氫氣供應系統儲氫罐的置換操作及危險因素分析

胡立川，陳裕忠，林少國

（華能海門電廠，廣東汕頭515132）

氫氣供應系統儲氫罐的置換操作及危險因素分析

胡立川，陳裕忠，林少國

（華能海門電廠，廣東汕頭515132）

以某4×1 036 MW機組的氫氣供應系統為例，介紹了氫氣供應系統的組成及設備狀況。當儲氫罐需檢修時，應進行檢修前和檢修后的置換操作。在置換操作過程中，易產生各種影響設備安全的危險因素。為此，提出了相應的預防措施和對策。通過分析，為防止危險的發生，提出了有益的建議，并在儲氫罐的置換操作中得到實施，確保了機組的穩定運行。

氫氣；供應；儲氫罐；氮氣；置換；操作；危險因素；分析

0　概述

隨著火力機組的迅速發展，發電機組中的電機也越來越大。氫氣是發電機的冷卻介質之一，氫氣冷卻系統的作用也日益受到關注，對冷卻系統穩定運行的要求也不斷提高。某型機組的一期工程4× 1 036 MW的發電機型號為QFSN—1000—2—27，發電機為全封閉、自通風、強制潤滑、水/氫/氫冷卻、圓筒型轉子、同步交流發電機。定子繞組為直接水冷，定、轉子鐵芯及轉子繞組為氫氣冷卻。

1　氫氣的理化性質

氫氣是一種無色、無味的氣體，無腐蝕性，但有很強的滲透性；密度為0.09 kg/m3，比空氣輕，不溶于水［1］。

氫氣易燃易爆，無色無味，不易被人體感官發現。氫氣與氧氣混合燃燒的火焰溫度為2 100～2 500℃，氫氣與空氣混合發生爆炸的極限比例為4.2～74.2%。

氫氣密度小，熱傳導率高（其熱傳導率比空氣大6倍），因此被廣泛應用于發電機冷卻，提高了發電機的效率，從設計上使得發電機尺寸、冷卻器的表面積減少，降低了通風損耗及發電機運行噪聲［1］。

2　氫氣儲存系統

2.1 供氣儲存罐

某工程中，利用大容量儲存罐儲存氫氣，減壓后向發電機氫氣系統供氫。供氫系統的工藝流程為：氫氣槽車→減壓至氫氣儲存罐→減壓至發電機組。供氫裝置主要由卸氫匯流排、儲氫罐、供氫匯流排、氮氣匯流排及控制柜組成。電廠的外購氫氣（氫氣槽車V=20 m3，P=20 MPa）經減壓后，送入氫氣分配盤，再分別匯入3臺儲氫罐（V=30 m3，P=5 MPa）。當發電機需用氫氣冷卻時，儲氫罐內的氫氣通過氫氣分配盤二級減壓后，送往發電機。儲氫罐共有3個，儲罐的工作壓力為5.0 MPa，容積為30 m3。每個儲罐上布置有壓力表口、溫度表口、排空口、排污口、取樣口、安全閥出口，并通過進氣口和出氣口與氫氣分配盤連接。氮氣匯流排將8個氮氣瓶的氮氣經減壓后，送入氮氣匯流排母管，用于系統充氮。氫氣供應系統的布置，如圖1所示。

圖1　氫氣供應系統流程圖

氫氣供應系統主要由儲氫罐、卸氫匯流排、供氫匯流排、充氮裝置及相關閥門、管道、監測點等組成。

3　儲氫罐的置換操作

電廠儲氫罐的充氫、退氫操作，使用水和氮氣作為中間介質。氣體監測及置換操作的內容，如表1所示。

表1　儲氫罐的操作內容

3.1 儲氫罐檢修前的置換操作

（1）確認儲氫罐的內部氫氣已基本用空，壓力在1.0 MPa以下。關閉儲氫罐進口一、二次門，出口二次門，底部排污門，頂部排氣門和取樣門。打開儲氫罐頂部排氣門，通過阻火器將儲氫罐內氫氣壓力降至0.05 MPa。

（2）用氮氣置換儲氫罐中氫氣，調整氮氣瓶組的出口壓力為0.2 MPa，核查其他儲氫罐進口一、二次門，確認卸氫A路二次閥關閉，卸氫B路二次閥關閉。

（3）打開卸氫匯流排充氮門，打開儲氫罐進口一、二次門，將儲氫罐升壓至0.10 MPa后，關閉儲氫罐進氣母管氮氣進口門。待儲氫罐靜止4h后，打開儲氫罐頂部排氣門，通過阻火器將儲氫罐內部氣體壓力降至0.05 MPa。重復該操作步驟3次以上。

（4）連續3次取樣，當儲氫罐頂部取樣門排出的氣體中含氫氣量不超過0.5%［2］，氮氣置換儲氫罐內部氫氣的操作結束。關閉儲氫罐進口一、二次門，打開儲氫罐底部排污門、頂部排氣門，進行卸壓。卸壓完成后，關閉儲氫罐出口一次門、底部排污門、頂部排氣門。在儲氫罐進口二次門后的管道法蘭處和出口一次門前管道法蘭處，加裝堵板，將儲氫罐完全隔離。

3.2 儲氫罐檢修后置換操作

3.2.1 注水排空氣

確認儲氫罐檢修工作完成后，檢查儲氫罐的外觀。檢查在儲氫罐進口二次門后管道法蘭處和出口一次門前管道法蘭處的堵板已拆除，核查儲氫罐進出口的一、二次門，將安全閥進口手動閥關閉。

在儲氫罐底部排污閥處連接1條臨時工業水管，打開儲氫罐底部排污門、頂部排氣門、取樣門，向儲氫罐內注水排出空氣。當取樣門有水氣混合物流出時，立刻關閉頂部排氣門。當取樣門有連續而且穩定水流流出時，關閉取樣門、底部排污門。檢查確認儲氫罐人孔、閥門等法蘭處沒有泄漏，儲氫罐的注水排空氣操作結束。拆除在儲氫罐底部排污門臨時加裝的工業水管。

3.2.2 充氮頂壓查漏及排水

檢查確認卸氫A、B路一、二次門，卸氫匯流排與供氫匯流排聯絡手動門關閉，儲氫罐進口一、二次門關閉。調整供氫站操作間內氮氣瓶組的出口壓力為5.0 MPa，打開卸氫匯流排充氮門，打開儲氫罐進口一、二次門，用氮氣將儲氫罐的內部壓力升至5.00 MPa。檢查無泄漏后，關閉卸氫匯流排充氮門，停止氮氣供應。打開儲氫罐底部排污門，對儲氫罐排水泄壓至0.5 MPa后關閉。調整供氫站操作間內氮氣瓶組出口壓力為5.35 MPa，打開卸氫匯流排充氮門，將儲氫罐升壓至5.35 MPa，關閉卸氫匯流排充氮門，停止氮氣供應，關閉儲氫罐進口一次門。對儲氫罐進口一次門至儲氫罐出口一次門之間的設備、管道進行氣密性試驗，如儲氫罐壓力維持48 h不變，則說明系統的嚴密性良好，無泄漏發生。

打開儲氫罐底部排污門，對儲氫罐排水泄壓至0.3 MPa后關閉。打開儲氫罐安全閥隔離手動閥，調整充氮匯流排氮氣出口壓力至0.5 MPa，打開卸氫匯流排的充氮門、儲氫罐進口一次門，向儲氫罐充氮。同時，打開儲氫罐底部排污門，維持儲氫罐壓力在0.2 MPa左右，連續排水，直至儲氫罐底部排污閥沒有水排出，關閉底部排污門。

用氮氣將儲氫罐升壓至0.3 MPa后，關閉卸氫匯流排充氮門。每隔約4 h（靜置4 h），打開儲氫罐底部排污門排水，泄壓至0.2 MPa，然后再升壓至0.3 MPa，連續3次以上。重復該操作步驟，直到確認儲氫罐底部排污門已沒有濕氣排出，關閉卸氫匯流排充氮門，關閉儲氫罐底部排污門，控制儲氫罐內部氮氣壓力在0.1 MPa，用氮氣置換儲氫罐內積水的操作結束。

3.2.3 氫氣置換氮氣

打開儲氫罐（選擇壓力較低的儲氫罐）進口一、二次門，通過儲氫罐進氣管將其它儲氫罐內的氫氣送入該儲氫罐，控制儲氫罐的升壓速度。當儲氫罐壓力為0.2 MPa時，停止充氫。關閉其它儲氫罐進口一次門，關閉儲氫罐進口一次門。儲氫罐靜止4 h后，打開儲氫罐底部排污門，將儲氫罐壓力降至0.1 MPa。重復該操作步驟3次以上，直到連續3次從儲氫罐底部排污門取樣化驗的氫氣純度達到99.7%時［2］，關閉儲氫罐底部排污門，儲氫罐用氫氣置換氮氣的工作結束。

確認儲氫罐內部氫氣壓力在0.1 MPa以上，關閉其它儲氫罐進口一、二次門，關閉儲氫罐進口一、二次門，打開儲氫罐出口一、二次閥、卸氫母管與供氫母管聯絡閥、卸氫母管排氣閥，對儲氫罐出口管道進行吹掃（保持儲氫罐內為正壓）。吹掃完畢后，關閉卸氫母管與供氫母管聯絡閥、儲氫罐出口一、二次閥、卸氫母管排氣閥，儲氫罐恢復備用。

4　危險因素分析

4.1 儲氫罐檢修前的置換操作

排氫氣時，需嚴密注意儲氫罐內壓力。保持儲氫罐為正壓，以防止空氣進入儲氫罐。氫氣必須由排氣管經阻火器排出，不能混入空氣。排氣時，氣體磨擦管壁，有可能產生靜電，而氫氣與空氣混合后，可能引發爆炸。

充氮前，必須檢查卸氫匯流排和供氫匯流排的聯絡閥已關閉，防止氮氣進入供氫匯流排，如氮氣混入，將導致其它儲氫罐向機組供氫時，氫氣的純度不合格。

氫氣的密度小，應在儲氫罐頂部取樣門的排出氣體中，用氫氣純度儀測得含氫量不超過0.5%，作為判斷儲氫罐置換完成的標準，但因氫氣純度儀可能存在誤差，應同時在取樣門處用氫氣檢漏儀來檢測排出的氣體，確認沒有報警［3］。

儲氫罐置換完成后，需在氫罐本體連接管道（進、出口管道）的第一道法蘭處加裝堵板，才可進行檢修工作。不可采取關閉手動門作為隔離儲氫罐的手段。儲氫罐堵板裝好后需進行耐壓試驗，防止在檢修過程中因閥門內漏或其他原因使堵板破裂，導致氫氣進入檢修儲氫罐，試驗壓力推薦為5.5 MPa。如欲打開儲氫罐人孔門入內檢修，應對儲氫罐加強通風，執行受限空間作業相關規定，防止檢修人員窒息。

4.2 儲氫罐檢修后的置換操作

4.2.1 注水排空氣

注水前應先拆除堵板，將法蘭連接牢固，以便后續過程中檢查管道的嚴密性，但一定要確認儲氫罐進、出口一、二次閥關閉嚴密，防止水進入儲氫罐進、出口管道。

注水后，應確認儲氫罐內已注滿水，防止儲氫罐內還有殘存空氣。

4.2.2 充氮頂壓查漏和排水

儲氫罐進行升壓操作前，一定要檢查其它氫罐進口一、二次閥已關閉，防止氮氣進入其它儲氫罐，導致其它儲氫罐內的氫氣純度不合格。儲氫罐進行升壓操作時，應注意閥門開啟順序，應先將氮氣匯流排壓力調整好，再依次開啟卸氫匯流排充氮門、儲氫罐進口一次閥、進口二次閥，確保整個過程中卸氫匯流排的壓力高于儲氫罐壓力，防止儲氫罐內的水反灌入卸氫匯流排。在儲氫罐的升壓、靜置、查漏過程中，嚴禁開啟儲氫罐的出口一、二次閥，防止儲罐內水進入供氫匯流排，導致發電機補氫時進水。

儲氫罐升壓完畢后，在靜置過程中，壓力輕微波動屬正常現象，這與環境溫度變化存在一定的關系。此時，應用肥皂水涂抹等方法進行人工查漏，特別對于法蘭、人孔門等易泄漏處，進行綜合判斷，確認儲氫罐的密封是否嚴密。儲氫罐排水完畢后，應使用氮氣經卸氫匯流排、供氫匯流排、儲氫罐出口管道吹掃至儲氫罐（防止儲氫罐出口管道有積水），才可進行排濕氣工作，確保儲氫罐內干燥，防止儲氫罐內氫氣的濕度不合格。在排水、排濕氣過程中，應保持儲氫罐為正壓，防止空氣進入儲氫罐內。

4.2.3 氫氣置換氮氣

氫氣的密度小，應在儲氫罐底部排污門排出的氣體中，用氫氣純度儀測得氫氣純度達到99.7%，作為判斷儲氫罐氫氣合格的標準。

當儲氫罐內氫氣純度合格后，對儲氫罐的出口管道進行吹掃，經供氫匯流排、卸氫匯流排、由卸氫匯流排排氣閥經阻火器排至室外，防止出現置換的死點。嚴禁由供氫母管排污閥排氫氣，防止氫氣在室內聚集，引起爆炸。

5　結語

大部分火電廠的儲氫罐置換均使用水、氮氣作為中間介質，而氮氣密度與空氣接近不能作為置換空氣的介質。因工藝、置換條件的限制，二氧化碳無法應用于儲氫罐置換工藝。利用水置換儲氫罐內的空氣，具有操作方便、易置換完全等優點，但也帶來一些危險及有害因素，針對氫氣置換操作的危險性，應注意幾個方面的問題。

（1）操作氫氣供應系統所有閥門時，應緩慢均勻，嚴禁使用鐵制板手，禁帶火種，關閉手機。

（2）在整個氫罐置換過程中，禁止進行卸氫工作，防止備用儲氫罐進水或進氮氣。

（3）在排氫、排水、排濕氣過程中，保持氫罐內有一定壓力（建議不小于0.05 MPa），防止氫罐內混入空氣，達到爆炸的極限濃度。

（4）應定期檢測氫氣純度儀和氫氣檢漏儀，選擇有資質的檢驗單位進行檢驗，確保氫氣純度儀和氫氣檢漏儀測量數據的正確性。用氮氣置換儲氫罐內氫氣時，應在儲氫罐頂部取樣，用氫氣純度儀測得的含氫量不得超過0.5%，并用氫氣檢漏儀檢測無氫氣后，才可泄壓檢修處理。而用氫氣置換氮氣，應在儲氫罐底部取樣，連續3次測得氫氣純度達到99.7%，才可判斷儲氫罐內的氫氣純度合格。

（5）儲氣罐排氫氣時，必須由排氣閥經阻火器排放。在儲氫罐氫氣置換氮氣操作時，應從底部排污門排氣。此時，儲氣罐內的壓力不宜太高（建議不超過0.2 MPa），通過排污門開度，控制排放速度，防止流速過大導致靜電的產生，引發火災和爆炸。

（6）在儲氫罐排濕氣時，建議間隔4 h操作1次。夜間氣溫較低，查看儲氫罐底部排氣時，確保每次排放初期無濕氣，防止儲氫罐備用后氫氣濕度不合格。

（7）在注水升壓查漏過程中，因儲氫罐內有水，且升壓查漏的壓力較高，可能存在儲氫罐出口一、二次閥內漏，導致供氫匯流排進水。如果此時發電機需補氫，有可能導致發電機進水，建議先將水排至儲氫罐進、出口管道以下，再進行升壓查漏工作，但需耗費大量的氮氣，應在經濟和安全方面進行綜合考量。

［1］伍東，宋文華，張茹，王鵬.火電廠氫氣儲罐火災爆炸危險性分析［J］.消防科學與技術，2008，27（11）：847-850.

［2］孫偉鵬，陳裕忠.超超臨界火電機組運行技術問答輔控運行［M］.中國電力出版社，2014.

［3］錢程，葛陽波.淺析1 000 MW核能汽輪發電機氫氣供應系統［J］.東方電機，2011（3）：41-44.

The Analysis of Risk Factors＆Replacement Operation of the Hydrogen Storage Tank in the Hydrogen Gas Supply system

HU Li-chuan，CHEN Yu-zhong，LIN Shao-guo
（Huaneng Haimen Power Plant，Shantou 515132，Guangdong，China）

Taking the hydrogen supply system in certain 4 x 1036 MW units as an example，this paper introduces the equipment of the hydrogen supply system and equipment conditions.Replacement operation shall be conducted before and after the hydrogen storage overhaul.Risk factors that affect the safety of the equipment occur during the replacement operation process.The corresponding prevention strategies and approaches are presented.Useful suggestions have been put forward to prevent accidents through analysis，and have been carried out in the replacement process of hydrogen storage tank，which ensured the stable operation of the unit.

hydrogen gas；supply；hydrogen storage tank；nitrogen；replacement；operation；risk factor；analysis

TK284.9

B

1672-0210（2016）01-0049-04

2015-06-12

2015-06-23

胡立川（1984-），男，碩士，工程師，從事大型火力機組環保運行及其優化方面的工作。