CSNS氢循环真空系统的安全设计方法研究

何崇超 ，王国平，王雅琼 ，丁美莹 ，何 昆

（1.中国科学院 高能物理研究所东莞分部，广东 东莞 523803；2.东莞中子科学中心，广东 东莞 523808）

0 引言

中国散裂中子源（CSNS）是建设在广东省东莞市的，是由1.6 GeV的高能质子轰击重金属靶而产生强流中子，并利用中子研究物质微观结构和运动的大科学装置。CSNS主要由质子加速器、中子靶站和中子散射谱仪等三大部分组成，其质子束流功率为100 kW，有效脉冲中子通量达2.0×1016n/（cm2⋅s），脉冲重复频率为25 Hz[1]。建成后，CSNS将成为发展中国家的第一台散裂中子源，并将与英国ISIS、美国SNS、日本J-PARC的散裂中子源相并列，成为世界四大主要脉冲散裂中子源科学研究中心之一[2]。

CSNS低温氢循环系统采用低温超临界氢（约1.5 MPa，约20 K）为工质，为靶站慢化器提供慢化中子所必须的制冷能力，并尽量避免低温设备的运行对中子通量稳定性产生影响。氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟、氯、氧、一氧化碳混合均有爆炸的危险。氢燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现。氢虽然无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢含量增高，将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样，直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧，并有可能和空气一起形成爆炸混合物，引发燃烧爆炸事故。因此，对CSNS氢循环的真空系统设计时，需要考虑氢安全方面的设计，以保障真空系统的安全、可靠运行。

1 CSNS低温氢循环系统

CSNS氢循环系统是一个闭式循环，采取强迫流循环冷却的方式。超临界氢在氢循环泵的驱动下，经氢氦换热器放热降温，分别由两条低温氢传输管道进入CM和DM慢化器，在慢化器中吸热升温后回到主路，经加热器、压力缓冲器、循环泵到正仲氢转化反应器，在这里正氢转化成99%的仲氢后，再回到氢氦换热器，完成一个循环。氢循环系统的主要设备包括氢-氦换热器、压力缓冲器、循环泵、正仲氢转化反应器以及低温传输管线等[3]，其中换热器、加热器、循环泵和正仲氢转化器都放置于密闭的氢循环冷箱中，压力缓冲器为便于维修和更换，单独放置在压力缓冲器冷箱中，如图1所示。低温系统的平均工作温度为20 K，如果不采取真空隔热措施，相对于300 K大气环境的漏热太大，难以保证系统的正常运行。因此为减少低温系统的漏热，需要设计相应的真空系统，以保障氢循环系统在低温状态下持续、可靠地运行。

图1 氢循环系统流程图

2 CSNS氢循环真空系统

CSNS氢循环系统的真空系统包含氢循环冷箱真空系统、压力缓冲器冷箱真空系统、低温传输管线的真空系统及管道置换真空等。氢循环冷箱和压力缓冲器冷箱均为圆柱形筒体结构，两条低温氢传输管线均为双通道管线，隔热真空层内为并列的两条氢管道，一来一回。表1给出了各部分真空室的尺寸及相关技术要求。

表1 各真空室的尺寸及真空度、漏率要求

根据以上各部分真空室的尺寸及真空度要求，计算出真空室的容积、内表面积，结合容器内设备的材料及表面积，计算出真空室的总放气量。再根据真空设计手册的选配、配泵方法，计算出所选真空泵的抽速。最终选择涡轮分子泵作为主泵，机械泵为前级泵。具体技术参数如表2列。重点介绍真空系统的氢安全设计方法，因此，对于真空泵的选择及计算过程不在此详述。

表2 各真空室的真空泵技术参数表

3 真空系统的氢安全设计方法

3.1 氢气的危险特性

氢气的燃点为560℃，温度组别为T1，气体类别为矿井外ⅡC类气体。氢气与空气混合的燃烧极限为4%~74.2%，爆炸极限为18.3%~59%，氢的最大安全间隙为0.5 mm，最小引爆火花能量为0.019 mJ[4]。氢气燃烧需要满足两个条件：（1）氢气和氧气（或空气）形成爆炸性气体环境；（2）有点火源（点火能量>0.019 mJ）的存在。

3.2 环境分区

爆炸性气体环境根据爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间，危险性由强到弱依次分为0区、1区和2区三种区域。0区是指连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境；1区指在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境；2区指在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境[5]。在现实生产中，0区环境是极个别的，大多数情况属于1区、2区环境。而在进行氢安全设计时，应采取合理措施尽量避免0区的出现，减少1区的存在。

CSNS氢循环真空系统均位于靶站大厅三层平台上的氢设备间内，因为采取了一系列的氢安全措施[6]，氢设备间内属于ⅡC类，2区的爆炸性环境。因此，真空系统相应的可能引起点火的电气设备（机械泵、真空规、阀门等）均应采用满足ⅡC类，2区环境的防爆设备。机械泵的环境分区，需要从外部环境和内部环境两方面来考虑。（1）外部环境的分区，不管是作为分子泵的前级泵，还是单独的管路置换泵，均位于氢设备间内，因此均为ⅡC类，2区环境，相当于欧洲ATEX标准中的IIC、Cat3。选择欧洲的泵（莱宝、浦发、爱德华等）时应满足ATEX标准的IIC、Cat3；（2）内部环境的选择上，机械泵如果作为分子泵的前级泵，不管是氢循环冷箱的分子泵组，还是低温氢管道的分子泵组，抽的普通空气，在正常情况下不可能出现爆炸性混合气体，因此应该为ⅡC类，2区环境。对于氢管路置换用的机械泵，需要分两种情况考虑：（1）系统运行之前，往系统内充入氢气。如果直接用氢置换空气，必然会出现氢气与空气的混合物，此时机械泵内为IIC类，0区环境；（2）系统停机后将氢排出系统，如果抽完真空后直接放入空气，也会在某些局部或死角出现氢气与空气的混合物，此时机械泵内为IIC类，1区环境。在进行氢安全设计，会采取措施避免以上两种情况的出现。一般使用符合安全要求的惰性气体（其氧气体积分数不得超过3%），在充入氢气之前先用惰性气体置换三次，每次抽真空至10 Pa以下。在系统停机后，也是先用惰性气体置换三次，每次抽真空至10 Pa以下，然后再充入惰性气体至大气压以上进行保压，直到下次系统重新开机。

3.3 具体的设计方法

低温系统正常运行时，氢冷箱、压力缓冲器冷箱及低温氢传输管线的隔热真空必须好于5×10-3Pa。因此，在系统运行初始阶段，当以上各出的真空度均达到5×10-3Pa时，真空系统发出真空OK信号。真空系统配置了四级质谱仪（RGA），用于监测真空层中的气体分子含量。如果发现氢分子含量迅速升高，并伴随真空度的下降，将向系统PLC发出报警信号，值班人员将根据真空度的变化进行相应的操作。如果真空度能够维持系统正常运行的范围内，则不需要进行操作。如果真空继续变差，真空度上升到5×10-2Pa时，系统自动关闭RGA。真空度上升到0.1 Pa时，这时PLC将会联锁关闭真空机组前的插板阀及真空设备电源，同时撤销真空OK信号。此时值班人员将进行停机操作，通过紧急排氢模式将系统内的氢排到大气。

真空系统的排气不能直接排向房间内，特别是对于抽氢的机械泵，泵的出口通过带止回阀的管道连接到专门的氢排放系统中，避免置换的氢与大气形成爆炸性混合物；对于隔热真空的分子泵机组，前级泵的出口也不直接排至房间内，而是通过管道排至屋顶大气，避免隔热真空层意外破裂时，阀门未及时关闭，泄漏的氢通过真空系统直接进入到氢设备间内。此外，还可以在真空系统的出口设置氮气气囊，向排气中混入氮气，以降低出现氢与空气混合物的可能性。低温氢传输管道的真空层内设计了氦气充入口，可以在非常紧急的情况下（如氢管道破裂，氢大量泄漏）向真空层充入氦气，不仅可以通过加大漏热来加速氢的排放，还可以稀释氢的浓度，降低氢与空气混合发生爆炸的可能性，如图2所示。

此外，需要对真空系统内的每一个设备及仪表都进行点火源分析，以评估所有点火源的潜在风险，排除点火源存在的可能性。真空泵的潜在点火源主要有热表面、火焰和热气、机械火花的形成、静电放电、压缩热、化学反应。因此，通过防爆认证的真空泵，根据危险区域的级别不同一般会采取相应的安全设计，以确保真空泵不会成为潜在的点火源。常用的安全设计有：（1）在泵的吸气口和压缩出口进行温度监控；（2）泵油的压力监控；（3）泵的进口和出口设置阻火器（一般用于内部0区）；（4）经过爆炸实验的外壳；（5）采用防爆电机。

图2氢循环真空系统的流程简图

4 总结

真空系统的正常运行是低温氢循环系统能在20 K的低温下正常、稳定运行的重要前提，关系到慢化器内中子的慢化、冷却性能。氢安全的设计不仅关系到氢循环系统的可靠、稳定运行，还关系到运行过程中的设备和人员的安全。因此，针对氢的危险特性，在氢循环真空系统的设计中，考虑氢安全的设计非常有必要。

[1]张杰.中国散裂中子源（CSNS）——多学科应用的大科学平台[J].中国科学院院刊，2006，21（5）：415-417.

[2]韦杰.中国散裂中子源介绍[J].现代物理知识，2007，19（6）：22-29.

[3]王国平，肖剑，何昆，等.散裂中子源低温系统的概念设计[J].低温工程.2009（5）：27-30.

[4]国家质量技术监督局.GB50058.爆炸和火灾危险危险环境电力装置设计规范[S].1992.

[5]国家质量技术监督局.GB3836.14-2000.爆炸性气体环境用电气设备第14部分：危险场所分类[S].中国石化北京设计院，2000.

[6]何崇超，何昆,王国平，等.中国散裂中子源低温系统的氢安全方案设计[J].低温工程，2010（6）：1-6.