CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)方法研究
因?yàn)闅渚哂幸兹�、易爆的危險(xiǎn)特性，CSNS氫循環(huán)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅要滿足真空性能方面的要求，還需要采取一系列氫安全的防護(hù)措施，即氫安全設(shè)計(jì)方法，以保障真空系統(tǒng)的安全運(yùn)行。首先，簡(jiǎn)要介紹了中國(guó)散裂中子源氫循環(huán)系統(tǒng)的原理及氫循環(huán)真空系統(tǒng)的組成，然后針對(duì)氫的危險(xiǎn)特性及氫安全的相關(guān)知識(shí)，從氫安全設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了爆炸性環(huán)境的分區(qū)及真空系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)方法。
引言
中國(guó)散裂中子源(CSNS)是建設(shè)在廣東省東莞市的，是由1.6 GeV的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生強(qiáng)流中子，并利用中子研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的大科學(xué)裝置。CSNS主要由質(zhì)子加速器、中子靶站和中子散射譜儀等三大部分組成，其質(zhì)子束流功率為100 kW，有效脈沖中子通量達(dá)2.0×1016 n/(cm2⋅ s)，脈沖重復(fù)頻率為25 Hz。建成后，CSNS將成為發(fā)展中國(guó)家的第一臺(tái)散裂中子源，并將與英國(guó)ISIS、美國(guó)SNS、日本J-PARC的散裂中子源相并列，成為世界四大主要脈沖散裂中子源科學(xué)研究中心之一。
CSNS 低溫氫循環(huán)系統(tǒng)采用低溫超臨界氫(約1.5 MPa，約20 K)為工質(zhì)，為靶站慢化器提供慢化中子所必須的制冷能力，并盡量避免低溫設(shè)備的運(yùn)行對(duì)中子通量穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。氫氣是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳混合均有爆炸的危險(xiǎn)。氫燃燒時(shí)火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現(xiàn)。氫雖然無(wú)毒，在生理上對(duì)人體是惰性的，但若空氣中氫含量增高，將引起缺氧性窒息。與所有低溫液體一樣，直接接觸液氫將引起凍傷。液氫外溢并突然大面積蒸發(fā)還會(huì)造成環(huán)境缺氧，并有可能和空氣一起形成爆炸混合物，引發(fā)燃燒爆炸事故。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為對(duì)CSNS氫循環(huán)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮氫安全方面的設(shè)計(jì)，以保障真空系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。
1、CSNS低溫氫循環(huán)系統(tǒng)
CSNS氫循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)閉式循環(huán)，采取強(qiáng)迫流循環(huán)冷卻的方式。超臨界氫在氫循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)氫氦換熱器放熱降溫，分別由兩條低溫氫傳輸管道進(jìn)入CM和DM慢化器，在慢化器中吸熱升溫后回到主路，經(jīng)加熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵到正仲氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，在這里正氫轉(zhuǎn)化成99%的仲氫后，再回到氫氦換熱器，完成一個(gè)循環(huán)。氫循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵、正仲氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)器以及低溫傳輸管線等，其中換熱器、加熱器、循環(huán)泵和正仲氫轉(zhuǎn)化器都放置于密閉的氫循環(huán)冷箱中，壓力緩沖器為便于維修和更換，單獨(dú)放置在壓力緩沖器冷箱中，如圖1所示。低溫系統(tǒng)的平均工作溫度為20 K，如果不采取真空隔熱措施，相對(duì)于300 K大氣環(huán)境的漏熱太大，難以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此為減少低溫系統(tǒng)的漏熱，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的真空系統(tǒng)，以保障氫循環(huán)系統(tǒng)在低溫狀態(tài)下持續(xù)、可靠地運(yùn)行。
圖1 氫循環(huán)系統(tǒng)流程圖
2、CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)
CSNS氫循環(huán)系統(tǒng)的真空系統(tǒng)包含氫循環(huán)冷箱真空系統(tǒng)、壓力緩沖器冷箱真空系統(tǒng)、低溫傳輸管線的真空系統(tǒng)及管道置換真空等。氫循環(huán)冷箱和壓力緩沖器冷箱均為圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，兩條低溫氫傳輸管線均為雙通道管線，隔熱真空層內(nèi)為并列的兩條氫管道，一來(lái)一回。表1給出了各部分真空室的尺寸及相關(guān)技術(shù)要求。
表1 各真空室的尺寸及真空度、漏率要求
根據(jù)以上各部分真空室的尺寸及真空度要求，計(jì)算出真空室的容積、內(nèi)表面積，結(jié)合容器內(nèi)設(shè)備的材料及表面積，計(jì)算出真空室的總放氣量。再根據(jù)真空設(shè)計(jì)手冊(cè)的選配、配泵方法，計(jì)算出所選真空泵的抽速。最終選擇渦輪分子泵作為主泵，機(jī)械泵為前級(jí)泵。具體技術(shù)參數(shù)如表2列。重點(diǎn)介紹真空系統(tǒng)的氫安全設(shè)計(jì)方法，因此，對(duì)于真空泵的選擇及計(jì)算過(guò)程不在此詳述。
表2 各真空室的真空泵技術(shù)參數(shù)表
3、真空系統(tǒng)的氫安全設(shè)計(jì)方法
3.1、氫氣的危險(xiǎn)特性
氫氣的燃點(diǎn)為560 ℃，溫度組別為T1，氣體類別為礦井外ⅡC類氣體。氫氣與空氣混合的燃燒極限為4%~74.2%，爆炸極限為18.3%~59%，氫的最大安全間隙為0.5 mm，最小引爆火花能量為0.019 mJ。氫氣燃燒需要滿足兩個(gè)條件：(1)氫氣和氧氣(或空氣)形成爆炸性氣體環(huán)境；(2)有點(diǎn)火源(點(diǎn)火能量>0.019 mJ)的存在。
3.2、環(huán)境分區(qū)
爆炸性氣體環(huán)境根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間，危險(xiǎn)性由強(qiáng)到弱依次分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)三種區(qū)域。0區(qū)是指連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)指在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)指在正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，0區(qū)環(huán)境是極個(gè)別的，大多數(shù)情況屬于1區(qū)、2區(qū)環(huán)境。而在進(jìn)行氫安全設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取合理措施盡量避免0區(qū)的出現(xiàn)，減少1區(qū)的存在。
CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)均位于靶站大廳三層平臺(tái)上的氫設(shè)備間內(nèi)，因?yàn)椴扇×艘幌盗械臍浒踩胧�，氫設(shè)備間內(nèi)屬于ⅡC類，2區(qū)的爆炸性環(huán)境。因此，真空系統(tǒng)相應(yīng)的可能引起點(diǎn)火的電氣設(shè)備(機(jī)械泵、真空規(guī)、閥門等)均應(yīng)采用滿足ⅡC類，2區(qū)環(huán)境的防爆設(shè)備。機(jī)械泵的環(huán)境分區(qū)，需要從外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境兩方面來(lái)考慮。
(1)外部環(huán)境的分區(qū)，不管是作為分子泵的前級(jí)泵，還是單獨(dú)的管路置換泵，均位于氫設(shè)備間內(nèi)，因此均為ⅡC類，2區(qū)環(huán)境，相當(dāng)于歐洲ATEX 標(biāo)準(zhǔn)中的IIC、Cat3。選擇歐洲的泵(萊寶、浦發(fā)、愛(ài)德華等)時(shí)應(yīng)滿足ATEX標(biāo)準(zhǔn)的IIC、Cat3；
(2)內(nèi)部環(huán)境的選擇上，機(jī)械泵如果作為分子泵的前級(jí)泵，不管是氫循環(huán)冷箱的分子泵組，還是低溫氫管道的分子泵組，抽的普通空氣，在正常情況下不可能出現(xiàn)爆炸性混合氣體，因此應(yīng)該為ⅡC類，2區(qū)環(huán)境。
對(duì)于氫管路置換用的機(jī)械泵，需要分兩種情況考慮：
(1)系統(tǒng)運(yùn)行之前，往系統(tǒng)內(nèi)充入氫氣。如果直接用氫置換空氣，必然會(huì)出現(xiàn)氫氣與空氣的混合物，此時(shí)機(jī)械泵內(nèi)為IIC類，0區(qū)環(huán)境；
(2)系統(tǒng)停機(jī)后將氫排出系統(tǒng)，如果抽完真空后直接放入空氣，也會(huì)在某些局部或死角出現(xiàn)氫氣與空氣的混合物，此時(shí)機(jī)械泵內(nèi)為IIC類，1區(qū)環(huán)境。
在進(jìn)行氫安全設(shè)計(jì)，會(huì)采取措施避免以上兩種情況的出現(xiàn)。一般使用符合安全要求的惰性氣體(其氧氣體積分?jǐn)?shù)不得超過(guò)3%)，在充入氫氣之前先用惰性氣體置換三次，每次抽真空至10 Pa以下。在系統(tǒng)停機(jī)后，也是先用惰性氣體置換三次，每次抽真空至10 Pa以下，然后再充入惰性氣體至大氣壓以上進(jìn)行保壓，直到下次系統(tǒng)重新開(kāi)機(jī)。
3.3、具體的設(shè)計(jì)方法
低溫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，氫冷箱、壓力緩沖器冷箱及低溫氫傳輸管線的隔熱真空必須好于5×10-3 Pa。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，當(dāng)以上各出的真空度均達(dá)到5×10-3 Pa時(shí)，真空系統(tǒng)發(fā)出真空OK信號(hào)。真空系統(tǒng)配置了四級(jí)質(zhì)譜儀(RGA)，用于監(jiān)測(cè)真空層中的氣體分子含量。如果發(fā)現(xiàn)氫分子含量迅速升高，并伴隨真空度的下降，將向系統(tǒng)PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)，值班人員將根據(jù)真空度的變化進(jìn)行相應(yīng)的操作。如果真空度能夠維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的范圍內(nèi)，則不需要進(jìn)行操作。如果真空繼續(xù)變差，真空度上升到5×10-2 Pa時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉RGA。真空度上升到0.1 Pa時(shí)，這時(shí)PLC將會(huì)聯(lián)鎖關(guān)閉真空機(jī)組前的插板閥及真空設(shè)備電源，同時(shí)撤銷真空OK信號(hào)。此時(shí)值班人員將進(jìn)行停機(jī)操作，通過(guò)緊急排氫模式將系統(tǒng)內(nèi)的氫排到大氣。
真空系統(tǒng)的排氣不能直接排向房間內(nèi)，特別是對(duì)于抽氫的機(jī)械泵，泵的出口通過(guò)帶止回閥的管道連接到專門的氫排放系統(tǒng)中，避免置換的氫與大氣形成爆炸性混合物；對(duì)于隔熱真空的分子泵機(jī)組，前級(jí)泵的出口也不直接排至房間內(nèi)，而是通過(guò)管道排至屋頂大氣，避免隔熱真空層意外破裂時(shí)，閥門未及時(shí)關(guān)閉，泄漏的氫通過(guò)真空系統(tǒng)直接進(jìn)入到氫設(shè)備間內(nèi)。此外，還可以在真空系統(tǒng)的出口設(shè)置氮?dú)鈿饽�，向排氣中混入氮�(dú)�，以降低出現(xiàn)氫與空氣混合物的可能性。低溫氫傳輸管道的真空層內(nèi)設(shè)計(jì)了氦氣充入口，可以在非常緊急的情況下(如氫管道破裂，氫大量泄漏)向真空層充入氦氣，不僅可以通過(guò)加大漏熱來(lái)加速氫的排放，還可以稀釋氫的濃度，降低氫與空氣混合發(fā)生爆炸的可能性，如圖2所示。
此外，需要對(duì)真空系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)設(shè)備及儀表都進(jìn)行點(diǎn)火源分析，以評(píng)估所有點(diǎn)火源的潛在風(fēng)險(xiǎn)，排除點(diǎn)火源存在的可能性。真空泵的潛在點(diǎn)火源主要有熱表面、火焰和熱氣、機(jī)械火花的形成、靜電放電、壓縮熱、化學(xué)反應(yīng)。因此，通過(guò)防爆認(rèn)證的真空泵，根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域的級(jí)別不同一般會(huì)采取相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)，以確保真空泵不會(huì)成為潛在的點(diǎn)火源。常用的安全設(shè)計(jì)有：(1)在泵的吸氣口和壓縮出口進(jìn)行溫度監(jiān)控；(2)泵油的壓力監(jiān)控；(3)泵的進(jìn)口和出口設(shè)置阻火器(一般用于內(nèi)部0區(qū))；(4)經(jīng)過(guò)爆炸實(shí)驗(yàn)的外殼；(5)采用防爆電機(jī)。
圖2 氫循環(huán)真空系統(tǒng)的流程簡(jiǎn)圖
4、總結(jié)
真空系統(tǒng)的正常運(yùn)行是低溫氫循環(huán)系統(tǒng)能在20 K的低溫下正常、穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提，關(guān)系到慢化器內(nèi)中子的慢化、冷卻性能。氫安全的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到氫循環(huán)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，還關(guān)系到運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)備和人員的安全。因此，針對(duì)氫的危險(xiǎn)特性，在氫循環(huán)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮氫安全的設(shè)計(jì)非常有必要。
