氢冷发电机壳体气密性测试方法研究.pdf
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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
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