方家山核电厂发电机氢气泄漏率计算方法改进_王公展.pdf

5方家山核电厂发电机氢气泄漏率计算方法改进王公展1*尚宪和1费志松2郑宗宇1司先国1夏德莉1应黎明1陈博11.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.中原运维海外工程有限公司，上海 201103摘要：氢冷发电机大都运行在手动补氢的方式，发电机氢气泄漏率的计算也采用人工提取数据，手动输入软件计算的方式。该方法在方家山核电厂的实际应用中存在计算结果波动幅度较大，难以及时发现泄漏率上升的问题。另外，由于氢冷系统采用手动方式补氢，氢气的压力呈现出锯齿型，无法用通用的算法计算出连续的泄漏率。本研究定量分析了泄漏率计算波动大的原因，给出了提高精度降低波动幅度的建议，并首次在业界提出了一种克服锯齿型压力波动，计算实时泄漏率的算法。对比结果和实际应用表明，实时泄漏率的计算结果准确度更高，采用连续的趋势跟踪更容易发现泄漏率的上升。新的计算方法在业界具用推广的价值。关键字：发电机；氢气泄漏率；波动；实时；算法中图分类号：TM31文献标识码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0005-05Improvement to the Generator Hydrogen Leak Rate Calculation Method ofFangjiashan Nuclear Power PlantWANG Gongzhan1,SHANG Xianhe1,FEI Zhisong2,ZHENG Zongyu1,SI Xianguo1,XIA Deli1,YING Liming1,CHEN Bo1（1.CNNPOperations Management Company,Ltd.,314300,Haiyan County,Zhejiang,China；2.CZEC Oversea Operation and Maintenance Engineering Company,Ltd.,201103,Shanghai,China）Abstract:Most of the hydrogen-cooled generators operate in the way of manual hydrogen supplementation,and thecalculation of the hydrogen leakage rate of the generator also adopts the method of manually extracting data andmanually inputting software calculations.In the actual application of Fang Jiashan Nuclear Power Plant,this method hasthe problem of large fluctuations in calculation results,and it is difficult to detect rising leakage rate in time.In addition,because the hydrogen cooling system uses manual hydrogen replenishment,the pressure of hydrogen shows asaw-tooth pattern,and it is impossible to calculate the continuous leakage rate with the general algorithm.This researchquantitatively analyzes the reasons for the large fluctuations in the leakage rate calculation,and gives suggestions toimprove the accuracy and reduce the fluctuation range.For the first time in the industry,an algorithm to overcome thesaw-tooth pressure fluctuations and calculate the real-time leakage rate is proposed.The comparison result and actualapplication show that the calculation result of real-time leakage rate is more accurate,and it is easier to detect theincrease of leakage rate by using continuous trend tracking.The new calculation method has the value of promotion in theindustry.Key words:generator;hydrogen leak rate;oscillation;real-time;algorithm1收稿日期：2022-05-12作者简介：王公展（1973），男，工程硕士，研究员高级工程师。研究方向为自动化控制。通讯邮箱：。对于氢冷发电机，由于纯度分析取样、小的内部和外部渗漏等原因，氢气一直在不断地消耗。但是异常的氢气泄漏是时常发生的问题，当氢气泄漏量过大时，积聚在系统或环境中的氢气与空气混DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.0106合，容易发生着火和氢爆等严重事故。因此，监测氢气的泄漏量，及时发现异常上升是电厂运行期间的一项重要工作。另一方面，为了防止持续的泄漏造成的爆炸风险，业界大部分电厂运行在手动补氢的方式下，即运行期间没有持续的自动氢气补充，只有当系统内的氢气压力下降到一定程度时，才手动补氢恢复其压力。方家山核电厂的发电机为东方电气制造，型号为 TA 1100-78 的氢冷发电机。电厂采取手动补氢的运行方式，在正常情况下的消耗量约为 13 m3/24 h，当氢气压力降到约 290 kPa(G)时补氢，补到约 300kPa(G)时停止。正常情况下每天补氢一次，并在补氢之后计算一次氢气的泄漏量，人工选取两个时点的参数，手动输入到专门的计算程序中进行计算。但是实际的应用结果表明，目前泄漏率的计算方法存在如下问题：（1）计算结果的波动幅度较大，可比性不强，难以及时发现氢气泄漏量的异常上升。图 1 是 8 月1 日到 10 月 24 日期间，两台机组生产早会通报中的泄漏率结果曲线。可以看出，在没有发生泄漏率上升时，泄漏率的波动幅度低时小 5 m3/24 h，高至13 m3/24 h。图 1 两台机组生产早会通报中的泄漏率结果（2）每次计算时都需要人工选择要计算的时间段，并手动将参数输入到软件中，比较麻烦。（3）每次计算的结果为一个点的数值，没有历史数据，难以及时发现上升趋势。针对计算结果波动大的问题，本文分析了其产生原因，给出了提高结果准确性的建议。并且借助EXCEL 软件从 PI 系统采样数据的功能，设计了一个计算工具。应用结果和实际应用表明，该工具计算结果更加准确稳定，可以及时准确地发现发电机氢气泄漏量的上升，为及时发现和处理问题提供了更大的保证。1计算结果波动大的原因分析1.1 影响计算结果的可能因素当发电机内氢气压力在 0.3 MPa 以下时，计算一个给定时间段内氢气泄漏率（换算到给定状态P0=101.3kPa(A)，T0=20）的通用公式如下式（1）1：(1)其中：V发电机24小时气体的泄漏量，m3/24hV发电机充氢容积，m3T0 给 定 状 态 下 大 气 绝 对 温 度，T0=273+20=293 KP0给定状态下大气绝对压力，101.3 kPa(A)t给定时间段的时间长度，hP1给定时间段起始点时的发电机内的氢气压力，kPa(G)B1给定时间段起始点时的当地的大气压力，kPa(A)T1给定时间段起始点时的氢气绝对温度，KP2给定时间段结束点时的发电机内的氢气压力，kPa(G)B2给定时间段结束点时的当地的大气压力，kPa(A)T2给定时间段结束点时的氢气绝对温度，K公式中的固定参数有 V，T0，P0，T，可变参数有 P1，B1，T1和 P2，B2，T2。在计算泄漏率时，由人工选择起始点和结束点，把两个时间点及相应的可变参数的值输入到软件中进行计算。由于固定参数不变，不会导致计算结果的波动，因此导致计算结果波动的原因为可变参数的准确性，或者计算公式本身的适用性，下面对它们逐一进行讨论。1.2 计算公式的适用性通用氢气泄漏率计算公式的基础是理解气体状态方程：PV=nRT（2）即 n 摩尔理解气体在绝对温度 T，压强 P 下，占有体积 V。R 为通用气体常数。由于理想气体模7型中分子只有质量，没有体积，是一种无限稀薄的气体，所以只有在温度较高，压力较低时，R 才近于常数。而发电机内的氢气压力在 290 kPa(G)300kPa(G)之间，因此必然与理想气体存在的一定差异，使用理想气体公式进行计算有可能对结果造成偏差。而范德华状态方程是对理想气体状态方程的一种改进，将理想气体模型所忽略的气体分子自身大小和分子之间的相互作用力考虑进来，所以又被称为实际气体状态方程。下面分析使用两个不同的公式计算对结果造成的影响。范德华状态方程2：（3）其中：P气体的压强，kPa(A)V气体总体积，m3n摩尔量a度量分子间引力的参数b1 摩尔分子本身包含的体积之和，m3R普适气体常数T气体绝对温度，K假设在 t1和 t2两个时间点之间，氢气没有泄漏，它们所在容器的体积不变，温度分别为 T1和 T2，可以分别写出对应的范德华状态方程：根据(4)和(5)可以得出和之间的关系：(6)在氢气发生泄漏的情况下，实际 P2a应该小于P2，这两者之间的差即为泄漏的氢气的分压：(7)与根据理想气体状态方程推导出的泄漏率相比，多了第二项。下面计算第二项在计算泄漏率时可能带来的最大影响。根据发电机内氢气的实际运行工况，T2取最大的温度值：273+48.5321.5 K，T1取最小的温度值：273+46.5319.5 K；即，Vm对应不同压强和温度的 1 摩尔气体体积，在此取压强 401.5 kPa(A)，温度在319.5 K的氢气体积，可估算出Vm结果如下：另 查 表 得：a=0.2432*101.325 kPa(A)*dm6/mol2，计算第二项：因此，第二项所带来的影响可以忽略不计。可以从另一个角度验证以上结论。可以选取两个特殊的 t1和 t2时间点，使它们对应的温度 T1和T2相等。则计算这两个时间点之间的泄漏率时，(7)式中第二项的影响可以忽略。如果 t1对应的压力为Pt1，t2对应的压力为 Pt2，则压降速率为(8)在压力变化范围很小的情况下，泄漏率应该基本保持不变。所以根据该泄漏率，可以计算出任何一个时间点 t 对应的压力：(9)该压力是对应于 T1温度时的压力。而时间点 t的实际温度为 Tt，根据理想气体状态方程，可以得出实际压力 Pta和 Pt之间应存在如下关系式（10）：(10)图 2 是选取 2#机组满足首、尾温度相等条件的一段数据，根据上式计算出的理想压力与实际压力的对照曲线，两者趋势符合的很好；同时也可以看出，实际的压力变化不够灵敏，在温度变化时有停滞现象。图 2 理想压力与实际压力的对照曲线RTbnVVanp=|-|+228因此，在现场实际工况下，使用标准气体方程计算氢气的泄漏率准确度可以达到要求，公式是适用的。1.3 温度的影响将方家山电厂的实际参数代入公式(1)3，V=135 m3，t1和 t2是时间，单位是小时。结果为：=(11)计算温度偏差对泄漏率的影响：(12)(13)以(13)为例，压力 P2+B2的取值范围为 400390kPa(A)，为方便计算，取 400 kPa(A)，T2仍然取