电厂氮气供应装置液氮消耗量大原因分析

侯志国

阳江核电有限公司 阳江 529941

摘要：氮气是多数电厂正常运行必不可少的气体介质，用于向有氮覆盖要求的液体储罐提供氮气覆盖层或通过氮气供应为某些储罐加压，同时为某些需要进行氮气保养的设备提供保养用氮气。若由于非正常生产用氮原因导致氮气消耗量过大，对于电厂的经济运行十分不利。本文以一种电厂氮气供应装置为例，系统的对导致液氮消耗量大的原因进行分析。

关键词：消耗量大、液氮供应装置

1氮气供应装置介绍

如下为1号单元机组氮气供应装置系统图，801EV作用就是储存压力为14bar.a的液态氮，为机组提供稳定可靠、高纯度的气源。有效容积为30m³，一般充装液氮（-196C）至20 m³即可。贮罐为双层圆筒形结构，内筒及其配管均用奥氏体不锈钢制造，夹层（宽度约30-40cm）充满珠光砂（珠光砂是一种很好的绝热材料，防止液氮过多的吸热气化），并抽真空，同时设置了经过特殊处理的吸附剂，以延长贮槽的真空寿命。

图1:1号单元机组氮气供应装置系统图

正常供氮回路：801EV液态相(h)→839VZ→817VZ→816VZ→801RE→下游用户。

正常供氮回路是液氮在801RE中吸收空气的热量将液体氮加热为气态氮，供下游用户使用。

自增压回路：801EV液态相（g）→834VZ→804RE→836VZ→830VZ→801EV气态相（c）。

当贮罐中压力低于工作压力（14bar.a）时，增压调节阀836VZ 自动开启，通过804RE吸热将液氮气化，贮罐开始自增压，当贮罐中压力高于等于工作压力时，增压调节阀836VZ 自动关闭，停止自增压。

泄压回路：801EV气态相（c）→830VZ→837VZ→838VZ→801RE→下游用户。

801EV的压力由836VZ/837VZ两个减压阀来共同维持，当836VZ后的压力大于15bar.a时，837VZ会开启并将多余的气体排到用户。压力高至17.6 bar.a时会导致802/832VZ安全阀动作。

2 现象描述

1号单元机组氮气供应装置液氮储罐压力频繁上升到16.6bar.a左右，远高于程序要求的14bar.a，压力升高后达到安全阀818VZ的开启定值（动作定值为15.4bar.a）后，会导致安全阀818VZ一直动作向外喷氮气，致使氮气每天消耗量很大，补氮频繁。

3 原因分析

3.1 1号单元机组与2号单元机组氮气供应装置泄压流程分析

图1与图2为1号单元机组与2号单元机组的正常供氮与泄压回路示意图（图中绿色管线为正常供氮管线，红色管线为泄压管线）：

　　　　　　　　图２: ２号单元机组氮气供应装置系统图

如图1所示，对于1号单元机组供氮装置：

• 泄压管线由液氮贮罐顶部引出，贮罐顶部气空间压力为P₁；

• 正常供氮管线从贮罐底部引出，此处压力为P₂；

• P₂ =P₁+ρgh，ρ为液氮密度。

由公式可知P₂ ＞P₁，即在正常供氮管线与泄压管线的交点A处，正常供氮管线压力始终大于泄压管线压力，在液氮贮罐压力大于15bar.a的情况下， 839VZ需手动关闭，才能使837VZ所在管线气体排放。如不进行该操作，泄压管线无法排出贮罐顶部的氮气泄压，压力继续增大，使正常供氮管线持续向下游管线提供液氮，多余的液氮在空气加热器中气化后通过安全阀818VZ排向大气。

如图2所示，对于2号单元机组供氮装置：

正常供氮管线与泄压管线相交于A点,当贮罐压力大于15bar.a时，泄压管线通过红色管线泄压，由于正常供氮管线与泄压管线在A点处压力相同，因此泄压管线可以将贮罐顶部的氮气直接排到下游用户，达到泄压的目的。

3.2 1号单元机组液氮贮罐频繁超压原因分析

• 原因分析

液氮贮罐频繁超压的原因可能为以下三点：

• 液氮贮罐保温能力不足；

• 自增压回路工作不正常；

• 存在气态裕量反补，经过801RE气化后的气态氮反向进入801EV。

• 试验验证

为验证液氮贮罐频繁超压原因，进行试验，试验方法如下：

首先记录初始压力1.35MPa增长到1.4MPa所需时间T₁ ；然后将834VZ和830VZ关闭，初始压力调至1.35MPa左右，记录压力增长到1.4MPa所需时间T₂，如果T₂大于或等于T₁，可以初步排除自增压回路故障；继续将834VZ和830VZ保持关闭，将839VZ和816VZ 关闭，隔离系统8小时，观察压力变化值并记录，与理论增压值(理论自蒸发0.44%)对比，验证罐体保温能力；最后将834VZ和830VZ打开，继续关闭839VZ和816VZ，维持隔离系统4小时，观察压力变化值并记录，与理论增压值(理论自蒸发0.44%)对比。

• 试验结果分析

实验过程数据记录如下表：

由以上试验数据，分析如下：

• 隔离自增压回路及下游用户时

罐体的压力上升速率与环境温度密切相关：环境温度较高时液氮贮罐压力上升速率快，在12月6日17:40至21:40、12月7日05:40到08:40这两个时间段罐体压力上升速率为0.1bar/h；在12月7日09:40至11:40时间段罐体压力上升速率为0.15bar/h。环境温度较低时液氮贮罐压力上升速率慢，在12月6日21:40至12月7日01:40时间段与01:40至05:40时间段罐体压力上升速率均为0.025bar/h。可以确定贮罐保温能力不足。

• 打开自增压，隔离下游用户时

自增压回路打开后，罐体压力上升速率相比隔离自增压回路时差别较小，甚至略低于自增压回路隔离时的压力上升速率，因此可以确定自增压回路不存在内漏，即自增压回路工作正常。

• 未隔离下游用户时

由以上分析，可以排除自增压回路问题，因此在下游用户没有隔离时，导致自增压回路隔离前后压力上升速率不同的原因有以下两个方面：

罐体保温能力：由试验数据记录的时间段可知，隔离自增压回路前温度较低，而罐体压力上升速率却高于隔离自增压回路之后的压力上升速率，因此可以排除罐体保温能力的影响；

用气量大小影响：现场可观察到隔离自增压回路之前的用气量要远远大于隔离自增压回路之后的用气量，而在用气量大时罐体压力上升速率较大，因此可以确定存在气态裕量反补，即液体在流向汽化器801RE以及在汽化器801RE汽化的过程中，吸收热量，产生气体，汽化器亦产生大量气体，当管道中压力大于罐体气液混合物压力时，气体反向返回罐体。

4 结论

4.1 1号单元机组氮气供应装置泄压回路设计不合理

由于801EV气相泄压回路不能正常工作，如果1号单元机组与2号单元机组液氮储罐801EV由正常工作压力超压上升到相同的压力时，1号单元机组液氮储罐会通过正常供氮管线向下游用户排放液氮的方式泄压，而2号单元机组液氮储罐会通过泄压管线向下游用户排放气态氮的方式泄压。由于密度不同，排放相同体积的液态氮导致的氮消耗量比排放相同体积的气态氮大的多。

4.2 液氮贮罐由于保温能力不足与气态裕量返补问题频繁超压

罐体保温能力不足，内部液氮蒸发量大，导致罐体压力增大。液氮在流向汽化器的管道中以及在汽化器中会产生大量气体，管道中压力大于罐体气液混合物的压力时，有一部分气态氮返回罐体，造成801EV的压力进一步增加。以上两部分气体不断积累，当罐体到达一定压力，罐体压力超过下游汽化器管道的压力，从而停止返补。罐体超压导致下游安全阀动作泄压，造成液氮额外消耗。

5 结束语

综上所述，对于此种电厂氮气供应装置，液氮储罐的保温能力及供氮与泄压管线流程设计方式均会影响到液氮的消耗量，为避免不必要的液氮消耗增加电厂额外费用，应该在装置设计时着重分析。