CSNS氢循环真空系统的安全设计方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院高能物理研究所东莞分部 作者:何崇超

  因为氢具有易燃、易爆的危险特性,CSNS氢循环的真空系统设计,不仅要满足真空性能方面的要求,还需要采取一系列氢安全的防护措施,即氢安全设计方法,以保障真空系统的安全运行。首先,简要介绍了中国散裂中子源氢循环系统的原理及氢循环真空系统的组成,然后针对氢的危险特性及氢安全的相关知识,从氢安全设计的角度出发,详细介绍了爆炸性环境的分区及真空系统的安全设计方法。

  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2.0×1016 n/(cm2⋅ s),脉冲重复频率为25 Hz。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。

  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,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对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,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。

氢循环系统流程图

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

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

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。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。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,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5×10-3 Pa。因此,在系统运行初始阶段,当以上各出的真空度均达到5×10-3 Pa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5×10-2 Pa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。

氢循环真空系统的流程简图

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。

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