熱電廠氫氣泄漏事故分析及預防措施

王智勇，馮書軍

(河北省消防總隊，河北 石家莊 050035)

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熱電廠氫氣泄漏事故分析及預防措施

王智勇，馮書軍

(河北省消防總隊，河北 石家莊 050035)

在大中城市中，熱電廠是主要供熱供電供汽源，其發電機組氫冷卻系統中使用了大量易燃易爆的氫氣，一旦泄漏與空氣混合，遇到點火源極易引發爆炸事故。以“3·13”華能北京熱電廠爆炸事故為例，分析發電機組氫冷卻系統的利弊，從工藝技術、自動監測控制系統及消防安全管理等方面提出了預防措施。

熱電廠；氫氣泄漏；爆炸

近年來,隨著大型氫冷卻發電機組的應用越來越廣，全國發生了多起氫冷卻發電機組氫氣泄漏爆炸事故。事故輕則導致密封油系統管道、發電機內風擋的損壞，重則導致發電機定子、轉子線圈的損壞甚至造成重大人身傷亡事故，給人民的生產生活造成重大影響。因此，將大型氫冷卻發電機內冷所用介質(氫氣)的安全運行作為一個重要課題來研究具有現實意義。

一、事故概況

華能北京熱電廠1999年建成投產，共四臺機組，總裝機容量84.5萬千瓦，擔負著北京市10%的供電、50%的供汽和30%的供熱任務，是北京市重要的電源汽源熱源支撐點。其中2號機組是國內首次引進的目前世界上效率最高的F級燃氣輪機，于2011年12月4日成功并網發電。

2015年3月13日14時50分許，警用直升機首先發現華能電廠上空有黑煙并報警，119消防指揮中心接到報警后，隨即調集20個消防中隊、91部消防車及屬地公安、交管警力趕赴現場處置。經過消防官兵全力撲救，大火于16時左右被撲滅，未造成人員傷亡。該起氫氣泄漏爆炸事故的原因為2號機組葉輪輪緣斷裂與葉片脫落，機組軸系發生劇烈振動，導致軸與軸瓦嚴重磨損，氫氣密封系統失效發生大量泄漏，與勵磁系統火花接觸后發生爆炸。由于2號機組位于彩鋼板廠房內，氫氣爆炸引燃了周圍彩鋼板，致使火勢持續發展，現場形成大量濃煙。公安消防部隊接警后，及時出動，有力處置，很快將大火撲滅，此次爆炸火災事故未造成嚴重后果。可見，預防熱電廠氫泄漏事故極其重要。

二、氫冷卻系統利弊分析

熱電廠發電機組在運行中繞組和鐵芯會產生大量的熱能，需有效冷卻降溫，才能保證系統正常工作。為了及時將熱能導出，通常采用空氣、氫氣、水、氟里昂等冷卻劑進行冷卻，其中以定子繞組為水內冷，轉子繞組和定子鐵芯為氫氣冷卻的發電機(通常稱作“水氫氫”冷卻機組)應用最為廣泛[1]。

(一)有利方面

熱電廠發電機組氫冷卻系統有利方面為：(1)氫氣密度小，導熱系數大，在降低了發電機風扇和通風系統摩擦損耗產熱的同時，提高了發電機的單機容量，縮小了發電機的體積。(2)氫氣的絕緣性能好，電離現象微弱，可以延長線圈的使用壽命。(3)由于氫氣采用密閉循環系統，可降低機組噪音，減少氫氣損耗[2]。

(二)不利方面

熱電廠發電機組氫冷卻系統不利方面為：(1)氫氣屬于易燃易爆的甲類氣體，比空氣輕，與空氣混合后爆炸下限為4.1%，爆炸上限為74.2%，在此范圍內均可發生爆炸。因此，為防止氫氣泄漏，對發電機組的密封性要求很高。(2)氫氣與空氣所形成的混合氣體的爆炸點火能量小，氫氣的最小點火能量僅為0.02 mJ，在發電機運行過程中勵磁系統的火花或氫氣高速流動產生的靜電放電火花就可以引發爆炸事故。(3)在運行過程中，由于不可避免出現氫氣外滲，需要設計一套補氫系統，以滿足不斷補充氫氣的需要。(4)發電機充氫、排氫時，過程復雜且緩慢，技術要求很嚴格，火災危險性大。

三、火災預防措施

(一)工藝技術防火措施

為防止發電機氫氣泄漏后爆炸，必須嚴格控制氫氣的濃度、壓力及可能引發爆炸的點火能量，做好發電機充氫、運行、排氫等全過程的控制和管理。(1)氫冷卻發電機內、外應安裝可燃氣體探測報警裝置，使其在運行過程或充排氫檢修過程中，遇有氫氣泄漏時可以及時報警。(2)發電機在CO2置換氫氣、氫氣置換CO2等充氫或排氫過程中，為防止摩擦產生火花而引起爆炸，盤車等機械設備要停止運行。在充、排氫過程中，惰性保護介質CO2的濃度應不低于98%，含水量應不高于0.1%。發電機內送入的壓縮氫氣、CO2等氣體，應經干燥器充分干燥，并保持發電機內空氣絕對濕度低于15 g·m-3。(3)發電機內充入及排出CO2最好在6 h內完成，最多不得超過24 h，主要是防止氣態CO2在發電機內產生結露，不能保持干燥，從而降低線圈的絕緣性能。(4)在發電機充入氫氣置換CO2時，必須遵從以下操作規程：一是通向發電機的所有管道、閥門要確保隔離；二是在氫氣純度控制盤(如圖1所示)顯示純度高于90%時，方可投入氣體分析器；三是在發電機內氫氣純度高于98%、空氣含量低于1.5%時，方可認為置換結束，停止排出混合氣體，并升高氫氣壓力達到要求的數值。在提升氫氣壓力過程中，應加強對氫氣壓力的監視，防止因氫、油壓差閥故障造成氫氣泄漏或發電機進油[3]。(5)氫冷發電機廠房地面應采用不發火地面，進入防爆區工作的人員必須著防靜電工作服，穿不帶鐵掌的膠鞋，開關氫氣系統閥門等作業時戴防靜電手套或者使用不發火的銅制或木制工具操作。(6)輸送氫氣的管道在法蘭等連接處應采用防靜電跨接措施，及時導出氫氣在管道中高速流動時產生的靜電。同時，在氫置換過程中還應控制好氫氣的流速且整個置換過程要連續、緩慢地進行，并保持充、排氣的壓力穩定。(7)氫冷發電機廠房應采用無死角的平屋頂結構，并在其最高處設置氫氣濃度探測器及自然排氣孔，保證一旦有氫氣泄漏至屋頂能夠及時報警并導出氫氣。(8)在存儲密封油的主油箱內應安裝靈敏的氫氣探測器，如果發現主油箱內有氫氣出現，應及時檢查發電機的密封油系統[4]。(9)發電機內外應安裝良好的干燥氣體吹掃系統并與可燃氣體探測報警系統聯動，如果發現氫氣殘存量超標應及時啟動吹走殘存氫氣，防止因碳刷等冒出火花，引起混合氣體爆炸。(10)氫冷發電機周圍及密封油系統區域應劃定為防爆區，所有電氣設備應采用本質安全型或阻隔型防爆電器。禁止可能產生明火及靜電火花的作業，如果必須動火作業時，應進行氫冷發電機的排氫操作并確保沒有爆炸危險后實施。

圖1 氫氣純度控制盤

(二)發揮自動監測控制系統的作用

氫氣純度在線監測裝置是消除發電機內氫氣泄漏爆炸的關鍵設備，要確保該裝置的有效性，能真實地反映發電機內的氫氣純度。目前所制造的氫冷卻發電機組，均配置有氫氣取樣點和氫氣純度在線監測裝置，使用這套系統可隨時、連續監測到發電機內氫氣的純度值[5]。但目前氫氣純度在線監測裝置只用于監測機組內部的氫氣濃度，建議在檢測內部氫氣濃度的同時，可在發電機組易發生氫氣泄漏的位置設置氫氣濃度監測報警器，并與消防自動控制系統聯動。同時，在易發生氫氣泄漏的位置，建議安裝水蒸氣或氮氣等氣體噴射惰化保護裝置。當監測報警器檢測到發電機外部的氫氣超標時，監測報警裝置立即給消防自動控制系統發送信號，啟動報警裝置，通知消防值班人員。同時消防聯動控制系統給出信號，聯動氫氣進氣閥門自動關閉，自動啟動氣體噴射惰化保護裝置工作，噴出水蒸氣或氮氣，以降低發生氫氣爆炸的概率。

(三)加強消防安全管理

首先，在發電廠建設初期應進行全面的安全設計及評價，并經安監、消防等主管部門驗收備案后再投入運行，從源頭上控制火災爆炸事故的發生。發電廠要成立消防安全工作領導小組，強化內部消防安全的管理力度。建立健全各項安全生產及消防安全組織制度，定期組織檢查、巡查和安全評估，使各級各部門認真履行消防安全責任[6]。其次，強化消防安全設施的維護保養，發電廠要聘請有資質的消防設施維保公司并與之簽訂維保合同，加大對消防設施維護保養的力度。建立消防安全的獎懲機制，使消防安全人人記在心上，抓在手上。第三，每月組織一次消防安全培訓，重點是對新入職的員工進行安全知識的培訓。結合企業實際制定切實可行的消防演練方案，每季度開展一次消防安全演練，不斷增強“檢查消除隱患的能力、撲救初起火災的能力、組織人員疏散逃生的能力、安全培訓教育的能力”的建設，全面提升員工的消防安全素質，確保發電廠消防安全。

四、結束語

引起發電機組氫氣泄漏事故的因素很多，在制造過程中要保證發電機各部位選用合格的材料，各項試驗符合要求；運行中要注意調整氫冷卻器氣壓、定冷水壓及密封油壓等參數符合規定，并應隨時跟蹤發電機的風溫，使其控制在正常范圍內。此起華能北京熱電廠的爆炸事故雖未造成大的經濟損失，也沒有人員傷亡，但為熱電廠發電機組氫冷卻系統的氫氣泄漏事故預防敲響了警鐘。希望其他使用氫冷卻系統的熱電廠以此為戒，做好安全防范工作，預防此類事故的發生。

[1] 杜志英,鞠鳳元,婁智勇,等.熱電廠氫冷發電機漏氫故障診斷[J].科技傳播,2011(19):72.

[2] 衛政.新豐熱電廠2#發電機漏氫問題的分析與處理[J].內蒙古石油化工,2013,39(16):68-69.

[3] 劉紅彬,姜彩生.氫冷發電機氫爆原因分析及防范措施[J].電力學報,2007,22(1):102-105.

[4] 顏陽.發電機組漏氫治理[J].科技傳播,2012(13):112-113.

[5] 孟君艷,苑永太,劉釗.熱電廠內消防報警系統的改進[J].熱電技術,2014(2):35-38.

[6] 杜楠.工業企業火災和爆炸事故的預防[J].鐵道勞動安全衛生與環保,2003,30(4):164-166.

(責任編輯 李 蕾)

Analysis and Prevention of Hydrogen Leakage Explosions in Thermal Power Plants

WANG Zhiyong, FENG Shujun

(FireCorpsofHebeiProvince,Shijiazhuang050035,China)

The heating of large and medium-sized cities is mainly supplied by thermal power plants, whose hydrogen generator cooling system contains a large amount of flammable and explosive hydrogen gas. When it leaks, mixes with air and meets the ignition source, it may explode. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the hydrogen generator cooling system with Huaneng Beijing Thermal Power Plant explosion on March 13 as an example, and puts forward the prevention measures of the process engineering, automatic monitoring and control system, and fire safety management.

thermal power plant; hydrogen leakage; explosion

2017-02-06

王智勇(1972— )，男，河北盧龍人，高級工程師； 馮書軍(1975— )，男，河北邢臺人，工程師。

TU998.12；TM611

A

1008-2077(2017)06-0070-03