某M310機組發(fā)電機氫氣查漏分析

馬省委 胡 彪

(福建福清核電有限公司 福建福州 350318)

2020年2月末，某M310機組發(fā)電機氫氣泄漏量達到17Nm3/D（標準立方米每天），接近廠家規(guī)定的限值18Nm3/D，隨后泄漏量不斷增大，期間發(fā)電機氫氣泄漏量在22-28Nm3/D范圍內(nèi)波動，開展查漏工作中發(fā)現(xiàn)GRV（發(fā)電機氫氣供應(yīng)系統(tǒng)）系統(tǒng)的旁通閥、發(fā)電機勵磁端端蓋等幾處漏點，在對漏點處理后發(fā)電機氫氣泄漏量無明顯改善，3月初發(fā)電機氫氣泄漏量達到38Nm3/D，并有增大趨勢，核電廠結(jié)合電網(wǎng)調(diào)停計劃，安排對發(fā)電機進行停機檢修，對泄漏點進行處理后氫氣泄漏量恢復(fù)正常。

一、簡介

（一）發(fā)電機

某M310機組使用的1150MW核能發(fā)電機，系東方電機廠與法國Alstom公司合作生產(chǎn)的大型四極半轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機。該發(fā)電機的冷卻型式為，定子線圈采用水內(nèi)冷卻，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件采用氫氣外冷卻，轉(zhuǎn)子線圈采用氫氣內(nèi)冷卻的“水氫氫”冷卻方式。發(fā)電機內(nèi)部氫氣壓力為300KPa，該工況下的泄漏量應(yīng)小于等于18Nm3/D。

發(fā)電機本體通風總體上采用單風區(qū)設(shè)計，冷卻定子鐵芯的氫氣主要來自氣隙口部，其余來自冷卻轉(zhuǎn)子后排出的氣體。兩股氫氣在氣隙內(nèi)混合后通過鐵芯段間的徑向風道在冷卻鐵芯后從背部排出。熱氫氣再經(jīng)過設(shè)在機座頂部、底部的4個風道回到氫氣冷卻器，溫度降低后重復(fù)循環(huán)。

（二）氫氣泄漏類型

發(fā)電機氫氣泄漏整體上可以分為內(nèi)漏和外漏兩種類型。

內(nèi)漏主要包括：定子線圈水回路；轉(zhuǎn)子導(dǎo)電桿及導(dǎo)電螺釘；氫氣冷卻器；油密封；出線套管；安裝在發(fā)電機定子機座上的監(jiān)測儀表、儀器內(nèi)漏；氫氣控制系統(tǒng)管路上的閥門、儀表、設(shè)備存在內(nèi)漏現(xiàn)象。

外漏主要包括：定子機座以及機座上的各處焊縫、人孔門；發(fā)電機與外部管路連接法蘭處、出線套管與出線罩把合部位；氫氣冷卻器與機座把合面；發(fā)電機測溫插座、定子端部及出線測振法蘭處；端蓋與機座把合面，端蓋水平合縫面；發(fā)電機與輔助系統(tǒng)各連接部位及輔助系統(tǒng)管道上的儀表、閥門以及各連接部位等。和發(fā)電機相連的氫氣可能泄漏到的輔助系統(tǒng)有GST（發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)）系統(tǒng)、GHE（發(fā)電機密封油系統(tǒng)）系統(tǒng)、GGR（汽機潤滑、頂軸和盤車系統(tǒng)）系統(tǒng)[1][2]。

二、查漏分析

某M310機組每天會進行發(fā)電機氫氣泄漏量的計算，但是每個班組選取的時間段、時長以及開始計算時發(fā)電機內(nèi)的氫氣壓力可能各不相同，導(dǎo)致計算出的氫氣泄漏量會有所偏差，可比較性差。通過將計算氫氣泄漏量時發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力、時長等進行統(tǒng)一，再進行計算的數(shù)據(jù)能夠較客觀地反映氫氣泄漏量的變化趨勢。

從2月末到發(fā)電機停機當天，不斷根據(jù)氫氣查漏規(guī)程進行查漏，規(guī)程覆蓋了氫氣可能的內(nèi)漏和外漏，但未找到具體的符合當時氫氣泄漏量的漏點。通過分析可以排除向GST系統(tǒng)、GHE系統(tǒng)、GGR系統(tǒng)大量泄漏的可能，詳見下方分析。

（一）氫氣向GST系統(tǒng)泄漏的分析

停機前第二天00：00-20：00，GST系統(tǒng)頭箱壓力由122.1Kpa漲到124Kpa，GST系統(tǒng)頭箱有效容積為0.5m3，即使以24h上漲3Kpa計算，向GST系統(tǒng)泄漏的氫氣量約為0.03*0.5=0.015m3（根據(jù)伯努利方程估算），與當時的氫氣泄漏量不在一個量級。

停機前第一天，對同一核電廠的，其他3臺機組的GST系統(tǒng)水側(cè)和氣側(cè)均進行了取樣，從取樣結(jié)果來看，4臺機組的GST系統(tǒng)頭箱氣側(cè)氫氣含量均較高，相差不大，但其他3臺機組氫氣泄漏量正常。綜上，可以初步排除向GST系統(tǒng)的大量泄漏。

（二）氫氣向GGR系統(tǒng)泄漏的分析

發(fā)電機內(nèi)部的氫氣空間與GGR系統(tǒng)油空間通過密封瓦隔開，正常運行時，油壓力大于氫壓力，使氫氣不外漏。但一旦發(fā)電機內(nèi)部密封環(huán)有泄漏或密封瓦密封不嚴密，則可能導(dǎo)致氫氣向GGR系統(tǒng)回油管線泄漏，最終漏向GGR系統(tǒng)油箱，通過油箱排風機排至大氣。當時測得GGR系統(tǒng)油箱排煙風機處氫氣濃度約2%LEL，和當時的氫氣泄漏量差的較遠。

注：氫氣濃度測量儀表滿量程濃度100%LEL是按照氫氣的爆炸下限來設(shè)置的，氫氣的爆炸下限為4%VOL（VOL為空氣體積比），即對應(yīng)關(guān)系為100%LEL=4%VOL。

（三）氫氣向GHE系統(tǒng)泄漏的分析

發(fā)電機內(nèi)氫氣與密封油系統(tǒng)的接口與走向見圖1，一部分通過分離器分離后排往漏液監(jiān)測管線，另一部分與密封油一起回流到GHE系統(tǒng)的真空油箱并通過抽真空泵排向大氣。停機前第一天通過測量GHE系統(tǒng)排煙口風速，估算氫氣濃度，估算出GHE系統(tǒng)抽真空泵出口排氫氣量約6Nm3/D。約為當時氫氣泄漏量的1/3。顯然，此處也不是主要漏點。

圖1 發(fā)電機內(nèi)氫氣與密封油系統(tǒng)的接口與走向

（四）總結(jié)

經(jīng)過對GST系統(tǒng)、GHE系統(tǒng)、GGR系統(tǒng)的分析，可見氫氣主要泄漏不在這三個系統(tǒng)，懷疑之前查漏可能存在盲點或者查漏不到位的情況。決定重新對之前發(fā)現(xiàn)有泄漏的區(qū)域進行重點查漏，排查過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機7瓦（GGR回油系統(tǒng)管線附近）測量結(jié)果為35%LEL，和當時氫氣泄漏量基本相符，在發(fā)電機停機進行處理后，氫氣泄漏量恢復(fù)正常。

三、結(jié)束語

綜上，有以下經(jīng)驗供后續(xù)發(fā)電機氫氣泄漏量超限，進行查漏時參考。

進行查漏前要確認氫氣濃度測量儀表的可用性，不能只看有效期。可通過多塊表同時測量同一漏點的方式保證氫氣濃度測量儀表的可用性；在計算發(fā)電機氫氣泄漏量時要盡量采取同樣的發(fā)電機氫氣壓力及時長，以保證數(shù)據(jù)的可比較性；查漏過程中，必須定期對可疑漏點進行反復(fù)排查，防止某個部位在過程中有擴大，但重新查漏時卻被排除在外；在所有的泄漏工況中，氫氣漏入GGR系統(tǒng)軸承箱的工況為最危險工況，由于GGR系統(tǒng)軸承箱為密閉空間，容易引起氫氣的積聚，有氫爆風險，在此情況下，可以調(diào)大GGR系統(tǒng)油箱負壓至-2KPa，以盡量排出氫氣，避免引起氫氣的積聚[3]。