一种核电站发电机氢气泄漏诊断及评估技术

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  摘 要:核电站大型发电机普遍采取“水——氢——氢”的冷却方式,氢气泄漏不仅会影响发电机关键重要部件的冷却,还会带来较大的工业安全隐患,严重的会直接导致机组被迫停机检修。而氢气相关系统和设备部件多,结构复杂,这给发电机氢气泄漏诊断、排查带来了较大的困难。本技术专注于核电站大型发电机氢气相关系统的泄漏故障诊断和评估指南,开发诊断排查流程,可迅速有效地定位氢气泄漏部位,为后续处理提供良好基础。
  关键词:发电机;氢气泄漏;诊断及评估
  0 引言
  在评估、处理某核电站**机组(简称“**机组”,下同)发电机氢气泄漏率大的重要缺陷时,我们结合业界现有技术、同行反馈信息,发现国内外不少机组存在发电机氢气泄漏率偏大甚至超标的现象,但其评估、干预、处理又普遍存在以下问题:
  氢气泄漏评价标准单一;
  缺乏发电机氢气泄漏故障诊断指南;
  基于上述现状,我们需要研究开发一种综合性技术,覆盖发电机氢气泄漏处理的全过程,从而为机组状态评估、缺陷处理提供依据,全面提升设备可靠性,有效降低发电机氢气泄漏率,保证机组安全稳定运行。
  下文以**机组的处理过程为例,阐述这种综合性技术的具体内容及应用推广前景。
  1**机组发电机氢气泄漏率偏大诊断排查及评估管控
  1.1背景
  **机组发电机氢气泄漏率自安装调试以来一直偏大,首轮循环周期泄漏率为17.5Nm?/D(标准:≤18Nm?/D)。机组第三轮大修启机后氢气泄漏率达28Nm?/D,远远超出标准。
  如果按照制造厂提供的控制标准,则氢气泄漏率已经超出标准,机组需要紧急停机处理。这就需要回归氢气泄漏率控制的目的和风险考量上进行重新分析、评估。
  1.2发电机氫气泄漏诊断、排查
  发电机氢气泄漏率控制的目的在于:氢气为易燃易爆气体,必须控制氢气泄漏在其爆炸极限范围内(体积浓度4.0%——75.6%)。因此,氢气泄漏的路径、浓度是控制的关键点。
  **机组发电机及相关氢气系统为阿尔斯通设计的P4型大型发电机,其氢气相关关系统和边界可分为以下五个主要部分:
  发电机本体
  氢气补给系统
  氢气冷却系统
  其中氢气冷却系统部分边界涉及到闭式冷却水系统
  密封油系统
  其中密封油系统部分边界涉及到汽轮机润滑油系统
  定子冷却水系统
  结合系统和边界布置,以及历史经验实践,可根据以下清单进行逐项排查以锁定可能的氢气泄漏路径。
  发电机本体,按照查漏清单排查(发电机轴密封装置(包括发电机大端盖、密封瓦室、密封瓦等),通风罩、氢冷器、人孔、管道法兰、焊缝、中心孔导电杆等各部位),应无明显泄漏。
  氢气补给系统,可分为内漏和外漏。
  内漏:排查系统排氢母管排气量,标准为:
  排气速率低于V<1.44Nm?/D(经验值),密封良好;
  排气速率1.44Nm?/D  排气速率V>18Nm?/D(经验值),系统存在内漏。
  外漏则按照查漏清单排查,使用检漏液检查无冒泡现象,并且氢表查漏未见有氢气。
  氢气冷却系统
  排查闭式冷却水箱顶部排气管含氢量和闭式冷却水视窗是否有气泡,标准为:
  闭式冷却水箱顶部排气管测氢含量A<0.4%(经验值),闭式冷却水视窗无气泡,氢冷器氢气密封状况正常;
  闭式冷却水箱顶部排气管测氢含量0.4%  密封油系统
  回油母管氢气含量,正常值<500ppm(经验值)。
  横向对比相同机组的润滑油主油箱润滑油中氢气含量。
  密封油风机出口排气氢气含量,若测氢含量<1.6%(经验值),密封油系统状态正常。
  若测氢含量:1.6% ~ 3%(经验值),密封油系统状态超标,需检查分析原因并监视运行。
  定子冷却水系统
  需要排查定子冷却水水箱排气间隔、排气量,定子冷却水水箱压力上升情况,定子冷却水水中含氢量,标准为:
  定子冷却水水箱排气量<30L/h(经验值),水系统密封良好;
  定子冷却水水箱排气量>840L/4h(经验值),氢气可能泄露到定子冷却水系统,需分析查找原因;
  如果泄漏量大于 416L/h (经验值)或出水温度有大的异常,需要立即停运机组,因为绕圈可能已严重损坏;
  从排查的结果看,主要的氢气泄漏路径位于发电机汽端(靠近汽轮机侧)的轴密封装置,经由汽端润滑油回油管排到排氢总管,最终排放到常规岛厂房顶部而进入到大气中。
  1.3发电机轴密封装置故障模式
  发电机轴密封装置由发电机大端盖、密封瓦室、密封瓦三大关键部件,以及部件间的密封件(密封胶条,或者密封油等)组成氢气密封边界。
  轴密封装置结构复杂,部件多,关键点多,相互配合要求高,需要对其故障模式进行全面梳理、分析,摸清可能的故障点,并逐一进行排查。
  下表是本技术形成的故障模式,共24种,具备普遍性意义。各电站发电机设备工程师或系统工程师可参考下表,结合电站本身设备结构进行故障诊断、排查。
  故障大类:密封瓦
  故障模式:密封瓦径向间隙偏大,可通过复查维修报告确认,可能性极低
  故障模式:密封瓦室不正,可通过复查维修报告确认,可能性极低
  故障模式:瓦块固定弹簧脱开或者其它异常,可通过复查维修报告确认,可能性极低   故障模式:密封瓦块存在异常磨损,可通过复查维修记录确认(可视化照片或瓦块检验报告),可能性极低
  故障模式:空侧和氢侧瓦塊之间的接口存在缺陷,可通过复查维修记录确认(可视化照片或接口间隙记录),可能性极低
  故障大类:密封瓦室
  故障模式:瓦室水平中分面间隙过大,且靠近瓦块。瓦室应进行离线拼装,检查水平中分面间隙符合要求。可能性低。
  故障模式:瓦室水平中分面间隙过大,位于中部。瓦室应进行离线拼装,检查水平中分面间隙符合要求。可能性低。
  故障模式:瓦室水平中分面间隙过大,位于密封胶条侧。瓦室应进行离线拼装,检查水平中分面间隙符合要求。可能性低。
  故障模式:密封瓦室上下半轴向错口,靠近密封胶条侧。从这次现场检查情况看,瓦室离线拼装后检查上下半存在一定的轴向错口,可能性中等。
  故障模式:密封瓦室与胶条垂直配合面存在缺陷(瓦室与胶条配合面平面度不满足要求),由于这一项此前并没有要求检查,可能性中等。
  故障模式:中分面密封油槽被注胶或平面密封胶堵死,导致中分面形成张口,密封油不足以填充间隙,气体绕过胶条进入胶条槽,再在外环密封胶薄弱点漏出。从解体后发现中分面存在油迹的情况来看,可能性中等。
  故障模式:装配后密封瓦室中分面出现内张口。从解体后发现中分面存在油迹的情况来看,可能性中等偏低。
  故障大类:大端盖
  故障模式:密封胶条槽存在贯穿性缺陷,可通过复查维修记录确定(可视化照片等),可能性低。
  故障模式:密封胶条槽宽度、深度有缺陷,可通过复查维修记录确定(可视化照片等),可能性极低。
  故障模式:大端盖上下半存在轴向错口,从现场检查情况来看,存在这种问题,可能性中等。
  故障模式:大端盖水平中分面存在间隙,从现场检查情况来看,存在这种问题,可能性中等。
  故障模式:大端盖在温度、压力、振动等变化时发生变形,存在一定的可能,但同类型机组都存在类似的问题,应该不是主要的原因
  故障模式:由于机组启动后端盖变形,引起密封瓦室出现内张口,存在一定的可能,但无法验证,可能性偏低。
  故障模式:注胶槽与胶条槽边界修整不佳相通,密封胶挤入密封油槽,可能性中等偏低。
  故障大类:密封胶条
  故障模式:胶条本身的质量,可能性极低(胶条安装前都会反复检查)
  故障模式:胶条安装质量(接头处,固定不牢导致局部脱落等),可能性极低,可通过维修可视化照片确认。
  故障模式:注胶时,密封胶进入胶条槽,密封胶条产生偏转,翘起。从这次解体情况来看,胶条槽内有残留的密封胶,可能性中等。
  工程师通过安装调试记录、维修记录,以及现场对应部位的测量、排查,逐项评估故障模式的可能性程度,初步锁定发电机氢气泄漏的可能故障点为:
  发电机大端盖密封配合面存在轴向错口,影响密封胶条密封效果;
  密封室上下半存在轴向错口,影响密封胶条密封效果;
  密封瓦室与胶条垂直配合面存在缺陷,影响密封胶条密封效果;
  密封瓦室中分面密封油槽被注胶或平面密封胶堵死,导致中分面形成张口,密封油不足以填充中分面间隙。氢气通过此处绕过密封胶条向外泄漏。
  1.4潜在失效模式及后果分析(FMEA)
  在锁定氢气可能泄漏的部位、路径以及故障模式后,可应用FMEA工具对潜在后果甚至极端工况进行推演、评估,从而对机组的安全性、风险、可用性进行全面评估,决策机组是否可继续安全稳定运行。此外,针对分析、推演发现的风险点,可针对性制定相应的干预和管控措施。
  上述描述的“潜在后果分析甚至极端工况推演”——“机组安全性、风险、可用性全面评估”——“针对性制定相应的干预和管控措施”有效地形成闭环,为电站管理层科学决策机组安全稳定运行提供了坚实的依据。
  安全分析
  按照目前的故障模式分析,氢气泄漏的路径为:汽端轴承室氢侧→汽端轴承室空侧→回油母管→密封油/润滑油排气风机→大气,不会在常规岛厂房积聚,且经过计算及实测对比,目前的漏量下排气风机出口的氢气浓度无明显增大,离氢气爆炸下限有较大安全裕度。
  在目前情况下,考虑最恶劣的情形即密封油风机失效进行安全分析:
  经过系统设计分析和标高对比,与润滑油风机相比,密封油风机是主要排放点;
  密封油风机为双列设计,一运一备,单台风机即可满足系统排气要求,两台风机同时故障概率较低;
  根据密封油油烟净化装置设备运行维修手册当中的运行细则,即便两台密封油风机全部停运,仍可借助油烟的自然升力将油烟排向出口;
  结合历史运行经验,密封油风机故障概率较低,通过加强运行监视和及时干预,可以有效管理两台风机同时失效的故障模式。
  风险分析
  氢爆风险及应对措施:
  目前发现的外漏漏点已经处理,不存在厂房内氢气积聚的风险,且每天至少两次对厂房内的氢气相关区域进行测氢监控;
  密封油排气管若氢气浓度达到爆炸下限,则可能发生氢爆。目前测量值为1.2%,与其他正常机组相当,距离爆炸下限有较大的安全裕度。后续安排定期测量密封油排气管氢气含量,发现异常及时干预;
  暂停审批常规岛厂房存在氢气泄漏风险区域内的一切动火作业,必要时通过测氢等手段确保作业风险可控。
  因氢气泄漏增大,发电机冷却效果下降的风:
  发电机氢压下降过快,如果未及时补氢,可能会导致发电机冷却效果下降,定子铁芯温度和转子绕组温度上升。
  机组正常运行时定子铁芯温度和转子绕组温度距离运行限值有较大的安全裕度。   应对措施:
  做好制氢站的氢气储备及制氢站相关设备的特巡及维护。
  持续监测发电机氢压,氢压下降到280kpa时及时进行补氫。
  加强定子铁芯温度和转子绕组温度的监测,核电站一站式重大设备状态监测信息平台设置预警值,发现异常时及时干预。
  机组可用性分析
  如果发电机氢气泄漏量稳定,主要的泄漏点可以明确并且是排空到厂房外大气的,则机组的安全运行可以得到保证。
  根据目前各专业的排查,氢气相关的系统没有外漏漏点,分析认为汽端为主要的内漏点。
  汽端的可能泄漏故障模式经分析不会突然扩展。
  发电机氢气压力下降是可监测、可控的,不会影响发电机的冷却。
  综上所述,在前述安全分析和风险分析应对措施有效落实后,机组发电机的可用性可以保证。
  干预和管控措施
  针对上述分析明确的可能风险点,需要针对性制定干预和管控措施,防止出现氢气积聚、设备性能下降等恶劣情况。
  监测汽端氢气泄漏的相关参数,以长期有效地监测、评估和管控氢气泄漏带来的风险,编制了《**机组发电机参数监视及控制标准清单》。
  为了防止发电机运行期间,发电机氢气相关系统和边界发生外漏,导致**机组常规岛厂房内氢气浓度升高而带来工业安全风险,编制了《**机组常规岛厂房氢气泄漏现场临时安全管控方案》,通过该管控方案对**机组常规岛重点区域环境氢气浓度进行定期监测,并对环境氢气浓度异常时的响应措施及作业方式管控进行规定。
  为了当出现以下情形时,能够及时响应,编制了《**机组发电机氢气泄漏率偏高异常干预预案》。
   日常监视期间参数异常(《**机发电机参数监视及控制标准清单》中的参数);
  发电机氢气泄漏率超过36Nm?/D;
  发电机补氢功能异常;
  密封油/润滑油风机排气功能异常。
  通过上述系列的全流程诊断、排查,明确氢气泄漏路径和积聚点,能够有效地管理氢气泄漏积聚的风险。而通过FMEA工具,能够准确地对机组安全性、风险、可用性进行分析,制定有效可行的干预管控措施。最终达到对机组安全状态的真实准确评估,为决策机组是否可继续安全稳定运行提供理论依据。这一系列的流程,构成了本技术的核心要素——“发电机氢气泄漏故障诊断和评估指南GHL TSAEG(Generator Hydrogen Leakage Trouble Shooting And Elevation Guide)”,该指南可为业界同行进行发电机氢气泄漏诊断、排查、评估提供参考。
  参考文献:
  [1]王永军、黄蓉、袁晔、顾汉彬、张迅.发电机氢气泄漏的处理[J].中国核电.2013.12.15
  作者简介:李勤富(1983.9-),男,汉族,广东省深圳市,现任职于中广核核电运营有限公司,工程师,大修中心转动机械分部项目队队长,工学学士,长期从事核电站转动机械检修工作。
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