氫冷發電機殼體氣密性測試方法研究

何永艷，王維豪，韋旺

1. 上海電子信息職業技術學院 申安網絡安全產業學院，上海 201411

2. 上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444

福島核電站事故之后，核電安全問題在全世界引起了廣泛關注，多個國家對核電氫冷風險監管提出了更高要求[1?3]。因風摩損耗和通風損耗與冷卻氣體密度成正比，而氫氣是已發現氣體中密度最小的氣體，且氫氣具有更高的導熱系數與表面散熱系數，因此單位體積的氫氣比空氣具有更高的冷卻效率，氫氣冷卻方式已經成為大型發電機的首選冷卻方式[4?6]。但是氫氣冷卻發電機存在的缺點是氫氣泄漏不僅會導致冷卻效率變低、機組過熱以及機組損壞等潛在風險，而且存在巨大的安全隱患。研究表明，當空氣中氫氣體積分數為5%~70%時，只要有0.02 mJ 的火源存在，就可發生火災和爆炸[6]。然而氫氣滲透能力強，氫氣泄漏不可避免，因此將氫氣泄漏量控制在合理的范圍內是保證發電機組正常運行的必要條件，故而氫冷發電機安裝前需要對殼體進行嚴格的氣密性測試。在保障安全的前提下，為了測量單日氫氣泄漏量，最為常用的測量方式為對壓縮空氣進行泄漏測試并將根據經驗系數將其換算為等效氫氣泄漏量[7?8]，同時可節約測試成本。

劉漢臣等[1]對氫冷發電機氫氣風險管理進行了研究，并利用MATLAB 建立了氫氣可燃性判斷計算模型，模型結果表明可通過控制安全殼壓力來降低氫爆風險，為技術支持中心制定策略提供參考。趙韻奇等[4]對氫冷發電機氫氣濃度下降原因進行了全面分析，總結氫氣濃度下降根本原因，為氫冷發電機漏氫故障排查提供指導。黃霖[5]將氦氣泄漏技術應用在氫冷發電機氣密試驗中，與常用的拉開粉檢測和鹵素檢測方法進行對比，并進行實驗驗證，實驗結果表明氦氣檢漏方法具有環保、性能穩定以及檢測精度高等優點。郭海[6]介紹了常用氫冷發電機氣密性檢測試驗方法與氣密性評價方式，并介紹了常出現氫氣泄漏部位與補救方法。何德兆[7]對國內外推行的氫氣泄漏計算公式、泄漏衡量標準進行詳盡的對比，并以秦電二期工程2 號機組為平臺，對機組試運行期間數據進行分析，提出了減少氫氣泄漏若干措施。司派友等[8]對氫冷發電機氣密性計算方法進行了研究，不僅考慮到氣體在密封油中的溶解量，而且詳盡地討論了氣壓與溫度對試驗計算結果的影響，得出氫氣–空氣換算經驗值為3.8。閻保康[9]根據理想氣態方程對國內第一臺日本進口600 MW氫冷發電機持續保壓24 h，測量多個數據點進行單日氫氣泄漏量計算，實驗結果表明機組的氣密效果達到預定要求。畢純輝等[10]將傳感技術與自動測控技術相結合，實現數據采集與分析來提高測試設備自動化程度與數據分析效率，并采用美國GE 公司390H 型燃氣輪發電機進行實驗，驗證了方案的有效性。Heim 等[11]提出了一種空氣滲透建模和模擬的計算方法，為了驗證提出氣流網絡方法的有效性，開發了滲透試驗的模擬模型，并與其他壓差校準模型的模擬結果相比較，結果表明現場試驗和與采用提出模擬計算方法結果之間的差異不超過2.5%。

之前學者分別對氫冷發電機常見漏氫故障、故障原因、故障修復方案、泄漏判定標準、泄漏計算方式以及氣密性測試方法等進行深入研究，且已將自動化測控技術應用于氣密性測試過程中。基于之前學者研究基礎，本文提出了一種基于擬合方程的氫冷發電機殼體氣密性測試方法，并將傳感技術與自動化測控技術相結合，實現測試過程自動化、測試結果精確化、重復測試高穩定性，最后通過實驗證明了本文所提方法的有效性與穩定性。

1 氣密性測試方案

1.1 泄漏公式推導

氣體體積無法直接測量獲得，常用方法為測量密封容器內氣體溫度與壓力，根據理想氣體狀態方程[6?8]計算得出：

式中：P為氣體壓力， Pa；V為氣體體積， m3；n為氣體的物質的量，m ol；R為普適氣體恒量，8.31 J/(mol·K)；T為氣體溫度， K。

如將nR近似視作常量C，則由式（1）可得：

根據式（2），在已知容積體積、氣體壓力和氣體溫度的前提下，可將其換算到給定狀態（或標準狀態）下氣體體積。在不同時刻計算給定狀態下氣體體積并做差，便可獲得氣體泄漏量：

式中： ?V為給定狀態下氣體泄漏量， m3；V1為試驗開始時氣體體積， m3；V2為試驗結束時氣體體積，m3；P1為試驗開始時容器內部壓力， Pa；P2為試驗結束時容器內部壓力， Pa；T1為試驗開始時容器內部平均溫度， K；T2為試驗結束時容器內部平均溫度， K。

衡量氫冷發電機氣密性標準為單日氫氣泄漏量，而式（3）所得泄漏量僅為某時間段內的氣體泄漏量，可將其換算為單日氣體泄漏量：

式中 ?t為實驗開始與試驗結束之間時間間隔， h。

1.2 線性擬合方程氣體泄漏計算方案

根據時序采樣點采集的氣體溫度與壓力，由式（2）計算標準狀態下壓縮氣體體積，以時間作為自變量、壓縮氣體體積為因變量進行線性擬合，得到擬合方程：

式中：x為時間， h；y為氣體體積， m3；k為線性擬合方程斜率；b為線性擬合方程在y軸的截距。

由式（5）中k得氣體單日氣體泄漏量為

1.3 氫冷發電機氣密性測試實驗方案設計

根據式（3）可知，計算氣體泄漏量需要已知容器體積、容器內部壓力以及容器內部平均溫度。容器體積在進行氣密性試驗前已經確定；容器內部壓力通過氣壓傳感器獲得；當容器體積過大時，容器內部溫度分布不均，氣體成分相同情況下，熱氣體密度較低處于容器上層，因此容器內部會出現溫度分層現象。為了得到容器內部平均溫度，應當采集多點溫度計算平均溫度，在本實驗中選取頭部與尾部不同高度的8 個溫度測試點，溫度測試點如圖1 所示。

圖1 容器內溫度分布及溫度采集點選取

實驗過程分為數據采集、數據處理、結果顯示3 個步驟，氣密性測試系統設計方案如圖2 所示。8 個溫度傳感器接入溫度采集儀中，計算機與溫度采集儀之間通過采用通用接口總線(general purpose interface bus，GPIB)轉通用串行總線（universal serial bus，USB）模塊將溫度采集儀接入計算機，實現計算機對溫度采集儀的控制與溫度數據采集。氣壓采集儀通過氣密性接頭與容器內部連通，氣壓儀內部與容器內部形成等壓，計算機與氣壓采集儀之間同樣通過采用GPIB 轉USB 模塊將氣壓采集儀接入計算機，實現氣壓采集。

圖2 氣密性測試方案

2 氫冷發電機氣密性測試方法實驗驗證

2.1 實驗平臺搭建

為了驗證提出氫冷發電機氣體泄漏計算方案的有效性，建立了實驗平臺。本實驗平臺搭建實物示意如圖3 所示，在待測密封性殼體內部按照圖1 所示布置8 個電阻溫度探測儀(resistance temperature detector, RTD)，并將RTD 通過溫度采集卡接入溫度采集儀；溫度采集儀與氣壓采集儀以IEEE488 并行總線方式相連接，通過GPIB 轉USB 模塊將溫度采集儀與氣壓采集儀接入計算機，計算機通過通訊指令控制采集溫度與氣壓。本試驗平臺所使用儀器型號如表1 所示。

圖3 氣密性測試實驗平臺

上位機基于LabVIEW2018 進行開發，上位機主要功能為控制溫度采集儀與氣壓采集儀進行數據采集、數據預處理及泄漏計算、泄漏曲線繪制、報表生成等功能。

2.2 實驗數據采集與處理

本實驗對SPL-H6 型氫冷發電機殼體進行了氣密性實驗，其殼內標準容積為113.83 m3、標準測試壓力為551.58 kPa、日允許泄漏量為3.43 m3。在氫冷發電機氣密試驗中，為了降低試驗成本與保證試驗的安全性，通常用空氣代替氫氣進行氣密性試驗，最終根據經驗公式將單日空氣泄漏量乘以3.81 換算得到單日氫氣泄漏量。實驗過程中，以10 min 為間隔對溫度和氣壓進行采集記錄，本試驗持續14 h，共得到86 個實驗記錄點，能夠充分驗證本文所提方法的有效性，實驗數據記錄如表2 所示。

表2 氫冷發電機SPL-H6 型殼體第1 組氣密性實驗數據（采樣點間隔10 min，持續采樣14 h）

表2 中的序號從1 開始，每采集1 次溫度與壓力數據“序號”+1，“氣體壓力”為上位機發送采集指令給氣壓采集儀從容器內部壓力采集得到，“平均溫度”為采集到的8 個RTD 溫度求取平均值獲得，“氣體體積”則通過氣體壓力與平均溫度計算得到，計算得出的氣體體積為常溫常壓情況下氣體體積，溫度取20 ℃，可換算為293 K，氣壓取101.429 kPa。由式（2）可得：

式中：Pnorm為標準氣體壓力，101.429 kPa；Vnorm為常溫常壓狀態下氣體體積，m3；Tnormt為常溫狀態容器內部氣體溫度，293 K；Ptest為實測氣體壓力，Pa；Vtest為實測數據計算氣體體積，m3；Ttest為實測容器內部氣體溫度，K。

第2 種氣體體積計算方式需要首先根據式（3）計算出基于基礎氣體體積的氣體泄漏量，之后采用基礎氣體體積減去氣體泄漏量即為最新的氣體體積，經過驗證，采用第2 種氣體體積計算方式所得計算結果與采用式（7）計算所得計算結果完全一致，2 種方法均可用于計算氣體泄漏量。需要特別注意的是，首次氣體體積計算必須采用式（7）進行，之后才可使用式（3）依次計算泄漏后剩余氣體體積，本文采用式（7）計算氣體體積，所得氣體體積如表2 所示。

2.3 單日氫氣泄漏公式推導

將式（7）代入式（4），即令V1=Vnorm，可得到容器的單日氣體泄漏量：

將空氣泄漏量乘以經驗系數3.81 即可等價于氫氣泄漏量。則通過式（6）與式（8）可得等價單日氫氣泄漏量分別為

3 實驗結果分析與討論

根據表2 數據繪制氣體體積隨時間變化與線性擬合曲線如圖4 所示。

圖4 SPL-H6 型氫冷發電機殼體泄漏曲線與線性擬合

由圖4 可以看出，隨著時間的推移，氣體體積不斷縮小，表明所測試SPL-H6 型氫冷發電機殼體存在氣體泄漏。開始測試的前12 h 內，氣體勻速泄漏；第12 h 后數據出現異常情況，氣體體積開始增加，這不符合實際情況，不可以將第12 h 后的測試數據用于泄漏計算。導致氣體體積計算異常的原因是多種的，比如壓縮氫氣泄漏入被測容器、RTD 損壞、環境溫度變化較快、頻繁打開測試室大門等。氣密性實驗至少采用連續4 h 的數據進行泄漏計算才符合測試要求，為了進一步驗證本文所提出的氣體泄漏計算方法有效性，分別繪制與擬合了0~4、3~8、8~12、10~14 h 這4 個時間段的氣體泄漏測試曲線圖，如圖5 所示。圖5中(a)~(d)分別采用24 個采樣點繪制氣體泄漏情況，并分別進行線性擬合，同時計算擬合直線的擬合優度R2值。R2取值范圍為（0, 1），當R2越接近1 則表示擬合曲線與散點之間的擬合程度越好，越接近0 則表示擬合曲線與散點之間的擬合程度越差，理想狀態R2值為1。在氫冷發電機氣密性實驗中，當單日氫氣允許泄漏量大于1.416 m3時要求R2大于0.7；當單日氫氣允許泄漏量小于1.416 m3>時要求R2大于0.5 即可。圖5 中(a)~(c)這3 種狀況下線性擬合優度均為0.99，線性擬合度極好，圖5(d)中線性擬合優度僅為0.532，此次擬合是不成功的，不能夠將計算結果用于衡量氫冷發電機殼體氣密性。對圖5 中所表示的4 種狀況分別用式（9）與式（10）計算其等效單日氫氣泄漏量，如表3 所示。

表3 單日氫氣泄漏量計算結果

圖5 SPL-H6 型氫冷發電機殼體多時間段泄漏曲線與線性擬合

如表3 所示，在0~4、3~8、8~12、10~14 h 這4 個時間段內，根據式（9）計算的等效單日氫氣泄漏量分別為4.54、5.231、3.951、1.159 m3，根據式（10）計算的等效單日氫氣泄漏量分別4.366、3.933、4.058、1.012 m3。由表3 可知，在10~14 h 所得的線性擬合優度為0.532，擬合是無效的，通過式（9）計算單日氫氣泄漏量則無法發現此問題，必然造成氫冷發電機殼體氣密性質量誤判；通過本文所提擬合方程計算單日氫氣泄漏量則可通過擬合優度R2發現此段時間內數據是無效的。通過式（9）進行計算的單日氫氣泄漏量易受單個采樣點影響從而產生較大誤差，采用本文所提出的擬合方程計算方法則綜合考慮實驗時間段內每個采樣點，因此具有更好的穩定性。如在表3 中，在0~4、3~8、8~12 h 這3 個時間段內按照式（9）計算的等效單日氫氣泄漏量波動幅度為3.951~5.231 m3，而通過本文提出的擬合方程所得單日氫氣泄漏量波動幅度為3.933~4.366 m3，表明本文提出的單日氫氣泄漏計算方式不僅能夠有效判斷采集數據是否合格，而且計算結果相較于傳統的計算方式具有更好的穩定性。

本次實驗測試的氫冷發電機殼體單日氫氣允許泄漏量為3.426 m3，實驗結果表明，本殼體氣密性不合格。經過修復后再次測試，測試時間持續6 h，共得到36 個實驗記錄點，所得測試數據如表4所示。

表4 氫冷發電機SPL-H6 型殼體第2 組氣密性實驗數據（采樣點間隔10 min，持續采樣6 h）

根據表4 數據繪制氣體體積隨時間變化與線性擬合曲線如圖6 所示。

圖6 SPL-H6 型氫冷發電機修復后殼體泄漏曲線與線性擬合

如圖6 所示，修復后的容器對采樣點1 與采樣點36 通過式（9）計算等效單日氫氣泄漏量為1.624 m3，采用本文提出的方法計算出等效單日氫氣泄漏量為1.362 m3，且擬合優度為0.896，具有很高的擬合度，擬合結果可用于衡量氫冷發電機殼體氣密性。2 種不同的計算方式所得結果均小于氫冷發電機殼體單日氫氣允許泄漏量3.426 m3，表明本次的修復是有效的，修復后的SPL-H6 型氫冷發電機殼體氣密性能夠達到單日氫氣泄漏量小于3.426 m3的標準。

4 結論

本文提出了一種基于擬合方程的氫冷發電機殼體氣密性測試方法，用于計算單日氫氣泄漏量。相比傳統的單個采樣點計算方法，本文提出的方法更加準確；同時通過對擬合方程擬合優度R2值的判斷，能夠有效地判定采樣點的有效性。結論如下：

1）本文提出的基于擬合方程的氫冷發電機殼體氣密性測試方法可以有效地提高氫氣泄漏量計算結果的穩定性。

2）本文提出的方法采用擬合方程的方式對采樣點整體的有效性進行了判定，從而避免了計算結果受單個采樣點影響較大的問題。

本文提出的基于擬合方程的氫氣泄漏計算方法具有一定的實用價值，能夠為氫冷發電機殼體氣密性檢測提供有效的方法和理論指導，為保障設備安全穩定運行提供有力支撐。