淺談三門核電氫氣升壓站的結構原理與維護保養

郭曉平　劉玉梅

摘 要：高壓氫氣作為冷卻和除氧介質在核電站應用較為廣泛。文章以三門核電氫氣升壓站作為研究對象，簡要描述了氫氣升壓站的相關設計參數與結構原理。根據設備特點，從安全和工藝兩個方面總結了氫氣升壓站維修保養的相關注意事項。

關鍵詞：三門核電；氫氣升壓站；結構原理；維護保養

1 概述

三門核電氫氣系統是電站獨立的氫氣供應系統，為設備的冷卻、系統除氧提供不同壓力的較為純凈氫氣，包括低壓氫氣子系統和高壓氫氣子系統。其中，低壓氫氣子系統為除鹽水運輸和儲存系統（DWS）的催化除氧單元CORS提供除氧用的低壓氫氣，為發電機氫氣和二氧化碳系統（HCS）提供冷卻用的低壓氫氣；高壓氫氣子系統為化學和容積系統（CVS）供氣，用于主系統除氧。高壓氫氣子系統主要是由氫氣拖車、氫氣升壓站、氫氣匯流排、高壓氫氣瓶及相關儀表管道組成，核心設備為氫氣升壓站。

文章分為四個部分。首先對三門核電氫氣升壓站進行簡介，其次從結構原理和維護保養兩個方面分別對氫氣升壓站進行分析，最后部分為結束語。

2 氫氣升壓站介紹

固定式氫氣升壓站系統采用1.0～20MPa儲氣瓶中的氫氣作為被壓縮介質，壓縮空氣作為升壓泵動力源，將氫氣增壓至41.4Mpa。氫氣升壓站系統核心是六臺獨立氫氣專用氣動升壓泵并聯設計，三臺平均流量即可達到流量參數的要求，可互為備用，當某個升壓泵出現問題，可切換至備用升壓泵運行，確保充裝工作可靠性。整套裝置采用全自動控制系統，由設備運行、氫氣安全監控報警、系統自動監視控制等子系統組成。匯流排為高壓設計，采用SS316不銹鋼材料，設計壓力70Mpa。同時可充10個瓶（兩組），可同時操作，也可分別操作，增加充裝靈活性。設備運行安全可靠并滿足中國及國際相關標準法規、規范的要求，符合氫氣場合安全需要，具備防靜電、無電火花、防爆等安全措施。

3 氫氣升壓站結構原理

氫氣升壓站采用HASKEL AGT-32/62型氣體升壓泵，共六臺。該泵為氣體驅動，無油潤滑，往復活塞式雙級氣動增壓器，型號號碼32/62為空氣驅動活塞面積與壓縮氣體活塞面積之比的近似值。空氣驅動活塞在設備內置的兩個四通氣動換向閥（循環閥）控制下往復運動，該閥由空氣換向系統交替加壓和減壓。驅動活塞和增壓氣體活塞直接相連，壓縮氣體活塞在無需潤滑的條件下往復運動，對壓縮介質不會產生任何污染。驅動端排出的空氣被用來冷卻壓縮端缸套和級間管路。

氫氣升壓站機械系統由驅動空氣路、低壓進氣路、氮氣置換路、高壓出氣路、排放路、增壓模塊、檢測模塊、高壓匯流排、氣瓶測溫模塊組成。

具體工作原理如下：首先通入輸入氣體通入驅動空氣然后打開外控閥門，泵開始正常工作；驅動氣控制活塞向左運動，進行氣體的一級壓縮；右腔室的驅動空氣泄放，驅動氣控制活塞向右運動，進行氣體的二級壓縮。

3.1 驅動空氣部分

空氣驅動部分包括兩個空氣驅動活塞組合件、一個循環控制閥、換向閥（一個安裝在上端蓋，另一個安裝在下端蓋）、一條驅動氣體流通管線（將驅動氣體由閥的一個端蓋引導至另一個端蓋）、一條導向管（連接兩個串聯的換向閥）。驅動控制閥上既沒有彈簧，也沒有制動元件，當換向閥交替在活塞內測的大面積端面上加壓和泄壓時，循環閥就開始往復運動。

3.2 氣體增壓部分

氣體壓縮部分不需使用任何潤滑劑。氣體壓縮部分的使用壽命還取決與所提供氣體的清潔度，所以在氣體入口端配置高精度過濾器（過濾等級為5μ）。如果增壓空氣或其他濕度較大的氣體，初始的露點要足夠低，以防止在增壓器出口壓力下達到飽和狀態。當設備使用一段時間后，設備內部的一些微粒會進入到氣體輸出管線中，所以氣體管線末端配置高精度過濾器。

3.3 冷卻

氣體壓縮端的有效冷卻方式至關重要，因為設備動態密封件、導向件及靜態密封件的工作壽命依賴于適當的操作溫度。該升壓泵利用驅動端派出的廢氣冷卻壓縮端缸套，在往復工作中，驅動氣體因膨脹作用明顯降溫，因此排出的壓縮空氣是很有效的冷卻介質。

理論上，對于大多數氣體、當壓縮比超過3：1后，壓縮過程中溫升會超過密封件的許可溫度。事實上，當活塞在低速往復運動過程中，氣體壓縮所產生的熱量被冷卻的壓縮段缸套和其他金屬部件散發，使這些元件工作在許用溫度范圍之內。試驗室測定當設備的壓縮比介于5：1到10：1之間時，壓縮過程中產生的熱量最多，溫升最高。這就說明在活塞循環速度很高的工況下，采用做功后的驅動空氣進行冷卻是一種非常有效的方法。

4 氫氣升壓站維護保養

4.1 安全注意事項

如果操作不當，高壓氣體會給操作人員帶來巨大危險。在設備試壓和運行時禁止非運行人員打開柜門；在試壓和試運行操作過程中，升壓應緩慢，操作人員應保持在便于隨時控制驅動氣體的閘閥位置，工作人員必須在高壓管路2米外觀察工作情況，并注意觀察壓力值時不要正對壓力表；絕對禁止在系統有壓力的情況下進行維護和維修；禁止在系統未裝配完整時進行試運行；故障分析及診斷時，如果需要近距離操作，只能在泄壓后進行；操作時必須防止跌落現象發生，否則會損傷或丟失部件。

吹掃程序是用氮氣置換管道內的氫氣，在此之前要將管道內的高壓氫氣進行泄放。執行吹掃的目的是為了保證設備的使用壽命，氫氣具有氫脆現象，且滯留在管道內的氫氣可能會與空氣接觸，有爆炸風險。吹掃完成后，要關閉氫中氧分析儀，避免探頭與空氣直接接觸，延長使用壽命。在執行設備檢修前，務必保證已執行吹掃程序，確保高壓氫氣濃度氫氣爆炸極限。

4.2 檢修工藝

作為高壓易爆設備，氫氣升壓站相關維護保養工作需有專業人士執行。在檢修過程中不建議更換和換向針長柄配合的“O”型圈密封件，除非發生過量泄漏，因為這需要拆卸氣體驅動部分。如果必須更換，那么請注意安裝過程中各零件的同軸度。使用換向針作為安裝工具，其橡膠面對著定位圈，用一個小榔頭輕敲換向針頂部，直至定位圈的四周的腳彎曲。

將循環閥再潤滑和組裝后，如果驅動循環不正常，則需要進行如下測試以檢查哪一個換向針有故障具體測試方法：通入驅動氣體，如果下端的換向閥失靈，壓力表將指向零。如果上端換向閥失靈，壓力表將顯示驅動氣壓力，換向針正確的作用將使壓力表在0至驅動壓力之間快速升降。當壓力值在增長過程中變化緩慢時，說明循環閥一側的換向針基座存在泄漏。如果壓力下降時緩慢，則說明另一側的換向針基座存在泄漏。根據需要檢查和替換零件，還需檢查堵頭處是否向外漏氣。

裝配前，仔細研究與設備同時提供的全部技術資料，如有問題應立即停止，向廠家提出技術支持。檢測并確認系統工作過程中所承受的驅動介質最大入口壓力、壓縮介質最大入口壓力和出口壓力。確保以上所涉及的三項壓力值在設備的許用壓力范圍之內。確保以上所涉及的三項壓力值在系統中連接管路、接頭、儀表和其他附件的許用壓力范圍之內。確保系統配置中包括用于過載保護和抗沖擊的安全閥或其他保護裝置。

5 結束語

對氫氣升壓站的設計參數及結構原理兩方面進行簡單分析，突出設備維修保養執行過程中需要執行相關安全措施，同時對設備檢修工藝也有較高要求。所以無論是運行還是檢修人員一定要嚴格執行相關規程，確保設備檢修質量和檢修安全，保證氫氣升壓站設備安全可靠運行。

參考文獻

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[2]GB 51506-2010.加氫站技術規范[S].

[3]氫氣升壓站設備規范書[S].