CSNS氫循環(huán)真空系統的安全設計方法研究
因為氫具有易燃、易爆的危險特性，CSNS氫循環(huán)的真空系統設計，不僅要滿(mǎn)足真空性能方面的要求，還需要采取一系列氫安全的防護措施，即氫安全設計方法，以保障真空系統的安全運行。首先，簡(jiǎn)要介紹了中國散裂中子源氫循環(huán)系統的原理及氫循環(huán)真空系統的組成，然后針對氫的危險特性及氫安全的相關(guān)知識，從氫安全設計的角度出發(fā)，詳細介紹了爆炸性環(huán)境的分區及真空系統的安全設計方法。
引言
中國散裂中子源(CSNS)是建設在廣東省東莞市的，是由1.6 GeV的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生強流中子，并利用中子研究物質(zhì)微觀(guān)結構和運動(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2.0×1016 n/(cm2⋅ s)，脈沖重復頻率為25 Hz。建成后，CSNS將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，并將與英國ISIS、美國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，并盡量避免低溫設備的運行對中子通量穩定性產(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。氫燃燒時(shí)火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現。氫雖然無(wú)毒，在生理上對人體是惰性的，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://likelearn.cn/)認為對CSNS氫循環(huán)的真空系統設計時(shí)，需要考慮氫安全方面的設計，以保障真空系統的安全、可靠運行。
1、CSNS低溫氫循環(huán)系統
CSNS氫循環(huán)系統是一個(gè)閉式循環(huán)，采取強迫流循環(huán)冷卻的方式。超臨界氫在氫循環(huán)泵的驅動(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)泵到正仲氫轉化反應器，在這里正氫轉化成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)系統的主要設備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵、正仲氫轉化反應器以及低溫傳輸管線(xiàn)等，其中換熱器、加熱器、循環(huán)泵和正仲氫轉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，單獨放置在壓力緩沖器冷箱中，如圖1所示。低溫系統的平均工作溫度為20 K，如果不采取真空隔熱措施，相對于300 K大氣環(huán)境的漏熱太大，難以保證系統的正常運行。因此為減少低溫系統的漏熱，需要設計相應的真空系統，以保障氫循環(huán)系統在低溫狀態(tài)下持續、可靠地運行。
圖1 氫循環(huán)系統流程圖
2、CSNS氫循環(huán)真空系統
CSNS氫循環(huán)系統的真空系統包含氫循環(huán)冷箱真空系統、壓力緩沖器冷箱真空系統、低溫傳輸管線(xiàn)的真空系統及管道置換真空等。氫循環(huán)冷箱和壓力緩沖器冷箱均為圓柱形筒體結構，兩條低溫氫傳輸管線(xiàn)均為雙通道管線(xiàn)，隔熱真空層內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
根據以上各部分真空室的尺寸及真空度要求，計算出真空室的容積、內表面積，結合容器內設備的材料及表面積，計算出真空室的總放氣量。再根據真空設計手冊的選配、配泵方法，計算出所選真空泵的抽速。最終選擇渦輪分子泵作為主泵，機械泵為前級泵。具體技術(shù)參數如表2列。重點(diǎn)介紹真空系統的氫安全設計方法，因此，對于真空泵的選擇及計算過(guò)程不在此詳述。
表2 各真空室的真空泵技術(shù)參數表
3、真空系統的氫安全設計方法
3.1、氫氣的危險特性
氫氣的燃點(diǎn)為560 ℃，溫度組別為T(mén)1，氣體類(lèi)別為礦井外ⅡC類(lèi)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(mǎn)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
爆炸性氣體環(huán)境根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時(shí)間，危險性由強到弱依次分為0區、1區和2區三種區域。0區是指連續出現或長(cháng)期出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區指在正常運行時(shí)可能出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區指在正常運行時(shí)不可能出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。在現實(shí)生產(chǎn)中，0區環(huán)境是極個(gè)別的，大多數情況屬于1區、2區環(huán)境。而在進(jìn)行氫安全設計時(shí)，應采取合理措施盡量避免0區的出現，減少1區的存在。
CSNS氫循環(huán)真空系統均位于靶站大廳三層平臺上的氫設備間內，因為采取了一系列的氫安全措施，氫設備間內屬于ⅡC類(lèi)，2區的爆炸性環(huán)境。因此，真空系統相應的可能引起點(diǎn)火的電氣設備(機械泵、真空規、閥門(mén)等)均應采用滿(mǎn)足ⅡC類(lèi)，2區環(huán)境的防爆設備。機械泵的環(huán)境分區，需要從外部環(huán)境和內部環(huán)境兩方面來(lái)考慮。
(1)外部環(huán)境的分區，不管是作為分子泵的前級泵，還是單獨的管路置換泵，均位于氫設備間內，因此均為ⅡC類(lèi)，2區環(huán)境，相當于歐洲ATEX 標準中的IIC、Cat3。選擇歐洲的泵(萊寶、浦發(fā)、愛(ài)德華等)時(shí)應滿(mǎn)足ATEX標準的IIC、Cat3；
(2)內部環(huán)境的選擇上，機械泵如果作為分子泵的前級泵，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爆炸性混合氣體，因此應該為ⅡC類(lèi)，2區環(huán)境。
對于氫管路置換用的機械泵，需要分兩種情況考慮：
(1)系統運行之前，往系統內充入氫氣。如果直接用氫置換空氣，必然會(huì )出現氫氣與空氣的混合物，此時(shí)機械泵內為IIC類(lèi)，0區環(huán)境；
(2)系統停機后將氫排出系統，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氫氣與空氣的混合物，此時(shí)機械泵內為IIC類(lèi)，1區環(huán)境。
在進(jìn)行氫安全設計，會(huì )采取措施避免以上兩種情況的出現。一般使用符合安全要求的惰性氣體(其氧氣體積分數不得超過(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。在系統停機后，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，直到下次系統重新開(kāi)機。
3.3、具體的設計方法
低溫系統正常運行時(shí)，氫冷箱、壓力緩沖器冷箱及低溫氫傳輸管線(xiàn)的隔熱真空必須好于5×10-3 Pa。因此，在系統運行初始階段，當以上各出的真空度均達到5×10-3 Pa時(shí)，真空系統發(fā)出真空OK信號。真空系統配置了四級質(zhì)譜儀(RGA)，用于監測真空層中的氣體分子含量。如果發(fā)現氫分子含量迅速升高，并伴隨真空度的下降，將向系統PLC發(fā)出報警信號，值班人員將根據真空度的變化進(jìn)行相應的操作。如果真空度能夠維持系統正常運行的范圍內，則不需要進(jìn)行操作。如果真空繼續變差，真空度上升到5×10-2 Pa時(shí)，系統自動(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)閉真空機組前的插板閥及真空設備電源，同時(shí)撤銷(xiāo)真空OK信號。此時(shí)值班人員將進(jìn)行停機操作，通過(guò)緊急排氫模式將系統內的氫排到大氣。
真空系統的排氣不能直接排向房間內，特別是對于抽氫的機械泵，泵的出口通過(guò)帶止回閥的管道連接到專(zhuān)門(mén)的氫排放系統中，避免置換的氫與大氣形成爆炸性混合物；對于隔熱真空的分子泵機組，前級泵的出口也不直接排至房間內，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(mén)未及時(shí)關(guān)閉，泄漏的氫通過(guò)真空系統直接進(jìn)入到氫設備間內。此外，還可以在真空系統的出口設置氮氣氣囊，向排氣中混入氮氣，以降低出現氫與空氣混合物的可能性。低溫氫傳輸管道的真空層內設計了氦氣充入口，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，需要對真空系統內的每一個(gè)設備及儀表都進(jìn)行點(diǎn)火源分析，以評估所有點(diǎn)火源的潛在風(fēng)險，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、機械火花的形成、靜電放電、壓縮熱、化學(xué)反應。因此，通過(guò)防爆認證的真空泵，根據危險區域的級別不同一般會(huì )采取相應的安全設計，以確保真空泵不會(huì )成為潛在的點(diǎn)火源。常用的安全設計有：(1)在泵的吸氣口和壓縮出口進(jìn)行溫度監控；(2)泵油的壓力監控；(3)泵的進(jìn)口和出口設置阻火器(一般用于內部0區)；(4)經(jīng)過(guò)爆炸實(shí)驗的外殼；(5)采用防爆電機。
圖2 氫循環(huán)真空系統的流程簡(jiǎn)圖
4、總結
真空系統的正常運行是低溫氫循環(huán)系統能在20 K的低溫下正常、穩定運行的重要前提，關(guān)系到慢化器內中子的慢化、冷卻性能。氫安全的設計不僅關(guān)系到氫循環(huán)系統的可靠、穩定運行，還關(guān)系到運行過(guò)程中的設備和人員的安全。因此，針對氫的危險特性，在氫循環(huán)真空系統的設計中，考慮氫安全的設計非常有必要。
