發電機氫氣純度下降的原因分析及治理

李陽

摘要：我公司汽輪發電機系QFSN-660-2型汽輪發電機，發電機采用水氫氫冷（定子繞組水內冷，轉子繞組氣隙取氣氫內冷，定子鐵芯和定、轉子表面及端部結構件氫氣表面冷卻）冷卻方式。正常運行時額定氫壓0.5MPa，露點-5℃～-25℃， 氫氣純度正常維持98%以上，當氫氣純度<96%時通過排污、補氫來提高氫氣純度。為了防止發電機內的氫氣外泄，采用了雙流環式密封瓦，通過密封油系統的油壓進行密封，以確保汽輪發電機組的安全經濟運行。我公司在生產過程中發現#1發電機氫氣壓力基本保持平穩而氫氣純度緩慢下降，發電機只能通過頻繁的排污、補氫置換的方法來維持機內氫氣純度合格，自2011年投產以來，發電機月平均氫氣純度從97.8%降至96.6%，為了維持發電機的氫氣純度，日補氫量從17m3/d增加至22m3/d，月平均補氫次數從11次/月增加至23次/月，這不僅增加了氫站設備的工作壓力和運行人員的工作量，而且造成了氫氣的浪費，同時影響了機組的安全、經濟、可靠的運行，解決氫氣純度低的問題迫在眉睫。

關鍵詞：發電機；氫氣純度下降；原因

設備簡介：

由于氫冷發電機的轉子軸必須穿過發電機的端蓋，因此這部分成了氫內冷發電機密封的關鍵。密封油分為空側和氫側兩個油路將油供給軸密封瓦上的兩個環狀配油槽，油沿轉軸軸向穿過密封瓦內徑與轉軸之間的間隙流出。如果這兩個油路中的供油油壓在密封瓦處恰好相等，油就不會在兩個配油槽之間的間隙中竄流，通常只要密封油壓始終保持高于機內氫氣壓力，便可防止氫氣從發電機內逸出。空側油路供給的油則將沿軸和密封瓦之間的間隙流往軸承側，并同軸承回油一起進入空側密封油箱，從而防止了空氣與潮氣侵入發電機內部。氫側密封油則沿軸和密封瓦之間的間隙流往發電機內側，落入消泡箱，最后回到氫側密封油箱。空側油為主密封油，通過差壓閥將調節空側密封油壓力始終保持在高出發電機內氫氣壓力0.084Mpa的水平上。氫側密封油始終跟蹤空側油而達到平衡，并使之自動跟蹤與空側密封油壓差保持±0.49kPa，限制兩路油相互竄流，以達到基本平衡的目的。油與空氣和氫氣之間的隔絕是采用兩道迷宮式油擋來實現的，氫側為了防止油進入發電機內，還有一道迷宮式外油擋阻止油進入發電機。

我公司氫氣干燥器對氫氣進行干燥處理的原理是利用活性氧化鋁對水分子具有吸引力特性，還有它的化學惰性和無毒特性。當活性氧化鋁吸收水分達到飽和后。再生-通過加熱來清除干燥劑自身束縛的水分，從而恢復它的吸濕能力，并且活性氧化鋁的性能和效率并不受重復再生的影響。設備設計有兩個干燥塔，當一個干燥塔處于吸濕狀態時，另外一個處于再生狀態。所以吸附式干燥器能連續對氫氣干燥。

圖2 氫氣干燥器工藝流程圖

吸濕過程：濕氫氣從發電機高壓端出來，流經油水分離器。通過干燥器底部的四通閥V8，氫氣氣流到干燥塔A 的底部，在內部風機幫助下給氫氣施加壓力，使其通過干燥劑脫掉水分，干燥的氫氣通過上部的四通閥V7 回到發電機低壓入口。

再生作用：通過內部風機，氫氣被加壓使其上升通過正在被加熱器加熱的干燥劑，帶走干燥劑束縛水分因加熱汽化的水蒸汽，使濕的氣流通過氣流控制閥V1，暖濕的氫氣流，繼續通過溫度低于攝氏38度的冷卻器，水份開始冷聚。一種離心型汽水分離器把水從氫氣中分離出來，水被分離系統流向疏水閥，冷卻的氫氣繼續通過底部的四通閥，再返回進入容器的底部，加熱過程在那里又重新開始。

梳理原因：

1 閥門和設備的內漏或外漏

利用BJZ5-8800A氫氣檢漏儀對發電機整體、密封油系統、氫氣系統進行實地檢測，發現4處漏氫部位都屬于很輕微的漏點，同時發電機內氫氣壓力一直很穩定。

2 氫氣源純度、濕度超標

根據制氫站運行人員報表記錄，氫氣源（儲氫罐）的純度為99.99%和濕度（露點均值-51.9℃），因而氫氣源引起氫氣純度下降的原因可排除。

3 油中含水量

跟蹤近6個月的密封油化驗報告，油質均合格，油中含水量平均值為10.9mg/L（標準值≤50.0mg/L），密封油中的含水量不足以造成氫氣純度的下降。從投產以來我們一直加強油品監督工作，定期濾油。

4 油氫壓差

當氫側油壓過高于發電機內氫壓，氫側油將通過油擋進入發電機內，油品蒸發后油氣混入氫氣中，導致發電機內氫氣純度下降；氫側油壓過低于發電機內氫壓，密封油阻擋氫氣的能力下降，氫氣隨油外泄，使氫氣純度下降。通過對油氫壓差調整后，隨著油氫壓差的提高，日補氫量有所減少，氫氣的純度只有很小幅度的提升，但是在97.5%以下。油氫壓差提高過程中，一直嚴密監控發電機浮子檢漏儀，檢漏儀中未發現油跡。

5 密封瓦處空氫側密封油交換。

密封瓦間隙過大，平衡閥跟蹤不好或工作失常，空側密封油壓與氫側密封油壓不平衡，都會造成密封瓦處空氫側密封油交換，使得氫側密封油污染，會造成氫氣純度下降。通過對發電機油氫壓差調整，隨著油氫壓差的提高，空、氫側密封油油壓有所提升，發電機汽、勵兩端密封油平衡表基本沒有變化，說明汽勵兩端空、氫密封油壓差不變，汽、勵兩端的平衡閥工作正常，沒有發生空、氫側密封油交換。

6 氫側回油箱補、排油浮球閥狀態

氫側密封油箱中的補排油浮球閥故障導致氫側密封油箱中的空側和氫側油大量交換，使含有大量空氣的空側密封油進入氫側密封油箱，引起氫氣純度下降。通過對氫側密封油箱液位和氫側油箱補、排油管溫度的監測記錄，油氫壓差基本平穩，氫側密封油箱油位沒有變化，氫側密封油箱溫度、氫側油箱補油管溫度和氫側油箱排油管溫度基本沒有變化，氫側油箱補油管溫度<空測密封油泵出油母管溫度，氫側油箱排油管溫度<空測密封油泵進油母管溫度，說明氫側回油箱補、排油浮球閥工作正常，同時佐證密封瓦處沒有發生空、氫側密封油竄油的現象。

7 氫氣置換不徹底

根據上一次停機，發電機氫氣系統充氫過程中氫氣純度的監測記錄得到氫氣純度能長時間的維持在100%，說明不存在氫氣置換不徹底的現象。

8 氫氣干燥器除濕不利

因為密封油中含有少量的水分，密封油在密封瓦處循環的過程中，油和油中的水分以氣體型式析出混入氫氣中，對氫氣純度有一定的影響，氫氣干燥器就是用于除去氫氣中的水分。

1.首先對氫氣干燥器前置油水分離器和氫氣干燥器進行內部檢查，發現油水分離器中的活性炭和氫氣干燥器中的AL2O3顆粒表面油滑，Al2O3有些許的淡黃色，說明活性炭的除油功能已大大降低，Al2O3已被油污染，達不到額定的除濕效果。

2.將上述中污染的活性炭和AL2O3進行更換后，將設備投入運行，繼續監測氫氣純度變化，發現活性炭和AL2O3更換后，氫氣純度提高明顯，但是運行10天左右后，氫氣純度又回到96.9%。我們對氫氣干燥器疏水閥進行檢查發現疏水閥中存積了大量的水，沒有及時排盡。疏水閥為浮球式自動排水閥，排水孔尺寸為0.03mm，如果排水孔被堵，疏水閥中必定積攢大量的疏水，氫氣干燥器再生過程中，冷卻器中的冷凝水無法排放，勢必造成水分又再次蒸發，在干燥器中打循環，使得干燥器除濕效果大大減弱。

對策實施：

1.對于查出的氫氣漏點，我們將能處理的漏點及時進行處理，對需要停機處理的漏點在停機以后也及時進行了處理，通過檢測，所有漏氫點已檢測不出氫氣。

2.將氫氣干燥器的浮球自動疏水閥改為手動排污的疏水器（有可視視窗），疏水器后增加手動排污閥，每1天進行一次手動排污。

對策實施后，我們進行了3個月的氫氣純度、發電機氫氣系統月提純次數和日均補氫量統計：

氫氣純度提升到97.75%左右，日補氫量已降低到12.2m3/d，月補氫次數降低到14次/月（三個月的平均值）。

結論

由于氫氣熱容量大，導熱性比空氣高6倍多，流動性比空氣好，重量不到空氣的1/10，使得發電機內的通風摩擦損耗大大減小，所以在現代單機大容量發電機中被普遍應用。為使機組能夠安全、可靠、經濟、穩定地運行，嚴格地保證機內氫氣的純度是十分必要的。

¤如果氫氣純度下降至爆炸范圍內，在一定的條件下可能會引起發電機內氫氣爆炸。

¤氫氣純度不合格，會造成機內構件局部過熱。

¤有害氣體的存在還會造成絕緣老化、鐵芯及其金屬部件腐蝕，直接影響機組的安全。

¤氫氣純度下降時，混合氣體的密度隨氫氣純度的下降而上升，將導致發電機的通風摩擦損耗增加，降低發電機的效率。

¤僅靠發電機排污、補氫置換的方法維持機內的氫氣純度，這對機組的安全運行構成潛在威脅，同時也造成了一定經濟損失。

（作者單位：寧夏京能寧東發電有限責任公司）