據定子冷卻水系統設計說明書控制機組運行情況。

②泄漏率較大時，定子冷卻水箱上部氣壓會明顯增加，壓力達到定值時，安全閥會動作，將水箱上部氮氣、氫氣混合氣體排至室外。氫氣泄漏率一旦達到發電機運行限值，立即打閘停機，并進行冷卻水管的解體、修復。

圖3 定子冷卻水箱示意圖

3.針對氫氣內漏的改進建議

（1）增加或完善氫氣內漏檢查及干預導則。內漏比外漏更加隱蔽，需更多時間分析、排查，尤其能體現出查漏及干預導則的優越性。導則中詳細描述與發電機相連系統的查漏及干預措施，指導電廠人員條理清晰地處理發電機氫氣內漏事件，避免臨時忙亂，錯過最佳處理時機，甚至事態惡化。

（2）改進密封油溫控制系統的調節性能。國內外多次出現密封油溫變化導致密封瓦損壞，進而導致發電機氫氣泄漏，改善密封油溫控系統的調節性能是保持油溫穩定的根本方法。如：秦山核電廠的密封油的冷卻水流量調節閥的自動調節性能差，冬季時基本在全關位置，流量——開度線性較差。建議增加旁路小管徑冷卻水管線及自動調節閥，控制回路進行相應改進（大小管徑的調節閥線性疊加控制，溫度低時，用小管徑的調節閥控制冷卻水流量，溫度高時，大小管徑的調節閥同時控制冷卻水流量），工藝管線及調節閥函數曲線示意圖如下。

圖4 密封油溫控制的調節性能改進示意圖

f1(x)：小閥自動調節閥動作函數；f2(x)：大閥自動調節閥動作函數。

小、大調節閥先后動作，設置調節重疊區域，能夠實現密封油溫的線性調節。

（3）閉式冷卻水系統、發電機定子冷卻水系統增加在線測氫表計。閉式冷卻水系統發生氫氣內漏時，只能在冷卻器排氣口用便攜式氫濃度檢測儀表測量，便攜式便攜式氫濃度檢測儀表可靠性差，而且測量過程中如發生氫氣燃燒、爆炸，會危及人員安全。

發電機定子冷卻水系統發生氫氣內漏時，電廠都是通過手動取樣確定發電機定子冷卻水箱上部氮氣中的氫含量，同樣，取樣過程中有人員受傷風險。

建議在閉式冷卻水系統氫氣冷卻盤管進出口管處、發電機定子冷卻水系統水箱氣體取樣管處中增加在線測氫表，改進后不僅可以實時監測氫氣向閉式冷卻水系統、定子冷卻水內漏情況，及時發現缺陷，而且降低了手動測量、取樣過程中發生氫氣燃燒、爆炸的工業安全風險。

四、總結

技術方面，根本上杜絕發電機氫氣泄漏問題，還需從檢修質量和系統設計上入手。高水平的檢修質量，不僅能夠處理已存缺陷，還能通過預防性檢修消除潛在的缺陷。系統設計上需充分采納國內外經驗，提高系統設計安全性。并結合各廠實際狀況，及時采取技術改進措施，可以避免相同事件的發生。

管理方面，為隔離發電機氫氣泄漏的漏點或將后果減小到最小，需制定一套詳細、可執行性強的發電機氫氣泄漏干預文件，指導電廠人員條理清晰地處理發電機氫氣泄漏事件。