盧洪坤，胡 軍，鄒曉峰，孫紅軍

（1.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014）

《電業(yè)安全工作規(guī)程》、《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》、《汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》等都對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度有明確的規(guī)定。綜合各規(guī)程的規(guī)定，氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣應(yīng)滿足以下要求：當(dāng)氫氣純度小于96%，或氧氣含量超過(guò)1.2%時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行處理；氫氣純度低于90%時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)（本文中氣體純度均為體積比）。

2010年底進(jìn)行浙江省發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)收集的41臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)的純度統(tǒng)計(jì)如表1所示。其中，8臺(tái)發(fā)電機(jī)的氫氣純度不滿足規(guī)程的要求，最嚴(yán)重的3臺(tái)其純度僅為90%。氫氣純度低的問(wèn)題已嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，急需進(jìn)行分析和治理。

1 保持氫氣高純度的意義

1.1 安全性

空氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，使氫氣純度下降，同時(shí)氧氣含量增加，由于氧氣量不大，正常情況下不會(huì)發(fā)生爆炸，但是發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是發(fā)熱體，當(dāng)達(dá)到一定溫度或發(fā)電機(jī)內(nèi)由于電暈等原因出現(xiàn)電火花時(shí)，氫氣與較低含量的氧氣也有可能發(fā)生燃燒，燃燒后熱量增加從而形成氫爆，嚴(yán)重影響氫冷發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。

表1 氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度統(tǒng)計(jì)

1.2 經(jīng)濟(jì)性

保持氫冷機(jī)組在高氫氣純度下運(yùn)行，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹：1臺(tái)運(yùn)行壓力為0.5 MPa、有功功率為907 MW的氫冷發(fā)電機(jī)，當(dāng)其氫氣純度從98%下降到95%時(shí)，摩擦和通風(fēng)損耗將增加約32%，相當(dāng)于損失685 kW。一般情況下，當(dāng)機(jī)內(nèi)氫氣壓力不變時(shí)，氫氣純度每降低1%，其摩擦和通風(fēng)損耗將增加約11%（摩擦和通風(fēng)損耗約占發(fā)電機(jī)總損耗的20%）。以1臺(tái)有功功率為600MW、效率為98.95%的發(fā)電機(jī)為例，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度每降低1%，其損耗增加約138.6 kW。

因此，保持氫冷發(fā)電機(jī)在較高的氫氣高純度下運(yùn)行，兼具安全和效益兩方面的重要意義。

2 氫氣純度下降的原因探討

2.1 氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)

為防止發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣通過(guò)軸端向外泄漏，在發(fā)電機(jī)的兩端設(shè)置了油密封瓦裝置，裝置主要有單流環(huán)和雙流環(huán)2種結(jié)構(gòu)，省內(nèi)還沒(méi)有三流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)。單流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的油系統(tǒng)為開放式，當(dāng)油與發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣接觸時(shí)，氫氣溶解于密封油中，溶解在油中的氫氣和空氣經(jīng)真空脫氣處理。單流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)整機(jī)漏氫量相對(duì)較大，在未設(shè)置真空脫氣處理或該裝置工作不良時(shí)也會(huì)出現(xiàn)氫氣純度下降較快的問(wèn)題。雙流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的油系統(tǒng)采用氫側(cè)油和空側(cè)油2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的密封系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)的換油較少，一般不設(shè)置真空脫氣裝置，整機(jī)漏氫量相對(duì)較小，但在平衡閥調(diào)節(jié)不理想時(shí)會(huì)出現(xiàn)串油現(xiàn)象，溶有空氣的空側(cè)油混入氫側(cè)油。由于油壓高于氫壓，油中的空氣釋放到發(fā)電機(jī)內(nèi)使氫氣純度下降較快。雙流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)以采用西屋技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)為代表，國(guó)內(nèi)主要包括上海和哈爾濱汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的300 MW和600MW大型氫冷發(fā)電機(jī)。2010年底浙江省內(nèi)氫氣純度不滿足規(guī)程要求的8臺(tái)發(fā)電機(jī)均為雙流環(huán)密封結(jié)構(gòu)。

從雙流環(huán)密封結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的空氣進(jìn)入途徑可以看出：進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣量與發(fā)電機(jī)內(nèi)原有氫氣的純度無(wú)關(guān)，而與回油含空氣量或串油量有關(guān)。發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)（以下均以1天來(lái)考慮）進(jìn)入發(fā)電機(jī)的空氣量應(yīng)為定值，而不是通常理解的每天氫氣純度下降率為定值。隨著機(jī)內(nèi)氫氣純度的下降，每天的氫氣純度下降率會(huì)減小，并將最終穩(wěn)定。

2.2 發(fā)電機(jī)氣體平衡模型

如圖1所示，把發(fā)電機(jī)看作1個(gè)容器，1天內(nèi)該容器內(nèi)增加的氣體包括補(bǔ)入的氫氣V1（理想地認(rèn)為其純度為100%）和通過(guò)密封油釋放到發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣V2，容器內(nèi)減少的氣體為發(fā)電機(jī)整機(jī)泄漏量V3和人為排污排出的混合氣體V4，可以通過(guò)該模型用迭代方法理論計(jì)算運(yùn)行中和排、補(bǔ)氫過(guò)程中發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度變化的過(guò)程。

圖1 發(fā)電機(jī)氣體平衡模型

2.3 發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度下降的機(jī)理

發(fā)電機(jī)運(yùn)行1天進(jìn)入的空氣量為V2，同時(shí)排出混合氣體V3＋V4，若排出的混合氣體中含有的空氣小于進(jìn)入的空氣V2，多余的空氣殘留在發(fā)電機(jī)內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度降低。以1臺(tái)上海電機(jī)廠生產(chǎn)的300 MW發(fā)電機(jī)為例，容積68.8 m3，額定氫壓 0.31 MPa，假設(shè)漏進(jìn)空氣 V2為0.45 m3/d，整機(jī)漏氫量V3為5 m3/d，每天補(bǔ)氣至額定壓力，不進(jìn)行排氣，通過(guò)計(jì)算得到該發(fā)電機(jī)投運(yùn)后的氫氣純度下降過(guò)程如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度下降過(guò)程

每天進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣量V2越小、整機(jī)漏氫量V3小或不進(jìn)行人為排出混合氣體V4，當(dāng)滿足排出的混合氣體中含有的空氣量小于進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣量時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣純度就會(huì)持續(xù)下降。與單流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)相比，雙流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)在串油的情況下V2較大，加上整機(jī)漏氫量V3較小，若不進(jìn)行人為排氫，就容易出現(xiàn)氫氣純度低的問(wèn)題。

綜上所述，對(duì)于部分機(jī)組，單純補(bǔ)氫保持氫壓并不能保證氫氣純度。

2.4 運(yùn)行管理的誤區(qū)

由于在發(fā)電機(jī)廠家提供的說(shuō)明書中一般只要求氫氣純度大于95%，所以部分電廠運(yùn)行時(shí)按大于95%進(jìn)行控制。而安全規(guī)程及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求高于制造廠說(shuō)明書，因此應(yīng)按照安全規(guī)程的要求進(jìn)行控制。

部分電廠懷疑氫氣濃度在線檢測(cè)儀不準(zhǔn)而未及時(shí)控制氫氣純度。用同一臺(tái)便攜式氫氣濃度檢測(cè)儀檢測(cè)3個(gè)電廠的12臺(tái)發(fā)電機(jī)氫氣濃度，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在線儀表與便攜儀的濃度偏差均在0.5%以內(nèi)，說(shuō)明氫氣濃度在線檢測(cè)儀的測(cè)量值還是比較可信的，不應(yīng)輕易懷疑其準(zhǔn)確度。

進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣量V2較大，且漏氣量V3較小，運(yùn)行中因?qū)σ?guī)程的理解偏差及懷疑氫氣濃度檢測(cè)儀的準(zhǔn)確度等原因，未及時(shí)排補(bǔ)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣，這就是省內(nèi)部分發(fā)電機(jī)氫氣純度較低仍長(zhǎng)期運(yùn)行的原因。

3 提高和保持氫氣純度的方法

3.1 提高發(fā)電機(jī)氫氣純度的方法

發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度下降后，需要通過(guò)氫氣的排補(bǔ)來(lái)置換發(fā)電機(jī)內(nèi)含有空氣的氫氣。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，一次性大量排氣會(huì)造成發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力下降太多而不安全，需要采用連續(xù)排補(bǔ)的方式。

以上海電機(jī)廠生產(chǎn)的300 MW發(fā)電機(jī)為例，假設(shè)原有氫氣純度為90%，一次性排氣需要排掉機(jī)內(nèi)混合氣體共149.3 m3，此時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)壓力將降至0.217 MPa，這是很不安全的。建議根據(jù)每次排補(bǔ)量小于發(fā)電機(jī)整機(jī)每天漏氫量的“合格”指標(biāo)來(lái)進(jìn)行排補(bǔ)。針對(duì)該發(fā)電機(jī)，按每次排補(bǔ)14.5 m3，11.5 m3和8.5 m3（分別對(duì)應(yīng)整機(jī)每天漏氫量的合格、良好、優(yōu)秀指標(biāo)）計(jì)算，氫氣純度從90%提高到97%的過(guò)程如圖3所示。

按每次以不同的量進(jìn)行排補(bǔ)，使用的總氣量如表2所示。

從表2可以看出，每次氫氣排補(bǔ)的量越少，需要排補(bǔ)的次數(shù)越多，但是需要的總用氫量相差不多。這是由于排出的混合氣體中含有空氣的濃度是差不多的。某些電廠發(fā)現(xiàn)用排補(bǔ)的辦法無(wú)法提高氫氣純度，這是因?yàn)榕叛a(bǔ)的次數(shù)還不夠。

圖3 不同排補(bǔ)量下氫氣純度上升過(guò)程

表2 不同排補(bǔ)量下使用的總氣量

3.2 保持發(fā)電機(jī)氫氣純度的方法

對(duì)通過(guò)補(bǔ)氣仍無(wú)法保持氫氣純度大于96%的發(fā)電機(jī)，可通過(guò)定期排補(bǔ)的方法提高V4的量，使氫氣純度滿足要求。由于密封系統(tǒng)每天進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣為定值，將氫氣保持在不同的純度，每天需要排補(bǔ)的氫氣量也不同。

假設(shè)將純度保持在95%，96%，97%，98%和99%，需要補(bǔ)入的氫氣量分別為VP1，VP2，VP3，VP4和VP5，要保持氫氣純度穩(wěn)定，必須滿足每天進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣量等于排出的空氣量，即：

V2=（1-95%）VP1=（1-96%）VP2=（1-97%）VP3=（1-98%）VP4=（1-99%）VP5

VP1∶VP2∶VP3∶VP4∶VP5=（V2/5）∶（V2/4）∶（V2/3）∶（V2/2）∶（V2/1）

大致比例關(guān)系如表3所示。

表3 不同純度要求下的補(bǔ)氣比例

4 結(jié)論及建議

（1）進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣多于通過(guò)發(fā)電機(jī)整機(jī)漏氣和人為排氣過(guò)程排出的空氣，進(jìn)入發(fā)電機(jī)的空氣無(wú)法充分排出是造成部分發(fā)電機(jī)氫氣純度下降的原因。

（2）對(duì)氫氣純度下降的機(jī)理不了解和管理上的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，造成部分機(jī)組在氫氣純度控制不理想的狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。

（3）排氣與補(bǔ)入純氫氣相結(jié)合的定期排補(bǔ)技術(shù)是提高和保持發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度的有效方法。

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