1、DOI:10.11991/yykj.202205011网络出版地址:https:/ SPL-H6 型氢冷发电机壳体进行实验。实验结果表明,基于拟合方程不仅能够准确计算单日氢气泄漏量,且相比较于传统计算方式具有更好的稳定性,本文提出的氢气泄漏计算方法能够为氢冷发电机壳体气密性判定提供有效的理论指导。关键词:氢气冷却;氢冷发电机;发电机壳体;气密性测试;气压测试;泄漏测试;理想气体状态方程;方程拟合中图分类号:TK91文献标志码:A文章编号:1009671X(2023)04003107A novel airtightness test method of hydrogen-cooled gener
2、ator shellHEYongyan1,WANGWeihao2,WEIWang21.IndustrialSchoolofShenanCyberSecurity,ShanghaiTechnicalInstituteofElectronics&Information,Shanghai201411,China2.SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,ChinaAbstract:Hydrogenisthewidely-usedcoolinggasforgenerator,howeve
3、r,duetoitsflammableandexplosivenatureofhydrogen,itiscrucialtoensuregoodairtightnessofthehydrogen-cooledgeneratorshell.Currently,thedifferencemethodofidealgasstateequationisusuallyusedtocalculatethehydrogenleakageofthehydrogen-cooledgeneratorshellinasingleday.However,theresultsofcalculationbythismeth
4、odaregreatlyinfluencedbyindividualsamplingpoints,whichleadstounstableresultsinthecalculationofhydrogenleakage.Toaddressthisissue,thisstudyproposesanewmethodforcalculatingthedailyhydrogenleakageofthegeneratorshellbasedonafittingequation.Themethodfirstcollectsthepressureandtemperatureinsidethecontaine
5、r,andusestheidealgasstateequationtocalculatethegasvolume,then fits the equation with time as the independent variable and gas volume as the dependent variable,determiningtheavailabilityoffittingbythegoodness-of-fit.Finally,thedailyleakageofhydrogenisobtainedaccordingtotheslopeofthefittingequationand
6、theempiricalformula.Toverifytheeffectivenessoftheproposedmethod,theSPL-H6hydrogen-cooledgeneratorshellisappliedtoexperiments.Theexperimentalresultsshowthatthemethodbasedonfittingequationcannotonlyaccuratelycalculatethedailyleakageofhydrogen,butalsohasbetterstabilitycomparedwiththetraditionalcalculat
7、ionmethod.Theproposedmethodforcalculationofhydrogenleakageprovidesaneffectivetheoreticalguidanceforthejudgementofairtightnessofhydrogen-cooledgeneratorshell.Keywords:hydrogen-cooled;hydrogen-cooledgenerator;generatorshell;airtightnesstest;pressuretest;leak-test;idealgasequationofstate;equationfittin
8、g福岛核电站事故之后,核电安全问题在全世界引起了广泛关注,多个国家对核电氢冷风险监管提出了更高要求13。因风摩损耗和通风损耗与冷却气体密度成正比,而氢气是已发现气体中密度最小的气体,且氢气具有更高的导热系数与表面散热系数,因此单位体积的氢气比空气具有更高的冷却效率,氢气冷却方式已经成为大型发收稿日期:20220514.网络出版日期:20230511.作者简介:何永艳,女,副教授.通信作者:何永艳,E-mail:.第50卷第4期应用科技Vol.50No.42023年7月AppliedScienceandTechnologyJul.2023电机的首选冷却方式46。但是氢气冷却发电机存在的缺点是氢气
9、泄漏不仅会导致冷却效率变低、机组过热以及机组损坏等潜在风险,而且存在巨大的安全隐患。研究表明,当空气中氢气体积分数为 5%70%时,只要有 0.02mJ 的火源存在,就可发生火灾和爆炸6。然而氢气渗透能力强,氢气泄漏不可避免,因此将氢气泄漏量控制在合理的范围内是保证发电机组正常运行的必要条件,故而氢冷发电机安装前需要对壳体进行严格的气密性测试。在保障安全的前提下,为了测量单日氢气泄漏量,最为常用的测量方式为对压缩空气进行泄漏测试并将根据经验系数将其换算为等效氢气泄漏量78,同时可节约测试成本。刘汉臣等1对氢冷发电机氢气风险管理进行了研究,并利用 MATLAB 建立了氢气可燃性判断计算模型,模型
10、结果表明可通过控制安全壳压力来降低氢爆风险,为技术支持中心制定策略提供参考。赵韵奇等4对氢冷发电机氢气浓度下降原因进行了全面分析,总结氢气浓度下降根本原因,为氢冷发电机漏氢故障排查提供指导。黄霖5将氦气泄漏技术应用在氢冷发电机气密试验中,与常用的拉开粉检测和卤素检测方法进行对比,并进行实验验证,实验结果表明氦气检漏方法具有环保、性能稳定以及检测精度高等优点。郭海6介绍了常用氢冷发电机气密性检测试验方法与气密性评价方式,并介绍了常出现氢气泄漏部位与补救方法。何德兆7对国内外推行的氢气泄漏计算公式、泄漏衡量标准进行详尽的对比,并以秦电二期工程 2 号机组为平台,对机组试运行期间数据进行分析,提出了
11、减少氢气泄漏若干措施。司派友等8对氢冷发电机气密性计算方法进行了研究,不仅考虑到气体在密封油中的溶解量,而且详尽地讨论了气压与温度对试验计算结果的影响,得出氢气空气换算经验值为 3.8。阎保康9根据理想气态方程对国内第一台日本进口 600MW氢冷发电机持续保压 24h,测量多个数据点进行单日氢气泄漏量计算,实验结果表明机组的气密效果达到预定要求。毕纯辉等10将传感技术与自动测控技术相结合,实现数据采集与分析来提高测试设备自动化程度与数据分析效率,并采用美国 GE 公司 390H 型燃气轮发电机进行实验,验证了方案的有效性。Heim 等11提出了一种空气渗透建模和模拟的计算方法,为了验证提出气流
12、网络方法的有效性,开发了渗透试验的模拟模型,并与其他压差校准模型的模拟结果相比较,结果表明现场试验和与采用提出模拟计算方法结果之间的差异不超过 2.5%。之前学者分别对氢冷发电机常见漏氢故障、故障原因、故障修复方案、泄漏判定标准、泄漏计算方式以及气密性测试方法等进行深入研究,且已将自动化测控技术应用于气密性测试过程中。基于之前学者研究基础,本文提出了一种基于拟合方程的氢冷发电机壳体气密性测试方法,并将传感技术与自动化测控技术相结合,实现测试过程自动化、测试结果精确化、重复测试高稳定性,最后通过实验证明了本文所提方法的有效性与稳定性。1气密性测试方案1.1泄漏公式推导气体体积无法直接测量获得,常
13、用方法为测量密封容器内气体温度与压力,根据理想气体状态方程68计算得出:PV=nRT(1)PPaVm3nmolRJ/(molK)TK式中:为气体压力,;为气体体积,;为气体的物质的量,;为普适气体恒量,8.31;为气体温度,。nRC如将近似视作常量,则由式(1)可得:C=P1V1T1=P2V2T2=PmVmTm(2)根据式(2),在已知容积体积、气体压力和气体温度的前提下,可将其换算到给定状态(或标准状态)下气体体积。在不同时刻计算给定状态下气体体积并做差,便可获得气体泄漏量:V=V1V2=C(T1P1T2P2)=P1V1T1(T1P1T2P2)=V1(1P1T2P2T1)(3)Vm3V1m3
14、V2m3P1PaP2PaT1K T2K式中:为给定状态下气体泄漏量,;为试验开始时气体体积,;为试验结束时气体体积,;为试验开始时容器内部压力,;为试验结束时容器内部压力,;为试验开始时容器内部平均温度,;为试验结束时容器内部平均温度,。衡量氢冷发电机气密性标准为单日氢气泄漏量,而式(3)所得泄漏量仅为某时间段内的气体泄漏量,可将其换算为单日气体泄漏量:Vday=V1(1P1T2P2T1)24t(4)32应用科技第50卷th式中为实验开始与试验结束之间时间间隔,。1.2线性拟合方程气体泄漏计算方案根据时序采样点采集的气体温度与压力,由式(2)计算标准状态下压缩气体体积,以时间作为自变量、压缩气
15、体体积为因变量进行线性拟合,得到拟合方程:y=kx+b(5)xh ym3kby式中:为时间,;为气体体积,;为线性拟合方程斜率;为线性拟合方程在 轴的截距。由式(5)中 k 得气体单日气体泄漏量为Vday=24k(6)1.3氢冷发电机气密性测试实验方案设计根据式(3)可知,计算气体泄漏量需要已知容器体积、容器内部压力以及容器内部平均温度。容器体积在进行气密性试验前已经确定;容器内部压力通过气压传感器获得;当容器体积过大时,容器内部温度分布不均,气体成分相同情况下,热气体密度较低处于容器上层,因此容器内部会出现温度分层现象。为了得到容器内部平均温度,应当采集多点温度计算平均温度,在本实验中选取头
16、部与尾部不同高度的 8 个温度测试点,温度测试点如图 1 所示。测温点 1测温点 2测温点 3测温点 4测温点 6测温点 8测温点 5测温点 7地面低温高温图1容器内温度分布及温度采集点选取实验过程分为数据采集、数据处理、结果显示 3 个步骤,气密性测试系统设计方案如图 2 所示。8 个温度传感器接入温度采集仪中,计算机与 温 度 采 集 仪 之 间 通 过 采 用 通 用 接 口 总 线(generalpurposeinterfacebus,GPIB)转通用串行总线(universalserialbus,USB)模块将温度采集仪接入计算机,实现计算机对温度采集仪的控制与温度数据采集。气压采集
17、仪通过气密性接头与容器内部连通,气压仪内部与容器内部形成等压,计算机与气压采集仪之间同样通过采用 GPIB 转USB 模块将气压采集仪接入计算机,实现气压采集。RTD 1-8温度采集仪气压采集仪计算机气管容器内部图2气密性测试方案2氢冷发电机气密性测试方法实验验证2.1实验平台搭建为了验证提出氢冷发电机气体泄漏计算方案的有效性,建立了实验平台。本实验平台搭建实物示意如图 3 所示,在待测密封性壳体内部按照图 1 所 示 布 置 8 个 电 阻 温 度 探 测 仪(resistancetemperaturedetector,RTD),并将 RTD 通过温度采集卡接入温度采集仪;温度采集仪与气压采
18、集仪以 IEEE488 并行总线方式相连接,通过 GPIB 转USB 模块将温度采集仪与气压采集仪接入计算机,计算机通过通讯指令控制采集温度与气压。本试验平台所使用仪器型号如表 1 所示。计算机GPIB/USB82357B(Druck)PACE1000IEEE488(Agilent)34970A+34901ARTD图3气密性测试实验平台第4期何永艳,等:氢冷发电机壳体气密性测试方法研究33上位机基于 LabVIEW2018 进行开发,上位机主要功能为控制温度采集仪与气压采集仪进行数据采集、数据预处理及泄漏计算、泄漏曲线绘制、报表生成等功能。2.2实验数据采集与处理本实验对 SPL-H6 型氢冷
19、发电机壳体进行了气密性实验,其壳内标准容积为 113.83m3、标准测试压力为 551.58kPa、日允许泄漏量为 3.43m3。在氢冷发电机气密试验中,为了降低试验成本与保证试验的安全性,通常用空气代替氢气进行气密性试验,最终根据经验公式将单日空气泄漏量乘以 3.81 换算得到单日氢气泄漏量。实验过程中,以 10min 为间隔对温度和气压进行采集记录,本试验持续 14h,共得到 86 个实验记录点,能够充分验证本文所提方法的有效性,实验数据记录如表 2 所示。表1实验平台仪器型号序号名称品牌型号数量1RTDPT100082温度采集卡Agilent34901A13温度采集仪Agilent349
20、70A14气压采集仪DruckPACE100015IEEE488线Agilent10833B16GPIB/USB线Agilent82357B17计算机研华PPC-617118待测壳体SPL-H61表2氢冷发电机 SPL-H6 型壳体第 1 组气密性实验数据(采样点间隔 10min,持续采样 14h)序号气体压力/kPa平均温度/K气体体积/m3序号气体压力/kPa平均温度/K气体体积/m3序号气体压力/kPa平均温度/K气体体积/m31630.81295.09702.9130628.40294.07702.6759625.76292.93702.442630.73295.06702.89316
21、28.32294.03702.6760625.65292.88702.433630.65295.03702.8832628.25294.00702.6661625.54292.83702.424630.58295.00702.8733628.17293.96702.6662625.44292.78702.425630.50294.97702.8634628.10293.93702.6563625.33292.74702.416630.42294.93702.8635628.01293.90702.6464625.22292.69702.417630.35294.90702.8536627.93
22、293.86702.6365625.11292.64702.408630.27294.87702.8537627.84293.82702.6266625.00292.59702.399630.20294.84702.8438627.76293.79702.6267624.90292.55702.3810630.12294.81702.8339627.68293.75702.6268624.79292.50702.3811630.04294.77702.8240627.59293.71702.6169624.69292.45702.3712629.96294.74702.8041627.5129
23、3.68702.6070624.59292.41702.3713629.88294.71702.8042627.42293.64702.6071624.50292.37702.3614629.80294.67702.7943627.34293.60702.5872624.41292.33702.3615629.72294.64702.7844627.25293.57702.5873624.33292.29702.3516629.65294.61702.7745627.16293.53702.5774624.25292.26702.3517629.58294.58702.7646627.0729
24、3.49702.5675624.19292.23702.3618629.51294.54702.7647626.97293.45702.5476624.13292.20702.3619629.44294.51702.7648626.88293.41702.5377624.07292.17702.3520629.36294.48702.7549626.78293.37702.5278624.02292.15702.3621629.29294.45702.7450626.68293.33702.5179623.98292.13702.3622629.21294.42702.7351626.5929
25、3.28702.5180623.94292.11702.3723629.15294.39702.7352626.49293.24702.5081623.92292.10702.3724628.89294.28702.7153626.39293.20702.4982623.91292.09702.3725628.81294.24702.7054626.29293.16702.4883623.91292.08702.3826628.73294.21702.7055626.19293.11702.4884623.91292.09702.3827628.64294.17702.6956626.0829
26、3.06702.4785623.93292.09702.3928628.56294.14702.6857625.98293.02702.4686623.94292.10702.3829628.48294.10702.6858625.87292.97702.4534应用科技第50卷表 2 中的序号从 1 开始,每采集 1 次温度与压力数据“序号”+1,“气体压力”为上位机发送采集指令给气压采集仪从容器内部压力采集得到,“平均温度”为采集到的 8 个 RTD 温度求取平均值获得,“气体体积”则通过气体压力与平均温度计算得到,计算得出的气体体积为常温常压情况下气体体积,温度取 20,可换算为 293
27、K,气压取 101.429kPa。由式(2)可得:Vnorm=TnormPnormPetstVtestTtst=293101.429113.83PtestTtest2.889113.83PtestTtest(7)式中:Pnorm为标准气体压力,101.429kPa;Vnorm为常温常压状态下气体体积,m3;Tnormt为常温状态容器内部气体温度,293K;Ptest为实测气体压力,Pa;Vtest为实测数据计算气体体积,m3;Ttest为实测容器内部气体温度,K。第2 种气体体积计算方式需要首先根据式(3)计算出基于基础气体体积的气体泄漏量,之后采用基础气体体积减去气体泄漏量即为最新的气体体积
28、,经过验证,采用第 2 种气体体积计算方式所得计算结果与采用式(7)计算所得计算结果完全一致,2 种方法均可用于计算气体泄漏量。需要特别注意的是,首次气体体积计算必须采用式(7)进行,之后才可使用式(3)依次计算泄漏后剩余气体体积,本文采用式(7)计算气体体积,所得气体体积如表 2 所示。2.3单日氢气泄漏公式推导V1=Vnorm将式(7)代入式(4),即令,可得到容器的单日气体泄漏量:Vday=24t(1P1T2P2T1)2.889113.83P1T1(8)将空气泄漏量乘以经验系数 3.81 即可等价于氢气泄漏量。则通过式(6)与式(8)可得等价单日氢气泄漏量分别为Vsubday=3.812
29、4t(1P1T2P2T1)2.889113.83P1T1(9)Vslpday=243.81k(10)Vsubday式中:为根据时间段内气体体积差值计算所得Vslpday单日氢气泄漏量,为根据拟合方程所得单日氢气泄漏量。3实验结果分析与讨论根据表 2 数据绘制气体体积随时间变化与线性拟合曲线如图 4 所示。0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415702.3702.4702.5702.6702.7702.8702.9703.0体积/m3时间/h气体体积线性拟合y=702.8830.041 7xR2=0.976图4SPL-H6 型氢冷发电机壳体泄漏曲线与线性拟合由图 4 可以
30、看出,随着时间的推移,气体体积不断缩小,表明所测试 SPL-H6 型氢冷发电机壳体存在气体泄漏。开始测试的前 12h 内,气体匀速泄漏;第 12h 后数据出现异常情况,气体体积开始增加,这不符合实际情况,不可以将第 12h 后的测试数据用于泄漏计算。导致气体体积计算异常的原因是多种的,比如压缩氢气泄漏入被测容器、RTD 损坏、环境温度变化较快、频繁打开测试室大门等。气密性实验至少采用连续 4h 的数据进行泄漏计算才符合测试要求,为了进一步验证本文所提出的气体泄漏计算方法有效性,分别绘制与拟合了 04、38、812、1014h 这 4 个时间段的气体泄漏测试曲线图,如图 5 所示。图 5中(a)
31、(d)分别采用 24 个采样点绘制气体泄漏情况,并分别进行线性拟合,同时计算拟合直线的拟合优度 R2值。R2取值范围为(0,1),当 R2越接近 1 则表示拟合曲线与散点之间的拟合程度越好,越接近 0 则表示拟合曲线与散点之间的拟合程度越差,理想状态 R2值为 1。在氢冷发电机气密性实验中,当单日氢气允许泄漏量大于 1.416m3时要求 R2大于 0.7;当单日氢气允许泄漏量小于1.416m3时 要 求 R2大 于 0.5 即 可。图 5 中(a)(c)这 3 种状况下线性拟合优度均为 0.99,线性拟合度极好,图 5(d)中线性拟合优度仅为 0.532,此次拟合是不成功的,不能够将计算结果用
32、于衡量氢冷发电机壳体气密性。对图 5 中所表示的 4 种状况分别用式(9)与式(10)计算其等效单日氢气泄漏量,如表 3 所示。第4期何永艳,等:氢冷发电机壳体气密性测试方法研究35如表 3 所示,在 04、38、812、1014h 这4 个时间段内,根据式(9)计算的等效单日氢气泄漏 量 分 别 为 4.54、5.231、3.951、1.159m3,根 据式(10)计算的等效单日氢气泄漏量分别 4.366、3.933、4.058、1.012m3。由表 3 可知,在 1014h 所得的线性拟合优度为 0.532,拟合是无效的,通过式(9)计算单日氢气泄漏量则无法发现此问题,必然造成氢冷发电机壳
33、体气密性质量误判;通过本文所提拟合方程计算单日氢气泄漏量则可通过拟合优度 R2发现此段时间内数据是无效的。通过式(9)进行计算的单日氢气泄漏量易受单个采样点影响从而产生较大误差,采用本文所提出的拟合方程计算方法则综合考虑实验时间段内每个采样点,因此具有更好的稳定性。如在表 3 中,在04、38、812h 这 3 个时间段内按照式(9)计算的等效单日氢气泄漏量波动幅度为 3.9515.231m3,而通过本文提出的拟合方程所得单日氢气泄漏量波动幅度为 3.9334.366m3,表明本文提出的单日氢气泄漏计算方式不仅能够有效判断采集数据是否合格,而且计算结果相较于传统的计算方式具有更好的稳定性。本次
34、实验测试的氢冷发电机壳体单日氢气允许泄漏量为 3.426m3,实验结果表明,本壳体气密性不合格。经过修复后再次测试,测试时间持续6h,共得到 36 个实验记录点,所得测试数据如表 4所示。01234702.72701.68702.76702.80702.84702.88702.92体积/m3时间/h时间/h时间/h时间/hy=702.9050.047 7xR2=0.99345678702.50702.55702.60702.65702.70702.75702.80体积/m3y=702.890.043xR2=0.9989101112702.36702.32702.40702.44702.4870
35、2.56702.52体积/m3 气体体积 线性拟合y=702.8830.044 4xR2=0.99 气体体积 线性拟合 气体体积 线性拟合 气体体积 线性拟合1011121314702.34702.36702.38702.40702.42702.44体积/m3y=702.5540.014 6xR2=0.532(a)04 h 内气体体积变化曲线(b)38 h 内气体体积变化曲线(c)812 h 内气体体积变化曲线(d)1014 h 内气体体积变化曲线图5SPL-H6 型氢冷发电机壳体多时间段泄漏曲线与线性拟合表3单日氢气泄漏量计算结果时间段/h起止点R2斜率Vsubday/m3Vslpday/m
36、3041240.991.6864.544.3663818480.991.5195.2313.93381248720.991.5673.9514.058101460860.3950.3911.1591.012表4氢冷发电机 SPL-H6 型壳体第 2 组气密性实验数据(采样点间隔 10min,持续采样 6h)序号 气体压力/kPa 平均温度/K 气体体积/m3序号 气体压力/kPa 平均温度/K 气体体积/m3序号 气体压力/kPa 平均温度/K 气体体积/m31624.02292.68701.0713624.82293.06701.0725626.27293.76701.032624.0629
37、2.70701.0714624.92293.10701.0726626.41293.83701.023624.11292.73701.0715625.02293.15701.0727626.56293.89701.024624.17292.75701.0816625.13293.21701.0628626.70293.96701.025624.23292.78701.0817625.24293.26701.0629626.84294.03701.006624.29292.81701.0818625.35293.31701.0630626.99294.10701.027624.36292.847
38、01.0819625.47293.37701.0631627.13294.16701.028624.43292.87701.0820625.59293.43701.0532627.26294.23701.019624.50292.90701.0821625.72293.49701.0533627.40294.29701.0210624.57292.94701.0822625.86293.55701.0534627.53294.36701.0111624.65292.98701.0823626.00293.62701.0435627.67294.42701.0112624.73293.02701
39、.0724626.14293.69701.0436627.80294.48701.0036应用科技第50卷根据表 4 数据绘制气体体积随时间变化与线性拟合曲线如图 6 所示。01234567701.00701.02701.04701.06701.08701.10体积/m3时间/h气体体积线性拟合y=701.0950.0149xR2=0.896图6SPL-H6 型氢冷发电机修复后壳体泄漏曲线与线性拟合如图 6 所示,修复后的容器对采样点 1 与采样点 36 通过式(9)计算等效单日氢气泄漏量为1.624m3,采用本文提出的方法计算出等效单日氢气泄漏量为 1.362m3,且拟合优度为 0.896,
40、具有很高的拟合度,拟合结果可用于衡量氢冷发电机壳体气密性。2 种不同的计算方式所得结果均小于氢冷发电机壳体单日氢气允许泄漏量 3.426m3,表明本次的修复是有效的,修复后的 SPL-H6 型氢冷发电机壳体气密性能够达到单日氢气泄漏量小于 3.426m3的标准。4结论本文提出了一种基于拟合方程的氢冷发电机壳体气密性测试方法,用于计算单日氢气泄漏量。相比传统的单个采样点计算方法,本文提出的方法更加准确;同时通过对拟合方程拟合优度R2值的判断,能够有效地判定采样点的有效性。结论如下:1)本文提出的基于拟合方程的氢冷发电机壳体气密性测试方法可以有效地提高氢气泄漏量计算结果的稳定性。2)本文提出的方法
41、采用拟合方程的方式对采样点整体的有效性进行了判定,从而避免了计算结果受单个采样点影响较大的问题。本文提出的基于拟合方程的氢气泄漏计算方法具有一定的实用价值,能够为氢冷发电机壳体气密性检测提供有效的方法和理论指导,为保障设备安全稳定运行提供有力支撑。参考文献:刘汉臣,孙明军,佟立丽.安全壳冷却对氢气风险管理的影响研究 J.核科学与工程,2019,39(1):106112.1彭程,邓坚.安全壳大空间内氢气分层行为的模型研究 J.核动力工程,2021,42(3):155159.2王迎,李勇,王运生.氢气浓度对氢气燃烧影响的实验研究 J.科技视界,2016(13):1516.3赵韵奇,熊大健.600M
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