水氫氫冷發電機原理及運行維護

陳偉東

摘 要：水氫氫冷發電機是采用氫氣置換發電機內的其他介質，以有控制地向發電機內部輸送氫氣，保持機內氫氣壓力穩定進行持續的發電，相比其他的置換物質，氫氣具有先天性的一些優點。文章通過分析其優點，主要梳理了水氫氫冷發電機的發電原理以及運行情況，以期為發電機的操作和維修打下基礎。

關鍵詞：水氫氫冷發電機；原理；運行

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0111-02

水氫氫冷發電機作為一種新型的供油發電機冷卻方式，在其推出以后不但實現了技術的革新而且產生了較為顯著效果。作為水氫氫冷發電機，由于氫氣具有較大的熱傳導效應，比以前發電機的容量大大提高，但是體積減少；同時由于氫氣相比其他傳導物質，密度較小，所以很大程度上減少了因摩擦發熱而造成的熱量損耗，大大提高了發電機的效能。此外，氫氣作為一種較好的絕緣物質，運行中只產生較為微弱的電離現象，延長發電機的使用壽命。隨著社會環保意識的增加以及綠色生活理念的提出，氫氣作為一種環保物質在被推廣使用時，也更加符合安全環保的理念。

1 水氫氫冷發電機原理

1.1 氫氣系統原理

水氫氫冷發電機的定子鐵芯和轉子全部通過氫氣進行冷卻，而通過試驗的運行情況說明：

①發電機通風過程中熱量損耗高低受到冷卻介質質量大小的影響。對于性質相似的介質來說，質量越輕造成的損耗越小。而在氣相介質中，氫氣作為密度最小的氣體，滿足上述條件非常有利于損耗的降低。

②同時考慮另外一個指標，熱傳導系數來說，氫氣是空氣的熱傳導系數的將1.5倍，具有非常顯著的換熱能力。

③氫氣具有良好的絕緣性能，同時經過技術的革新與發展也具備了較為成熟的控制技術。

1.2 鐵芯和轉子的氫氣冷卻原理

轉子的冷卻結構采取的是氣隙取氣斜流式的通風形式，在轉子的表面槽楔上面同時由進氣口、排氣口，此外，在轉子的繞組上面也開通了通風孔，通過組裝在固化以后形成了斜流式的通風路徑。這樣，氣體能夠通過一組斜槽沿著轉子表面，繼而可以進入槽底，最后，通過另外一組斜流失通道返回到氣隙中，具體的運行圖，如圖1所示。

鐵芯和轉子的冷卻通道通常都會設計成多進、多出結構，使用軸向與徑向的氣隙隔板，這樣可以讓氣體隔離成為冷和熱兩個區域，通過兩個區域可以同時抑制過冷或者過熱風的進入，從而使得沿轉子軸向的溫度分布比較均勻，整體分布，如圖2所示。

在上圖中氫氣經風扇升壓后進入轉子與鐵芯的冷卻通道，換熱后進入氫氣冷卻器進行降溫，再進入風扇，開始下一循環。

2 水氫氫冷發電機的運行

2.1 氫氣系統的運行控制

設計機內部壓力是414 kPa，通常都會控制在380～400 kPa之間。發電機在運行的過程中，氫氣會通過密封油系統或者因其它的不嚴密裝置而泄漏出去，所以需要不斷重復補充氫氣的操作以維持正常的氣壓數值，在這個過程中補充的氫氣來自于制氫站。在正常的運行過程中，也會采用氫氣檢漏儀在發電機氫氣等有關區域進行檢漏。

2.2 發電機充氫運行

當空氣和氫氣進行混合的時候，當氫氣的比例達到一定程度的時候，極易形成爆炸氣體，通常在氫氣的含量在4%～74%的時候形成，所以在沖入氫氣的環節中，首先要其他的氣體置換空氣，避免氫氣和空氣的接觸。

置換氣體可以使用氮氣、二氧化碳或者其他的惰性氣體，在充氣的過程中必須經過嚴格的氣體含量檢測，當其他置換氣體的濃度達到96%或者以上的時候，才能進行充氫的操作，之后用氫氣逐漸替換所采用的置換介質。

充氫之前，首先使用氮氣或者二氧化碳等中間介質排除管路系統以及發電機內的空氣。這個過程當中需要的置換氣體是管道與發電機整個容積的2～2.5倍，因此需要氫氣大約是2～3倍。在發電機內部的氣體由氫氣狀態置換回到空氣狀態的時候，可以重復進行上述類似過程，首先往發電機中引入需要中間置換的氣體排除氫氣，同時當中間置換氣體的含量超過96%的時候，引進空氣重復上述操作以排除中間氣體。

此外，當中間置換氣體的含量低于14%后，這時就可以可停止排氣。在這個過程當中，需要的氣體的含量大約是管道和發電機整體容積的1.5～2倍左右。

在發電機機組啟動之前，首先要向發電機內部充進20～30 kPa經過被壓縮的空氣以后，這時投入到密封的油系統當中，之后使用二氧化碳瓶來提供高度壓縮的氣體，通過發電機的機殼下邊引入，以驅出發電機內部的空氣，如果從發電機的機殼的頂部來提供，這樣使用氫管的氣體采取在死角處不容易流動的特點來檢驗二氧化碳的含量，在其容積比超過86%以后，可以停止填充二氧化碳，在這個過程中仍然需要保證氣體壓力維持穩定值。在開始填充氫氣的時候，氫氣經供氫裝置進入機殼內頂部的匯流管向下驅趕二氧化碳。

當從底部原二氧化碳母管和氣體不易流動的死區取樣檢驗，當氫氣純度高于96%、氧含量低于2%時，停止排氣，并升壓到工作氫壓。升壓速度不可太快，以免引起靜電。

3 結 語

本文以水氫氫冷發電機組為研究對象，介紹了氫氣冷卻系統的特點，主要基于氫氣和其他介質相比的一系列物理性能的優點進行分析探討；其次介紹了水氫氫冷發電機原理，主要包括氫氣系統原理與鐵芯和轉子的氫氣冷卻原理兩個方面；最后描述了水氫氫冷發電機運行，集中研究氫氣系統的運行控制以及發電機的充氫運行模式。

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