火力發電機組如何提高發電機氫氣純度及其經濟性分析

摘 要：目前，我國發電行業依然是火力發電為主，其中600MW發電機組已經成為我國大部分發電企業進行電力生產的主要設備，但是其運行過程中用于發電機冷卻的氫氣純度問題依然是企業安全生產的重大隱患。文章針對我廠600MW發電機運行狀況以及導致氫氣泄漏的具體原因進行了分析，提出了提高氫氣純度的相應措施，對氫氣提純后機組的經濟性進行了簡要的闡述。

關鍵詞：發電機;氫氣;堵漏措施;提高純度。

0.引言

氫氣作為一種極易爆炸的危險品，如果氫氣中含氧量大于3%，遇火立即爆炸，而發電機在運轉過程中可能出現定、轉子放電現象，就是說，發電機內內氫氣純度的降低將存在氫爆的可能。發電機氫氣純度降低，可能造成發電機繞組絕緣下降，嚴重威脅發電機的安全，同時發電機氫氣純度降低將影響冷卻效果，直接與發電機效率有關，氫氣純度每下降1%，通風損耗及轉子摩擦損耗將增加11%。

1.發電機氫冷卻現狀分析

我廠1、2號機汽輪發電機均為上海電機廠生產的QFSN-600-2優化型水氫氫汽輪發電機，采用水氫氫冷卻方式。發電機在冷卻氫氣進口溫度不大于46℃、氫冷卻器冷卻水進水溫度不大于35℃、定子繞組內冷水進水溫度不大于50℃、氫壓不低于額定值0.4Mpa、氫氣純度不低于95%的下列情況下能輸出額定出力。當發電機在額定氫壓0.4兆帕下運行，保證漏氫量每天不大于11.3立方米。

按照產品說明書要求發電機運行時氫氣純度不低于95%，氫氣壓力0.3-0.54Mpa。目前我廠發電機運行概況為冷卻氫氣進口溫度43℃，密封油差壓86Kpa，定子冷卻水溫度45℃，壓力0.36Map，漏氫量3.4立方米/日，氫氣壓力0.42Mpa，氫氣純度>97%，當氫氣純度降低時通過排補方式進行純度提升。我廠氫氣來源于制氫站，兩臺氫氣發生器和13個12Mpa氫氣儲罐，滿足7臺機組日常排補氫要求。

3.氫氣泄漏的常見原因分析

3.1外漏氫。“外漏氫”指的是發電機組本身存在的氫氣透過裂縫或者某些密封不嚴密的連接點進入機體外部環境的泄漏現象。一般來講，氫氣具有密度低的特點，機組使用的純氫密度僅為空氣密度的7%左右，因此，氫氣在空氣中擴散速度快，0.25米之外就難以看清氫氣泄漏的現象 [1]。

3.2內漏氫。“內漏氫”指的是機組的氫氣進入空側或密封瓦座結合面的現象，主要是由于機組的油氫差壓閥出現故障或者質量不過關而造成的。氫氣與密封瓦空側的回流油一同進入主油箱，進而在油箱內混合成為具有爆炸能力的混合氣體。當發電機組的定子繞組的空心導線內水壓低于機內的氫壓時，一旦空心導線的密閉性不完全，氫氣會進入定子繞組空心導線內冷水中，與冷水發生化學反應，生成一種降低水循環流動的物質，減少了冷卻水的總量。

3.3其他原因。除上述兩種原因之外，發電機組的其他原因也會造成氫氣的泄漏，比如密封瓦座襯墊的質量與安裝技術不當、密封瓦角度、密封瓦軸向與徑向之間的距離過大、發電機組裝注膠工藝等原因都會引起氫氣的泄漏，因此需要工作人員對發電機組在啟動之前進行嚴格仔細的運檢，防止漏氫問題。

4.提高發電機氫氣純度的對策

為確保發電機氫氣純度達到要求，我們可以從以下幾點入手：

4.1機組啟停機時，對發電機氣體進行置換時，嚴格按照規程規定，當氫氣純度達到97%時，進行全面的排死角，然后再進行升壓。這樣基本可以使發電機氫氣純度到要求值。

4.2日常運行時對密封油系統的監視維護，發電機密封油系統運行情況，是影響發電機氫氣純度的一個重要因素。運行時通過平衡閥維持空氫側密封油壓差在合理范圍內。

4.3保證氫氣質量，優質的氫氣質量也是保證發電機氫氣純度一個重要的指標，所以要嚴格控制氫站提供的氫氣質量。

4.4控制氫氣和密封油溫度，氫溫越高，氫純度下降越大。氫側密封油直接與發電機內氫氣接觸，其含水量越大，密封油油溫越高，其內部水分與油分子越容易擴散到氫氣中，從而影響發電機內氫氣純度，因此維持密封較低含水量，控制密封油溫度處于規定范圍的較低水平，也是保證發電機內氫氣純度的重要環節。

4.5加強運行巡視檢查。對機組運行現狀進行檢查，看是否在其限定的運行負荷范圍內，同時進行空氣密閉性實驗，對機組的日補氫量進行測定，看是否存在超量現象。

4.6設備進入檢修期的檢查。對機組的發電機出線、閉冷水箱、氫冷器等處進行檢查，同時仔細尋找氫氣系統、密封油系統的閥門、法蘭結合面處是否存在裂縫;對發電機組的大端蓋螺栓結合面進行氫氣檢測，看是否存在泄漏問題，如果存在問題進行臨時應急處理并跟進后續的檢測，看是否能解決問題;對機組的主油箱排煙風機出口、環形油箱以及排煙風機入口管閥欄等處進行檢測，看是否存在氫氣泄漏，清理入口管閥的油污、積水[2]。

5.如何提高氫氣純度

經過漏氫處理后，要連續不斷的排補氫氣，才能使其純度由97%提升到98%。根據系統圖和現場閥門位置，按照規定每班不超過一次排補，需要連續班次的排補直至發電機氫氣純度達到98%以上。

首先開啟發電機排氣管道手動總門、1號發電機排二氧化碳手動門，監視發電機氫壓，排氫速度不能過快防止密封油差壓閥調整失靈造成氫側郵箱滿油，排氫速度一般控制氫壓下降不超過0.47Kpa/min，當氫氣壓力達到0.38Mpa時，停止排氫，關閉發電機排氣管道手動總門、1號發電機排二氧化碳手動門，然后進行補氫。打開發電機補氫手動門、發電機補氫調節閥前手動門、發電機補氫調節閥、發電機補氫調節閥后手動門，開啟制氫站分配盤至機組補氫手動門。密切監視補氫壓力、氫側密封油箱油位，調整補氫壓力不大于0.45Mpa，控制補氫速度不超過0.47Kpa/min。當發電機氫壓達到0.45Mpa時關閉補氫門、發電機補氫調節閥前手動門、發電機補氫調節閥、發電機補氫調節閥后手動門及制氫站分配盤至機組補氫手動門。

排補氫過程中應該進行排死角操作，主要針對發電機檢漏裝置、絕緣過熱裝置進行排放，從而盡快提高純度。排補氫過程中還應監視密封油差壓、氫側密封油箱油位、平衡閥差壓、發電機氫壓、純度、漏氫檢測儀等重要參數的變化，發生異常變化時立即停止操作，待問題消除后再重新進行。

6.氫氣純度升高經濟性分析

經過一系列的試驗和操作，整理記錄，我們發現，自2019年6月開始連續每班開始排補氫直至發電機氫氣純度達到98%共計持續了8天后停止連續排補氫。由于連續的排補氫使得發電機首次達到98%以上維持時間較長約5天，之后平均3天純度下降到98%以下。發電機純度提升后機組各項參數均正常。提高發電機純度到98%后經過半年的觀察，發現開始的時候供電煤耗沒有明顯的變化，但是從8月份開始隨著發電量的增加發電煤耗開始逐漸降低。而我廠氫氣成本約5元/m3，發電機提高1個氫氣純度約需40m3氣體，折合費用為200元。按機組4天降低1個氫氣純度、年連續運行280天計算，兩臺發電機提純后，年增加費用2.8萬元。除去氫氣成本，相應兩臺機組年度效益超100萬元（除稅后，0.38元/kWh）。很明顯，提高氫氣純度，不但提高了發電機的運行安全，而且經濟效益顯著提高。

參考文獻：

[1]陶蘇東.電氣設備及系統[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]李彪.淺議660MW發電機氫氣泄漏的原因及應對策略.中國高新技術企業.2016，（10）.

作者簡介：

李維（1985.09-），男，漢族，河北廊坊，本科學歷，助理工程師，研究方向：電力工程。