浅谈三门核电氢气升压站的结构原理与维护保养

郭晓平　刘玉梅

摘 要：高压氢气作为冷却和除氧介质在核电站应用较为广泛。文章以三门核电氢气升压站作为研究对象，简要描述了氢气升压站的相关设计参数与结构原理。根据设备特点，从安全和工艺两个方面总结了氢气升压站维修保养的相关注意事项。

关键词：三门核电；氢气升压站；结构原理；维护保养

1 概述

三门核电氢气系统是电站独立的氢气供应系统，为设备的冷却、系统除氧提供不同压力的较为纯净氢气，包括低压氢气子系统和高压氢气子系统。其中，低压氢气子系统为除盐水运输和储存系统（DWS）的催化除氧单元CORS提供除氧用的低压氢气，为发电机氢气和二氧化碳系统（HCS）提供冷却用的低压氢气；高压氢气子系统为化学和容积系统（CVS）供气，用于主系统除氧。高压氢气子系统主要是由氢气拖车、氢气升压站、氢气汇流排、高压氢气瓶及相关仪表管道组成，核心设备为氢气升压站。

文章分为四个部分。首先对三门核电氢气升压站进行简介，其次从结构原理和维护保养两个方面分别对氢气升压站进行分析，最后部分为结束语。

2 氢气升压站介绍

固定式氢气升压站系统采用1.0～20MPa储气瓶中的氢气作为被压缩介质，压缩空气作为升压泵动力源，将氢气增压至41.4Mpa。氢气升压站系统核心是六台独立氢气专用气动升压泵并联设计，三台平均流量即可达到流量参数的要求，可互为备用，当某个升压泵出现问题，可切换至备用升压泵运行，确保充装工作可靠性。整套装置采用全自动控制系统，由设备运行、氢气安全监控报警、系统自动监视控制等子系统组成。汇流排为高压设计，采用SS316不锈钢材料，设计压力70Mpa。同时可充10个瓶（两组），可同时操作，也可分别操作，增加充装灵活性。设备运行安全可靠并满足中国及国际相关标准法规、规范的要求，符合氢气场合安全需要，具备防静电、无电火花、防爆等安全措施。

3 氢气升压站结构原理

氢气升压站采用HASKEL AGT-32/62型气体升压泵，共六台。该泵为气体驱动，无油润滑，往复活塞式双级气动增压器，型号号码32/62为空气驱动活塞面积与压缩气体活塞面积之比的近似值。空气驱动活塞在设备内置的两个四通气动换向阀（循环阀）控制下往复运动，该阀由空气换向系统交替加压和减压。驱动活塞和增压气体活塞直接相连，压缩气体活塞在无需润滑的条件下往复运动，对压缩介质不会产生任何污染。驱动端排出的空气被用来冷却压缩端缸套和级间管路。

氢气升压站机械系统由驱动空气路、低压进气路、氮气置换路、高压出气路、排放路、增压模块、检测模块、高压汇流排、气瓶测温模块组成。

具体工作原理如下：首先通入输入气体通入驱动空气然后打开外控阀门，泵开始正常工作；驱动气控制活塞向左运动，进行气体的一级压缩；右腔室的驱动空气泄放，驱动气控制活塞向右运动，进行气体的二级压缩。

3.1 驱动空气部分

空气驱动部分包括两个空气驱动活塞组合件、一个循环控制阀、换向阀（一个安装在上端盖，另一个安装在下端盖）、一条驱动气体流通管线（将驱动气体由阀的一个端盖引导至另一个端盖）、一条导向管（连接两个串联的换向阀）。驱动控制阀上既没有弹簧，也没有制动元件，当换向阀交替在活塞内测的大面积端面上加压和泄压时，循环阀就开始往复运动。

3.2 气体增压部分

气体压缩部分不需使用任何润滑剂。气体压缩部分的使用寿命还取决与所提供气体的清洁度，所以在气体入口端配置高精度过滤器（过滤等级为5μ）。如果增压空气或其他湿度较大的气体，初始的露点要足够低，以防止在增压器出口压力下达到饱和状态。当设备使用一段时间后，设备内部的一些微粒会进入到气体输出管线中，所以气体管线末端配置高精度过滤器。

3.3 冷却

气体压缩端的有效冷却方式至关重要，因为设备动态密封件、导向件及静态密封件的工作寿命依赖于适当的操作温度。该升压泵利用驱动端派出的废气冷却压缩端缸套，在往复工作中，驱动气体因膨胀作用明显降温，因此排出的压缩空气是很有效的冷却介质。

理论上，对于大多数气体、当压缩比超过3：1后，压缩过程中温升会超过密封件的许可温度。事实上，当活塞在低速往复运动过程中，气体压缩所产生的热量被冷却的压缩段缸套和其他金属部件散发，使这些元件工作在许用温度范围之内。试验室测定当设备的压缩比介于5：1到10：1之间时，压缩过程中产生的热量最多，温升最高。这就说明在活塞循环速度很高的工况下，采用做功后的驱动空气进行冷却是一种非常有效的方法。

4 氢气升压站维护保养

4.1 安全注意事项

如果操作不当，高压气体会给操作人员带来巨大危险。在设备试压和运行时禁止非运行人员打开柜门；在试压和试运行操作过程中，升压应缓慢，操作人员应保持在便于随时控制驱动气体的闸阀位置，工作人员必须在高压管路2米外观察工作情况，并注意观察压力值时不要正对压力表；绝对禁止在系统有压力的情况下进行维护和维修；禁止在系统未装配完整时进行试运行；故障分析及诊断时，如果需要近距离操作，只能在泄压后进行；操作时必须防止跌落现象发生，否则会损伤或丢失部件。

吹扫程序是用氮气置换管道内的氢气，在此之前要将管道内的高压氢气进行泄放。执行吹扫的目的是为了保证设备的使用寿命，氢气具有氢脆现象，且滞留在管道内的氢气可能会与空气接触，有爆炸风险。吹扫完成后，要关闭氢中氧分析仪，避免探头与空气直接接触，延长使用寿命。在执行设备检修前，务必保证已执行吹扫程序，确保高压氢气浓度氢气爆炸极限。

4.2 检修工艺

作为高压易爆设备，氢气升压站相关维护保养工作需有专业人士执行。在检修过程中不建议更换和换向针长柄配合的“O”型圈密封件，除非发生过量泄漏，因为这需要拆卸气体驱动部分。如果必须更换，那么请注意安装过程中各零件的同轴度。使用换向针作为安装工具，其橡胶面对着定位圈，用一个小榔头轻敲换向针顶部，直至定位圈的四周的脚弯曲。

将循环阀再润滑和组装后，如果驱动循环不正常，则需要进行如下测试以检查哪一个换向针有故障具体测试方法：通入驱动气体，如果下端的换向阀失灵，压力表将指向零。如果上端换向阀失灵，压力表将显示驱动气压力，换向针正确的作用将使压力表在0至驱动压力之间快速升降。当压力值在增长过程中变化缓慢时，说明循环阀一侧的换向针基座存在泄漏。如果压力下降时缓慢，则说明另一侧的换向针基座存在泄漏。根据需要检查和替换零件，还需检查堵头处是否向外漏气。

装配前，仔细研究与设备同时提供的全部技术资料，如有问题应立即停止，向厂家提出技术支持。检测并确认系统工作过程中所承受的驱动介质最大入口压力、压缩介质最大入口压力和出口压力。确保以上所涉及的三项压力值在设备的许用压力范围之内。确保以上所涉及的三项压力值在系统中连接管路、接头、仪表和其他附件的许用压力范围之内。确保系统配置中包括用于过载保护和抗冲击的安全阀或其他保护装置。

5 结束语

对氢气升压站的设计参数及结构原理两方面进行简单分析，突出设备维修保养执行过程中需要执行相关安全措施，同时对设备检修工艺也有较高要求。所以无论是运行还是检修人员一定要严格执行相关规程，确保设备检修质量和检修安全，保证氢气升压站设备安全可靠运行。

参考文献

[1]SMG-MS59-VNM-LS001.三门核电一期工程氢气升压站设备操作维护手册[Z].

[2]GB 51506-2010.加氢站技术规范[S].

[3]氢气升压站设备规范书[S].