摘 要 ：本文通過對(duì)氫氣純度儀變更的必要性進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了氫氣純度分析儀的升級(jí)改造內(nèi)容，對(duì)改造調(diào)試問題進(jìn)行分析，提供優(yōu)化方案，深入分析了氫氣純度分析儀與化學(xué)人工取樣結(jié)果不一致的原因，并對(duì)原因進(jìn)行驗(yàn)證，非常終通過標(biāo)定解決了不一致問題，提高了氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
0 引言
某重水核電廠發(fā)電機(jī)采用“水氫氫”冷卻方式冷卻發(fā)電機(jī)腔室，發(fā)電機(jī)定子線圈采用水冷卻方式，氫氣（H 2 ）則是冷卻定子鐵芯及轉(zhuǎn)子，以防止發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力及局部過熱。發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由供氫站經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥向發(fā)電機(jī)腔室提供氫氣，經(jīng)再循環(huán)冷卻水冷卻后，再冷卻發(fā)電機(jī)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子。氫氣在發(fā)電機(jī)內(nèi)部由發(fā)電機(jī)軸上葉片強(qiáng)迫循環(huán)，并通過氫氣冷卻器進(jìn)行散熱。發(fā)電機(jī)須長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)檢修時(shí)，必須用二氧化碳（CO 2 ）將發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣置換出來，再用壓縮空氣將二氧化碳置換出來。在發(fā)電機(jī)維修結(jié)束重新投運(yùn)前，用二氧化碳置換發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)的空氣，再用氫氣置換發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)的二氧化碳。當(dāng)氫氣的純度達(dá) 90% 以上時(shí)，可以對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行充升壓。
就地氫氣控制盤臺(tái)位于汽機(jī)廠房 87.5m 層壓空房間門口，在盤臺(tái)上有一塊發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體壓力指示表、氫氣純度指示表、氫氣溫度表、二氧化碳純度指示表、氫氣干燥器電加熱器的控制開關(guān)，以及氫氣和二氧化碳純度取樣回路及相關(guān)儀表。
發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過取樣回路連續(xù)不斷地從發(fā)電機(jī)內(nèi)抽出氣體進(jìn)行氫氣純度的監(jiān)測(cè)，即可以時(shí)刻反應(yīng)出發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的純度。當(dāng)氫氣純度異常下降時(shí)，在主控室有相應(yīng)的光字牌報(bào)警和 CI 報(bào)警，從而提示運(yùn)行人員及時(shí)采取糾正措施，避免氫氣爆炸事故的發(fā)生。
1 氫氣控制要求
根據(jù)某重水核電廠氫氣冷卻系統(tǒng)運(yùn)行文件要求，發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣循環(huán)流動(dòng)。氫氣在流經(jīng)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子時(shí)帶走它們?cè)诎l(fā)電機(jī)帶負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱量，氫氣在流經(jīng)氫氣冷卻器時(shí)，其熱量被再循環(huán)冷卻水帶走，發(fā)電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子得以被氫氣連續(xù)冷卻。
為防止在發(fā)電機(jī)殼內(nèi)外形成爆炸性混和氣體（空氣中氫氣體積含量在 4.1% ～ 74.2% 之間）在發(fā)電機(jī)充氫過程中，采用二氧化碳作為中間氣體，避免氫氣和空氣直接接觸。而且，在氣體的置換過程中，要嚴(yán)格按程序進(jìn)行操作，防止氫氣泄漏到大氣中。正常運(yùn)行時(shí)，維持發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度大于 98%（低報(bào) 90%），通過在線氫氣純度儀可以連續(xù)監(jiān)視氫氣純度 ；當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度降低，氫氣純度儀低于 98% 后，須通過供氫站對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行掃氣。如果發(fā)電機(jī)氫氣純度不能維持大于 90％，并且繼續(xù)下降，則需將機(jī)組停運(yùn)，發(fā)電機(jī)解列后，對(duì)發(fā)電機(jī)的氫氣進(jìn)行置換[1] 。
2 變更必要性分析
氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度保持在 96% ～ 98% 為非常佳工況，如果機(jī)內(nèi)氫氣純度過高（高于 98%），氫氣消耗量會(huì)增大，如果氫氣純度過低（低于 95%），會(huì)使發(fā)電機(jī)效率降低，同時(shí)機(jī)內(nèi)氣體含氧量相應(yīng)增加，混合氣體安全系數(shù)降低，容易與其他氣體形成爆炸性混合氣體。因此，發(fā)電機(jī)氫氣純度的在線檢測(cè)是非常必要的[3] 。
某重水核電廠發(fā)電機(jī)氫氣純度儀采用日本 YAMATAKE公司的 Smart Gas Analyzer，型號(hào)為 SGA 300-D3E1S-1，當(dāng)前該智能氣體分析儀已經(jīng)停產(chǎn)，無法提供備件技術(shù)支持�，F(xiàn)場(chǎng)智能氣體純度分析儀回路中的 SPC 協(xié)議通訊器（純度變送器）故障，無備件可更換。主控失去對(duì)氫氣純度（AI0336）的監(jiān)測(cè)，在氫氣純度小于 90% 時(shí)失去氫氣純度低（CI2631）報(bào)警。
目前，依靠現(xiàn)場(chǎng)分析儀表頭的顯示值以及定期的人工化學(xué)取樣分析監(jiān)視發(fā)電氣氫氣純度。根據(jù) 2018 年 5 月～ 7月的數(shù)據(jù)分析儀工作并不穩(wěn)定，出現(xiàn) 4 次讀數(shù)異常，數(shù)據(jù)在一周內(nèi)緩慢上升至 103%（正常純度在 99.3% ～ 99.5%），需要不斷地在線標(biāo)定。且目前在線分析儀傳感器單元不能確保可用時(shí)間，運(yùn)行人員缺少遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及報(bào)警數(shù)據(jù)，化學(xué)取樣分析工作頻繁，增加了氫氣泄漏的不安全因素。為了解決該氣體分析儀故障無備件的問題，有必要對(duì)發(fā)電機(jī)氫氣純度儀回路設(shè)備進(jìn)行變更替代，以保證能夠正常監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行和置換過程中氫氣和二氧化碳的純度，為運(yùn)行維修人員提供有效的參考數(shù)據(jù)。
3 設(shè)備改造
3.1 氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)
變更前氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電氣回路的主要設(shè)備有 ：分析儀探頭 ：日本 Yamatake 公司的 SGA300 型氣體分析儀，監(jiān)測(cè)由于空氣或其他氣體進(jìn)入所引起的轉(zhuǎn)子冷卻氣體純度的降低。
分析儀 ：作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，接收分析儀探頭測(cè)量的氫氣、二氧化碳和空氣的純度作為數(shù)字信號(hào)，并輸出模擬量4mA ～ 20mA 信號(hào)。
報(bào)警變送器 ：提供繼電器報(bào)警輸出信號(hào)。指示表、切換繼電器、切換手柄 ：回路中使用兩塊指示表，1# 指示表顯示氫氣純度（量程 ：85% ～ 100%），2#指示表通過繼電器和手柄組成的切換回路，分別可顯示二氧化碳純度（背景氣為氫氣）和空氣純度（背景氣為二氧化碳），量程均為 0% ～ 100%。
變更前，氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取樣氣回路的主要設(shè)備有：空氣過濾器、截止閥、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥。通過發(fā)電機(jī)底部取氣，取樣氣體通過過濾器后，流經(jīng)分析儀探頭和流量計(jì)，非常終回到發(fā)電機(jī)內(nèi)部，流量計(jì)回路分為
氫氣流量計(jì)和
二氧化碳流量計(jì)兩路并聯(lián)，日常運(yùn)行期間投運(yùn)氫氣流量計(jì)，置換氣期間投運(yùn)二氧化碳流量計(jì)。
3.2 變更后設(shè)計(jì)
變更后氫氣純度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電氣回路的主要設(shè)備有 ：
分析儀探頭 ：美國(guó) Honeywell（霍尼韋爾）7866 型氣體分析儀，采用熱導(dǎo)原理傳感器，測(cè)量氣體純度，將電信號(hào)傳給顯示表。使用熱導(dǎo)傳感器進(jìn)行氣體純度測(cè)量的基本原理為 ：熱導(dǎo)傳感器的熱絲具有電阻隨溫度變化的特性，當(dāng)有電流通過熱導(dǎo)傳感器的熱絲時(shí)，熱絲被加熱，由于載氣的熱傳導(dǎo)作用使熱絲的一部分熱量被載氣帶走，熱絲的溫度下降。在這個(gè)動(dòng)態(tài)的過程中，熱絲的電阻值和熱絲內(nèi)部的電流發(fā)生變化，傳感器便有信號(hào)輸出，此時(shí)輸出的電信號(hào)與載氣的純度成一定的比例關(guān)系。
分析儀顯示表 ：作為控制單元，接受探頭的電信號(hào)，顯示測(cè)量氣體的百分比及報(bào)警信息，并輸出模擬量 4mA ～20mA 信號(hào)和繼電器報(bào)警輸出信號(hào)（量程：75% ～ 100%）。
電源 ：對(duì)分析儀探頭和顯示表進(jìn)行供電。變更后氣回路的設(shè)備不變化，但根據(jù) 7866 型氣體分析儀的技術(shù)要求，探頭采用常壓測(cè)量的工作方式，因此須對(duì)氣回路管線進(jìn)行改造，使取樣氣體回路接入發(fā)電機(jī)排空總管，取樣氣體向大氣排放，每日的排氫計(jì)算值為 ：24h×60min×100ml/min=144000ml=144L=0.144m 3 。
4 變更調(diào)試問題處理
4.1 氫氣流量計(jì)卡澀
變更后試驗(yàn)期間（投用氫氣流量計(jì)和二氧化碳流量計(jì)時(shí)，流量計(jì)內(nèi)部浮球出現(xiàn)卡澀，卡死在量程上限）。經(jīng)分析原因如下 ：運(yùn)行人員投運(yùn)流量計(jì)時(shí)，需通過緩慢打開調(diào)節(jié)閥將氫氣流量計(jì)調(diào)至滿量程，但是若調(diào)節(jié)閥門過快，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)浮球直接超量程，容易導(dǎo)致卡澀 ；在更換流量計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在雜質(zhì)，懷疑在改造管線期間，存在雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部管線。
根據(jù)原因進(jìn)行優(yōu)化 ：執(zhí)行技術(shù)人員升版操作規(guī)程，向運(yùn)行人員強(qiáng)調(diào)，投運(yùn)流量計(jì)需緩慢打開閥門，避免浮子超量程。維修人員升版作業(yè)計(jì)劃，在完成氣源管線改造后，增加使用壓縮空氣（或 CO 2 ）進(jìn)行吹掃，避免異物進(jìn)入流量計(jì)中。
4.2 在線表與人工取樣結(jié)果不一致
通過收集變更后設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)比人工化學(xué)取樣結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在測(cè)量數(shù)據(jù)不一致問題。
通過使用標(biāo)準(zhǔn)氣體（99.99% 高純氫氣）對(duì)氫氣純度儀和人工取樣儀表進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)不一致原因進(jìn)行分析。
1）人工取樣儀表取樣流量設(shè)定過低。結(jié)合標(biāo)氣驗(yàn)證工作，在作業(yè)計(jì)劃中明確記錄 2 個(gè)流量值下儀表測(cè)量數(shù)據(jù)。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄 100ml/min與 300ml/min 流量下儀表測(cè)量值差異為 0.63%。
2）化學(xué)取樣儀表取樣時(shí)長(zhǎng)設(shè)定過短。結(jié)合標(biāo)氣驗(yàn)證工作，在作業(yè)計(jì)劃中明確記錄 2 個(gè)取樣時(shí)間下儀表測(cè)量數(shù)據(jù)。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄 1min 與5min 流量下儀表測(cè)量值差為 0.2%。
3）化學(xué)取樣儀表誤差過大。通過使用標(biāo)準(zhǔn)氣體，驗(yàn)證化學(xué)取樣儀表測(cè)量精度。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，化學(xué)取樣測(cè)量值為 99.12%，與標(biāo)準(zhǔn)氣體誤差為0.87%。
4）在線表測(cè)量值漂移。通過使用標(biāo)準(zhǔn)氣體，驗(yàn)證在線儀表測(cè)量精度。標(biāo)氣驗(yàn)證工作中，取樣儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，在線表測(cè)量值為 97.54%，與標(biāo)準(zhǔn)氣體誤差為 2.45%，超過儀表允許誤差 2%，故判斷儀表測(cè)量值存在漂移。通過設(shè)備標(biāo)定調(diào)整，非常終解決了人工取樣儀表與在線儀表數(shù)據(jù)不一致問題。
5 結(jié)束語
氫氣純度儀長(zhǎng)期帶電運(yùn)行，設(shè)備面臨老化、停產(chǎn)、缺陷率升高等問題，通過對(duì)氫氣純度分析儀進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)改造調(diào)試問題進(jìn)行分析，提供優(yōu)化方案，深入分析了氫氣純度分析儀與化學(xué)人工取樣結(jié)果不一致的原因，并對(duì)原因進(jìn)行驗(yàn)證，其變更設(shè)計(jì)思路和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)希望能夠?yàn)槠渌愲姀S的變更提供技術(shù)參考。
