發電機組檢修時氫氣置換方法及防燃爆措施的探討

郭 朋

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司，河北 唐山 063200）

發電機作為轉動設備，在工作過程中轉子高速旋轉與定子之間存在滑動接觸，這樣就會產生熱量，為了使機組穩定、高效、長時間運行，需采取降溫措施。通過各種試驗和對比發現，現在市場上多數發電機組采用冷卻效果較好的氫氣作為冷卻媒介，但是由于氫氣容易泄露，通常采用流動注油形成油膜的方式對氫氣進行有效封堵[1]。由于氫氣的化學性質較為活潑，容易燃燒、爆炸，且爆炸范圍較廣，引爆能量較小，因此在對發電機進行檢修時都需要將發電機內部氫氣充分置換后才可以進行相關檢修工作。同時發電機內部構造較為復雜，在置換過程中會存在某些死角使得氫氣置換不徹底，給發電機檢修工作帶來極大的安全隱患[2]。某電廠在檢修過程中由于氫氣置換不徹底發生爆鳴事件，導致發電機揭缸進行檢查，拖延了檢修時間，所幸爆鳴范圍較小，未造成人員傷亡及較大的設備故障。

1 氫氣的特性及風險控制

1.1 氫氣的溶解特性

受壓力和溫度的影響，氫氣可以溶解于水、油等介質。隨著壓力和溫度的變化，氫氣的溶解度也會發生變化，氫氣溶解后仍然是以氫氣分子存在，不會以離子形式存在，因此在密封空間中當氫氣析出后會聚集存在[3]。

1.2 氫氣的燃爆特性

氫氣的主要特性是易燃易爆，在常溫下氫氣的性質穩定，不易與其他物質發生反應，但在空氣中遇明火或“能量源”（能量源主要為靜電或電火花）誘發后易和氧氣反應，引起燃燒或爆炸。氫氣的燃燒、爆炸條件是在空氣中其體積為4.0%～75.0%、18.0%～59.0%，溫度為585℃，最低能源點燃為0.02 MJ。氫氣具有燃燒、爆炸的特點，因此在進行發電機氣體置換時發生氫氣爆炸的可能性更大。氫氣的燃燒、爆炸性能如表1所示。

表1 氫氣的燃燒、爆炸性能

1.3 能量源隔離

根據氫氣的溶解特性和燃爆特性可以看出，“氫爆”是可控制的，首先是減少氫氣的聚集，在密閉空間內及時將析出的氫氣排出；其次是切斷“能量源”，在有氫氣的環境中做好防靜電措施，如果需要動火作業，應當做好檢測和置換工作，同時升級動火作業等級并安排專業人員進行現場監護，如果涉及動火操作要使用專用銅制工具[4]。

2 發電機組檢修氫氣置換方法及改善措施

2.1 氫氣置換時間及方法

發電機檢修時，一般在發電機停運后開始對氫氣系統進行置換。目前發電機氫氣置換的方法主要有兩種，一種是中間氣體置換法，另一種是抽真空置換法。抽真空置換法是用真空泵直接將發電機內部的空氣抽出來，使發電機氣體管路內形成真空，然后再充入二氧化碳氣體。這種方法簡便、省時、節約、置換較徹底，但是由于真空作用可能會對發電機內部結構造成不良影響，因此大多數單位不采用此種方法進行置換。

一般情況下，還是采用中間氣體置換法進行排氫，先向發電機內引入二氧化碳以驅趕發電機內的氫氣，當發電機內二氧化碳含量（體積分數）超過95%后，再用壓縮空氣驅趕二氧化碳，當二氧化碳純度（體積分數）低于15%時，停止向發電機內通壓縮空氣。

2.2 氫氣置換方法的改善措施

現在市場上多數發電機組油密封方式主要為氫氣側、空氣側均有一路油源注入密封瓦，氫氣側自成封閉循環系統，密封油系統置換、停運后因氣側壓力由0.3 MPa降低至大氣壓力，油溫由60℃恢復至常溫，根據氫氣在油中的溶解性（見表2），此時發電機底部密封油中溶解的氫氣開始析出，在發電機內部聚集。

表2 油溫60℃時，不同氫壓下氫氣在油中溶解度（氫側回油量1 L/min）

根據此問題，應該對發電機氫氣置換時機和置換方式進行調整。為保證氫氣有足夠的析出時間，應將氫氣置換時間安排在發電機組停止盤車后且油溫冷卻至常溫時。

在檢修過程中應加強對發電機內部氫氣含量的檢測，如果有變化要及時進行再次置換，直至氫氣含量不再變化。或從發電機上部引入氮氣作為再次置換氣源，在整體置換完成后將氮氣充至發電機內部，維持0.02～0.03 MPa供氣壓力持續吹掃發電機24～48 h，降低油中析出氫氣所占體積比，每5～6 h檢測主管路、死角氫氣含量，當氫含量為0時停止氮氣吹掃，進行通風后再開始相關檢修工作。

3 發電機檢修時防止氫氣爆炸的其他措施

為了進一步切斷“能量源”，還應該從以下五個方面做好防控措施。

1）在發電機停運后，一切操作都要使用專用防爆工具（鈹青銅和鋁青銅材質工具），杜絕因操作不當產生電火花。

2）發電機停運后，應首先進行氫氣置換，未置換合格，禁止一切動火作業和其他工作。發電機檢修完成后密封油系統，氫氣系統應單獨進行調試，調試過程中禁止其他工作同時進行，還要保證通風良好。

3）氣體置換前要確保排污口附近沒有任何操作并設置安全可靠的地網，置換過程中要控制排氫速度緩慢而且平穩，防止排氫速度過快或波動劇烈摩擦而發生火花。

4）發電機氫氣系統使用的相關設備（附屬分析儀如置換分析儀、氫氣純度儀、發電機絕緣監測），一定要采用防爆型且保證設備安全可控。

5）發電機組氫氣系統檢修的人員在工作過程中的著裝要完全采用防靜電材料，衣服內部嚴禁攜帶除必要工具以外的其他物品。

4 結語

由于氫氣特殊的性質且在發電機組冷卻過程中不可或缺，因此在使用和置換過程中要慎之又慎。要注意對干燥劑進行定期檢測，發現問題及時更換；發電機組運行過程中要注意監視發電機各部分的壓力、溫度、溫升和振動變化，與正常運行的發電機負荷應無異常；各類檢測裝置確保完善；采取可靠措施對氫氣系統定期排污；將氫氣純度控制在給定范圍內，以確保氫氣在發電機組的安全使用。