朱衛(wèi)兵,盧晨堂,高慧芳,趙麗娟
(1.華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司,山東 濟(jì)寧 272100;2.華能沾化熱電有限公司,山東 沾化 256800)
華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司5號(hào)、6號(hào)2×330 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)為上海電機(jī)廠制造,型號(hào)為QFSN-330-2,冷卻方式為水-氫-氫。H2作為發(fā)電機(jī)的冷卻介質(zhì),一旦與少量的氧氣或空氣混合,就有爆炸的危險(xiǎn)。氫冷發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)前、停機(jī)后要進(jìn)行兩項(xiàng)重要操作—對(duì)發(fā)電機(jī)充、排H2,為了安全起見,通常用中間氣體(CO2)進(jìn)行置換。該電廠兩臺(tái)機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái),每次H2置換(充、排)操作所需時(shí)間都長(zhǎng)短不一,且差別很大。為了進(jìn)一步規(guī)范電廠氫冷發(fā)電機(jī)H2置換操作,使各步操作符合相關(guān)技術(shù)管理的要求,減少安全隱患,對(duì)充、排H2過(guò)程所需時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。
運(yùn)河電廠330 MW發(fā)電機(jī)組的體外氫氣系統(tǒng)如圖1所示,在制氫站內(nèi)設(shè)有4個(gè)氫罐,每個(gè)氫罐容積為13.9 m3,采取單個(gè)氫罐在線運(yùn)行的方式向外提供H2;從制氫站到汽機(jī)房0 m層調(diào)節(jié)閥前的管路(下稱氣源管路)材質(zhì)為不銹鋼,D22 mm×3 mm(內(nèi)直徑16 mm,截面積 2×10-4m2),設(shè)計(jì)工作壓力 0.6 MPa;汽機(jī)房0 m層補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥后到汽機(jī)6 m層U型接頭之間的管路(下稱中段充氫細(xì)管)材質(zhì)和規(guī)格與氣源管相同;發(fā)電機(jī)下部的管路 (下稱發(fā)電機(jī)下部充氫粗管)材質(zhì)為不銹鋼,D48 mm×3.5 mm (內(nèi)直徑41 mm,截面積1.319×10-3m2);發(fā)電機(jī)下部排氣粗管材質(zhì)和規(guī)格與發(fā)電機(jī)下部充氫粗管相同,發(fā)電機(jī)腔室容積為68.8 m3。
在工程估算中,H2可視為理想氣體[1]。 對(duì)于1kmol H2,由 pV=nRT,得
式中:p 為氣壓(絕對(duì)壓力),Pa;V 為體積,m3;T 為溫度,K。
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0 ℃,101.325 kPa)下,1 kmol的 H2體積 22.4 m3,質(zhì)量 2 kg,密度 0.089 3 kg/m3。
制氫站中的氫罐對(duì)外提供H2,單只氫罐容積Vc=13.9 m3,設(shè)提供H2過(guò)程中溫度T不變,供氫之前氫罐中H2量為n1kmol,氣壓為p1;供氫之后氫罐中H2量為n2kmol,氣壓為p2。狀態(tài)方程
由此得氫罐供H2量為
圖1 330 MW發(fā)電機(jī)組體外氫氣系統(tǒng)
將供H2量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) (0℃,101.325 kPa)下的體積
式中:Δp=p1-p2,為氫罐供 H2前后的壓降,MPa;T 為環(huán)境溫度,K。
在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325 kPa)、環(huán)境溫度T下,氣體體積
新機(jī)組或大修后的機(jī)組,機(jī)殼內(nèi)是空氣,要充H2必須排凈空氣。用CO2置換時(shí),應(yīng)先將CO2從發(fā)電機(jī)底部通入,將空氣從上部排出。由排出口取樣化驗(yàn)CO2純度達(dá)85%以上,壓力大于50 kPa時(shí),停止充CO2,關(guān)閉排氣門,開始充入H2,打開發(fā)電機(jī)底部排污門,將CO2排出,待H2純度達(dá)96%時(shí),即為合格,關(guān)閉底部排污門,繼續(xù)充H2升壓至規(guī)定值,充H2工作結(jié)束。
發(fā)電機(jī)腔室68.8 m3,充CO2過(guò)程按照設(shè)計(jì)要求1.5倍的用氣量可達(dá)到CO2純度95%。發(fā)電機(jī)充CO2暫定發(fā)電機(jī)內(nèi)在35 kPa、10℃的定壓等溫情況下進(jìn)行,按此計(jì)算,需要 CO2量 103.2 m3,由 CO2氣體特性可知,在CO2加熱器投運(yùn)良好的情況下,充CO2時(shí)間受季節(jié)影響很大,主要取決于瓶的更換和連接管結(jié)冰情況。一般,充CO2置換空氣可控制在5~6 h,再考慮到排死角、穩(wěn)定30 min測(cè)量純度等需1.5 h,則充CO2置換空氣合格需要7.5 h。
自制氫站至主廠房的氫氣管道的汽壓維持0.6MPa(設(shè)計(jì)值),由制氫站人員負(fù)責(zé)減壓閥后的壓力調(diào)整。單只氫罐壓力下降速度控制由制氫站人員觀察,聯(lián)系集控人員調(diào)整汽機(jī)0 m處的調(diào)節(jié)閥,用該調(diào)節(jié)閥控制充H2速度。此調(diào)節(jié)閥處流動(dòng)速度最大,只要控制閥后中段充氫細(xì)管內(nèi)在氫壓0.1~3.0 MPa時(shí),流速不超過(guò) 25 m/s[2],其他各管段內(nèi)的 H2流速就不會(huì)超限,以下以此處的流速為計(jì)算依據(jù)。
充H2過(guò)程按照設(shè)計(jì)要求2.5倍的用氣量可達(dá)到H2純度95%。發(fā)電機(jī)充H2暫定發(fā)電機(jī)內(nèi)在35 kPa、20℃(密度0.110 8 kg/m3)的定壓等溫情況下進(jìn)行,按此計(jì)算,需要H2體積172 m3,質(zhì)量為19.057 6 kg。換算到1個(gè)大氣壓、20℃狀態(tài)下,體積229.057 m3。
表1 H2置換CO2的過(guò)程中段充氫細(xì)管在不同流速下的計(jì)算
由表1可知,若以“中段充氫細(xì)管”的流速不超過(guò)25 m/s來(lái)控制,H2置換CO2的過(guò)程約需要9.5 h,再考慮到排死角和穩(wěn)定30 min測(cè)量純度需要1.5 h,則H2置換CO2合格耗時(shí)約11 h,單只氫罐壓力下降速度應(yīng)控制在3 kPa/min。
發(fā)電機(jī)內(nèi)H2置換結(jié)束后的狀態(tài)為:35 kPa(表壓力)、20℃,H2質(zhì)量為 7.623 kg。 H2升壓后要達(dá)到310 kPa(表壓力)、20 ℃,質(zhì)量為 19.539 kg。 因此,升壓過(guò)程需要增加的H2質(zhì)量為11.916 kg。 換算到310 kPa(表壓力)、20℃狀態(tài)下,H2體積為 36.285 m3;換算到 35 kPa(表壓力)、20℃狀態(tài)下,H2體積為107.54 m3。
由表2可知,若以“中段充氫細(xì)管”的流速不超過(guò)25 m/s來(lái)控制,隨著升壓過(guò)程進(jìn)展,逐漸提高單氫罐壓力下降速度,升壓過(guò)程可按4 h控制。 具體為:起初,由于發(fā)電機(jī)內(nèi)壓力35 kPa較低,單氫罐壓力下降速度按2.91 kPa/min,然后逐漸提高;在升壓接近結(jié)束時(shí)(即執(zhí)行4 h),單氫罐壓力下降速度達(dá)到8.63 kPa/min。
綜上所述,由空氣置換為H2并升至額定壓力所耗時(shí)約為22.5 h。
停機(jī)檢修前或事故緊急停機(jī)后,須進(jìn)行排H2。排H2與充H2升壓過(guò)程相反,打開發(fā)電機(jī)排氫門,待發(fā)電機(jī)氫壓降至35 kPa,再接入CO2,將CO2從底部通入將H2置換排出,經(jīng)化驗(yàn)CO2純度大于95%時(shí),停止充氣關(guān)閉進(jìn)空氣門,排H2結(jié)束。
發(fā)電機(jī)排H2泄壓是發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)自310 kPa、20℃,H2量為19.539 kg降到 35 kPa、20℃,氫氣量為7.623 kg的狀態(tài)。需要排放的H2量為11.916 kg。換算到 310 kPa、20℃狀態(tài)下,H2體積為 36.285 m3;35 kPa、20 ℃狀態(tài)下,H2體積為 107.54 m3;1 個(gè)大氣壓、20℃狀態(tài)下,H2體積為 143.22 m3。
由表3可知,若按排H2管節(jié)流門后大氣狀態(tài)的等流速20 m/s控制,發(fā)電機(jī)自工作壓力降到35 kPa,需要1.5 h,發(fā)電機(jī)內(nèi)降壓速度3 kPa/min控制。
表2 升氫壓過(guò)程中段充氫細(xì)管在不同流速下的計(jì)算
表3 發(fā)電機(jī)下部排氣粗管在一定流速下的計(jì)算
排氣管道管徑較粗,因此該段時(shí)間主要取決于充CO2的操作。在CO2加熱器投運(yùn)良好的情況下,充CO2時(shí)間主要取決于瓶的更換和連接管結(jié)冰情況,與季節(jié)有關(guān)。
一般,充CO2置換H2可控制在5~6 h,再考慮到排死角、穩(wěn)定30 min測(cè)量純度等需1.5 h,則用CO2置換H2合格需要7.5 h。
綜上所述,發(fā)電機(jī)內(nèi)由額定氫壓置換為CO2的所用時(shí)間約為9 h。
分析了氫冷發(fā)電機(jī)各充氫管段的構(gòu)造,詳細(xì)計(jì)算了各管段的氣體流速。 通過(guò)分析計(jì)算,得出了在正常情況下氫氣置換過(guò)程所需時(shí)長(zhǎng),此算法已經(jīng)在電廠實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用,效果良好,有效地指導(dǎo)了電廠運(yùn)行人員的過(guò)程操作。
[1]沈維道,童鈞耕.工程熱力學(xué)(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2007.
[2]GB50177—2005 氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3]火力發(fā)電職業(yè)技能培訓(xùn)教材編委會(huì).電氣設(shè)備運(yùn)行[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.
[4]林建忠,阮曉東.流體力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.