降低發(fā)電機二氧化碳置換氫氣用量方法探討

程寶如

摘要：現(xiàn)代大型火電機組普遍使用氫冷發(fā)電機組，機組在啟停過程中，為保障安全性，常需要用二氧化碳來作為中間介質來實現(xiàn)發(fā)電機內部空氣與氫氣的互換。當前電網裝機容量過剩，加上調峰需求，以及日常檢修，機組啟停較為頻繁，因而二氧化碳置換氫氣操作也相對較多起來，如何提高置換效率，降低二氧化碳的使用量成為提高公司經濟效益的重要一方面。本文通過對本廠對置換中問題進行分析，提出切實可行優(yōu)化方案。

關鍵詞：發(fā)電機;氣體置換;二氧化碳使用量

引言：本廠發(fā)電機組型號為：N600—24.2/566/566，發(fā)電機采用水-氫-氫冷卻方式。為了避免空氣與氫氣直接混合發(fā)生爆炸，在啟機過程中將空氣置換為氫氣，或者在停機后檢修將氫氣置換為空氣，中間必須采用二氧化碳作為中間媒介，發(fā)電機啟動前，充氫前保證二氧化碳濃度達到85%，停機排盡發(fā)電機內的氫氣，先要二氧化碳達到95%時，方可引進空氣[1]。隨著近年來機組啟停越來越頻繁，置換經濟支出也越來越大，此專項開支已經成為一個不可忽視的經濟問題，合理高效的使用二氧化碳成為生產成本控制的重要一環(huán)，降低二氧化碳使用量長期亦將為公司提供可觀經濟效益。

1. 當前現(xiàn)狀以及存在的問題

2017年機組進入負荷深度調峰階段，隨著經濟下滑，用電負荷逐年下降，機組的閑置率將上升，對機組的斷續(xù)中長期保養(yǎng)也要求進行發(fā)電機的氣體置換過程，機組由往年的“停運次數(shù)少/每次停運時間長”轉化為“停運次數(shù)增多/每次停運時間縮短”模式，而后者明顯對置換氣體用量需求增大，如下表所示，列出了近年兩臺機組年停運情況：

通過上表可以看出，機組停運次數(shù)逐年增加，二氧化碳耗用量與日俱增，這也需要改進方法降低氣體置換使用量。#2機組近年來啟停次數(shù)明顯增加，平均每年約為4次，按照每啟停一次置換兩次二氧化碳計算，一年需要置換8次，每次置換約120瓶，耗時2至4個工作日，而同類兄弟電廠的用量卻是80瓶左右，因而有較大改進空間。

2. 原因分析及對策

2.1存在問題可能的原因

針對上述現(xiàn)狀提出以下幾種可能原因。（1）運行人員節(jié)約監(jiān)督意識不強，技能不足導致二氧化碳瓶內未用盡或者過度置換;（2）置換時排氫門開的過大或者一直常開;（3）置換時二氧化碳或氫氣未充分靜置;（4）置換管路存在泄漏，二氧化碳加熱器未投入使用或加熱程度不夠;（5）二氧化碳瓶內純度不足，壓力不合格;（6）置換時氫氣壓力過高，未進行提前排氫。下面對這些原因進行逐條分析。

2.2運行人員節(jié)約意識不足或水平不足

通過長達一個月的監(jiān)督調查，發(fā)現(xiàn)運行人員嚴格按照培訓及規(guī)程要求進行參數(shù)控制，基本能夠滿足合理運行，并且通過開展班組內師帶徒及培訓講課等活動，強化了人員的調整技術水準，普遍提高了運行人員的業(yè)務水平。在進行二氧化碳匯流排充氣現(xiàn)場，有專人值班，并且每一瓶二氧化碳都是經過檢驗合格出廠，現(xiàn)場配備壓力表，可以保證二氧化碳瓶絕大部分都用盡，二氧化碳的純度化驗也是定期及時進行，在接近置換尾聲還增加化驗次數(shù)，過度置換的瓶數(shù)可以保證在1～2瓶以內。因此可以確定此項因素為次因。

2.3置換時排氫門開的過大或者一直常開

按照以往置換的壓力標準，保證在20KPa，不能高于此值，每次置換排氫門開度都比較大，二氧化碳平均瞬時充氣量也較大，往往使剛沖入的二氧化碳快速流動，部分混合氫氣排入大氣，而且機內壓力往往呈現(xiàn)微下降趨勢，通過大量實例證明，一直保持常開或開度過大會造成氣體的快速排放，最終置換瓶數(shù)都較高（大于100瓶），適當降低開度以及保持發(fā)電機內壓力稍高可以明顯降低二氧化碳消耗量。此項因素為主因。

針對#2機組往常啟停機二氧化碳置換時排氫門開度過大或一直保持常開、置換壓力不高于20KPa的情況，現(xiàn)場指派人員進行排氫門開度的調整，維持發(fā)電機內部壓力在20KPa～30KPa，觀察總二氧化碳置換使用量隨之變化狀況。不改變匯流排壓力，通過就地控制排氫門不同開度來調控發(fā)電機置換速度，并且統(tǒng)計最后二氧化碳用量。

由上表可知，紅色為往常調整值，不改變匯流排壓力，通過就地控制排氫門不同開度來調控發(fā)電機置換，發(fā)現(xiàn)在合理的壓力范圍之內（20～30KPa）隨著壓力的增高、排氫門開度減小，發(fā)電機氣體置換二氧化碳使用瓶數(shù)和置換時間均有所減少。

2.4置換時二氧化碳或氫氣未充分靜置

在置換的某個實例中，因為中途二氧化碳耽誤了供應而人為關閉了補排氣門一段時間，后發(fā)現(xiàn)該次置換使用二氧化碳總量較往常有降低，而后通過一段時間的實踐觀察，發(fā)現(xiàn)通過靜置分層可以有效降低二氧化碳總消耗量。因此可以確定此項因素為主因。

我們用置換與靜置分層交替進行替代置換全程“邊補邊排”，采取每置換4～5小時靜置半小時方案，收集參數(shù)制成下表（表2-2）。

通過上表可以看出，置換與靜置分層交替進行方案明顯大幅降低了二氧化碳使用瓶數(shù)，但是在置換時間上并無優(yōu)勢，與相關研究表明通氣置換法通常具有較高效率結果相符[2]，而且二氧化碳長時間在發(fā)電機內停留將有產生綠垢的風險[3]。

2.5置換管路存在泄漏，二氧化碳加熱器未投入使用或加熱程度不夠

通過對整個置換管路進行檢查維護，并現(xiàn)場采用測氫儀進行漏氣檢測，未發(fā)現(xiàn)泄漏狀況，同時通過長期檢測發(fā)現(xiàn)，二氧化碳加熱器在置換時均可以及時提前投入運行，加熱后氣體溫度正常，符合規(guī)程要求。因此可以確定此項因素為次因。

2.6二氧化碳瓶內純度不足，壓力不合格

通過檢查入廠二氧化碳瓶壓力及純度，隨機抽樣檢測入廠二氧化碳罐裝瓶均經過嚴格檢測，純度和壓力符合行業(yè)標準，因此可以確定此項因素為次因。

2.7置換時氫氣壓力過高，未進行提前排氫

我廠歷次二氧化碳置換氫氣之前，均需將氫氣壓力排盡或降低至20～40KPa，每次都進行了提前排氫。因此確定此條為次要因素。

2.8二氧化碳充氣壓力過小

以往充二氧化碳壓力一般設定以發(fā)電機內恒定在20KPa為準，本次技術攻關中在歷次啟停機發(fā)電機氣體置換過程中適當變換各種充氣壓力，發(fā)現(xiàn)當充氣壓力在10KPa～40KPa范圍內，二氧化碳消耗量與充氣壓力呈現(xiàn)負相關。此項末端因素為主因。

結合以往的經驗，置換壓力不高于20KPa，二氧化碳匯流排同時兩只瓶充氣，壓力較低，現(xiàn)在保持排氫門開度不變的前提下，提高二氧化碳匯流排充氣壓力，將匯流排同時充氣瓶數(shù)量增加至四個，并且調整匯流排充氣壓力，將充氣壓力對應二氧化碳使用瓶數(shù)和置換時間制成下表（表2-3）。

由表可知，紅色為往常調整值，現(xiàn)在保持排氫門開度不變的前提下，提高二氧化碳匯流排充氣壓力，將匯流排同時充氣瓶數(shù)量增加至四個，并且調整匯流排充氣壓力，發(fā)現(xiàn)在合理的壓力范圍之內（20～30KPa）隨著壓力的增高，發(fā)電機氣體置換二氧化碳使用瓶數(shù)和置換時間均有所減少。但是壓力增加過大，將導致系統(tǒng)泄漏的風險增加。

結論：綜合以上分析可得出主要的三點因素：（1）置換時排氫門開度過大或一直保持常開;（2）二氧化碳充氣壓力過小;（3）置換時二氧化碳和氫氣未充分分層靜置 。

綜合采用以上三種主因調整方法，即通過增加二氧化碳匯流排同時充氣瓶數(shù)（2瓶調整為4瓶），適當提高發(fā)電機內部壓力值（20KPa調整為30KPa），采用置換與靜置分層交替進行的方式進行置換過程，在#2機最近一次2019年3月份、4月份的啟停機過程中，二氧化碳的使用瓶數(shù)成功降低至56瓶，比原先降低約60瓶，按照每瓶二氧化碳200元計算的話，當前兩臺機組每年約換1500瓶，經過本次活動降低至少一半即750瓶，每年節(jié)約開支15萬元，效果非常明顯。同時置換時間也小于兩個工作日，提高了工作效率。

參考文獻：

[1]張磊.大型火電機組集控運行[M].北京：中國電力出版社，2006：204

[2]馬巖昕.淺談如何縮短發(fā)電機氣體置換時間[J].電力安全技術，2017，19（06）：61-62.

[3]白永鋼.包裝容器氣體置換形式對置換效率的影響[J].液壓氣動與密封，2019，02：84-85.