發電站輔機中氫氣置換設備的現代化新工藝

哈爾濱電機廠有限責任公司 馮曉輝

在發電站的輔機設備中，采用氫氣取代空氣來冷卻發電機的首臺商業應用，最早是美國于20 世紀30年代末投入運行的機組。與空氣相比，氫氣的熱容量和冷卻能力要高許多倍。所以大型汽輪發電機在不斷實現大容量化的發展過程中，不再采用空氣冷卻而采用氫氣冷卻。由于氫氣具有良好的傳熱性能、較高的熱傳導率、較低的通風損耗和較高的電位系數， 而成為大中型汽輪發電機的一種理想的冷卻劑。根據國際電工委員會的標準 IEC 60034—3的規定 ，不允許直接向采用氫氣冷卻的發電機內充入氫氣來置換其中的空氣，也不允許采用空氣直接充入進去，來置換機內的氫氣，必須采用惰性氣體來置換機內的氫氣，

1 氫氣的危險性

氫氣是一種非常危險的、容易燃燒爆炸的氣體，任何一種氫氣與空氣的混合，都是極為嚴重的燃燒爆炸風險根源。空氣中的氫氣含量達到 4 % 及以上時 就會燃燒； 超過18 %時 就可能爆炸。汽輪發電機的氫氣燃燒、爆炸事件， 國內外、境內外均有發生。 某電站百萬千瓦發電機曾經發生大量氫氣泄漏事件，導致停機、搶修，所幸未能引起災難性的“氫氣燃爆”事故發生。最近，震驚世界的日本福島核電站的核泄漏事件，就是氫氣燃燒爆炸引起的，而氫氣則來自于臺風、導致海浪涌入發電站而被電解。 因此，氫冷發電機的安全保護是非常重要的。

具有較高壓力和純度的氫氣，只有在發電機運行過程中存在于機內，其它時間必須從機內清除干凈以確保安全。這種凈化工藝，根據國際電工委員會的標準 IEC 60034—3的規定，必須采用惰性氣體來置換機內的氫氣，其濃度（可以通過純度測量裝置測量得到）必須滿足國際該標準的要求 。

歷來用于置換氫氣的惰性氣體為二氧化碳，由于它是以液體形式提供和保存的 一旦要用， 必須采用輔機設備（蒸發器）將它氣化。這個過程既耗費時間又增加投資， 在緊急情況下不能確保發電機的安全可靠。近年來，人類不斷探索一種惰性氣體的替代方案。在排除了氮氣的選用可能性以后，現場實驗證明氬氣是取代二氧化碳的理想的惰性氣體。

2 氫氣置換過程

發電機中冷卻氫氣的置換循環過程如下： 在停機狀態下（機內是空氣）→充入惰性氣體（清除空氣）→充入氫氣。在運行狀態下（機內是氫氣）→首先停止運行→充入惰性氣體（清除氫氣）→充入空氣置換惰性氣體→進入停機狀態。

氫氣置換的具體實施步驟如下：

2.1 起動時的步驟——充氫前， 先用惰性氣體置換機內空氣。 當該惰性氣體的濃度（采用濃度測量裝置測量）在達到IEC 60034—3 標準規定的安全限度值時， 才能填充氫氣 （來置換惰性氣體）。當該氫氣的純度（采用純度測量裝置測量）達到要求和氫氣壓力升高到正常運行時要求的限值時， 發電機準備投入運行。

2.2 停機時的步驟——與起動時的順序相反， 先將機內氫氣壓力解除， 再充入惰性氣體（來置換氫氣）。 如果機內氫氣濃度（由監測裝置顯示）降低到最低（即滿足安全條件）時， 才能充入空氣將惰性氣體置換出來。

3 惰性氣體優化

3.1 二氧化碳

以前常常采用二氧化碳作為惰性氣體。 但是它的密度與空氣和氫氣有很大區別。 二氧化碳主要以液態形式存在和提供，應用時需要一個非常復雜的氣化過程。配備一套蒸發（氣化）設備，費用很高。 在出現緊急停機等情況下，為了保障安全， 必須迅速充入二氧化碳、排除氫氣，這就要求蒸發（氣化）設備隨時待命，必須配備常設的應急電源，比如一臺數十kW 的柴油發電機組。

3.2 氬氣

它的臨界溫度非常低，這使它在很低的環境溫度下仍然呈現氣態形式，而且可以在高壓力下應用。 它是惰性氣體，但是在周圍環境的大氣中含有 1 % 的氬氣 ，取材方便， 可以由空氣分離工廠生產提供。

各種相關氣體的性能對比見表1

（ 注：表中“密度”是在溫度為0 ℃時的值；“熱導率”是在溫度為25 ℃時的值。除了空氣以外 其余3種氣體的供貨純度為99.9 % 。空氣則由空氣壓縮機提供。

3.3 氮氣

曾經考慮采用氮氣作為一種替代方案，其密度較低接近于空氣。 但是，用氣量太大， 而且時間太長，不能有效地將機內空氣排除。所以排除。

4 現場驗證實驗

4.1 惰性氣體用量——作為實驗用發電機的機內體積為75 m3 。它的氫氣由6組（每組12個）氣瓶提供，每瓶容量為50 L， 填充壓力為200 bar ，保證每組體積為120 m3 的標準體積容量 。氣瓶通過監測氣瓶壓降便可判定體積流量。

停機時——運行中的發電機實施停機時向空轉中的發電機內充入氬氣置換氫氣，所需氣體用量（體積）為機內體積的2倍與二氧化碳相同；起動時——停機狀態的發電機進行起動、投入運行時向空轉中的發電機內充入氬氣， 置換空氣。 所需氣體用量（體積）為機內體積的2.5 倍 （采用二氧化碳時 為2倍）。氬氣用量略微高于二氧化碳的原因很多， 其中包括：氬氣的密度相對較低， 而在空氣中的溶解度卻較高。

4.2 惰性氣體裝置——采用氬氣時，氣瓶與氫氣時相同，也能保證200 m3 / h 的體積流量 。氬氣為瓶裝， 12瓶為 一組（120 N m3 ）。 氣瓶總數取決于發電機體積。 2組氣瓶經過減壓器和壓強測量、壓強傳感器以及氣體純度測量儀后充入機內。

4.3 氬氣測量裝置——大多數氣體純度測量裝置都采用熱導率來測量純度， 而且采用二氧化碳作為惰性氣體進行校準。然而氬氣熱導率較高， 所以應用的儀器必須重新校準。 如果標準純度測量裝置沒有進行氬氣校準， 充入和排除時的發電機氣體濃度， 可以采用質量分光儀來獲得。也 可以采用精密壓力指示儀來測量機內壓力。

4.4 置換時間對比——現場驗證實驗證明：填充時間——采用二氧化碳充入機內 ，置換空氣的時間 為80 min 后達到規定的90 % 濃度，符合標準 IEC 60034—3的規定；而氬氣的時間 為46 min 。采用氫氣置換惰性氣體時，需要的時間為：置換二氧化碳——80 min ；置換氬氣——40 min 。運行過程中， 總的時間節省了74 min 。

停機過程中 ，最重要的是安全而又快速地清除機內的氫氣。 在這方面，氬氣的惰性保護具有安全優勢：達到 90 % 的濃度時， 二氧化碳需要 50 min ；而氬氣只需 30 min 。與二氧化碳相比，氬氣具有較高的流速可以加快發電機的起動和停機過程。

5 采用氬氣的優勢

（1）簡化系統：采用氬氣時，它不需要那種將液態二氧化碳轉化為氣態的蒸發設備。

（2）節省時間：運行過程中， 與二氧化碳相比， 采用氬氣可以節省時間 74 min。

（3）高效置換：停機的最后一步是用空氣置換機內的氬氣。 由于氬氣在空氣中的溶解度要比二氧化碳高， 更有利于對發電機出線盒及機內其它角落等氣體容易聚集的地方 進行清除， 置換效果更好。

（4）保護環境：按照安全規則， 只要氧氣的含量＞ 18 %（體積），人類就不會有危險。 但是如果空氣中的二氧化碳達到7% 人類就會導致窒息、死亡。 因此為了保護人身健康， 在工作環境中規定的 二氧化碳的最大允許濃度為5000 ppm 。 如果采用氬氣 ，則對周圍大氣沒有負面影響，人體吸入也不會有危險。 因為周圍空氣中就含有1% 的氬氣。

（5）經濟核算：與二氧化碳相比，雖然在價格方面氬氣要高出30% 左右， 但是由于取消了 蒸發器和應急電源 等額外的費用，兩者基本平衡。何況，長期應用時，氬氣會更加便宜。

當今世界， 已經有數十家、各種類型的發電站， 其中包括燃氣、燃煤、聯合循環、核能等發電站采用了這項新技術。應用中也包括世界 最大的氫氣冷卻發電機，其單機容量高達2000 MVA 。運行時間總計超過160年以上。這種輔機設備的運行實踐證明：由于簡化了系統結構，減少了維護工作量，減少了停機時間 ，保證了人員的安全，對環境大氣無污染，廣大用戶感到十分滿意。

6 結論

（1）采用氬氣取代二氧化碳作為大型發電站輔機設備中冷卻氫氣置換裝置用的惰性氣體， 可以實現在不多花錢的情況下達到：提高效率、節省時間、安全可靠、保護環境的目的。

（2）發電站大多數火電采用氫氣冷卻 ，特別是燃氣輪發電機和燃氣—蒸汽 聯合循環發電站透平發電機，往往用于電網系統中的調峰填谷， 起動、停機頻繁，實施氫氣置換的輔機設備更多，如果改用氬氣，意義重大。

（3）有的發電站輔機設備生產廠家已經將采用氬氣取代二氧化碳來置換氫氣，作為企業標準規定下來；有些發電站已經列入技術改造、升級換代計劃。 新產品、老產品都可以推廣應用。