一起發電機漏氫事件的分析與處理

寧效偉，關錦良

(廣東省能源集團廣東粵電韶關發電廠有限公司，廣東 韶關 512100)

0 引言

目前，國內汽輪發電機組大多采用水氫氫冷卻方式，即發電機定子繞組冷卻水(除鹽水)內部冷卻、轉子繞組氫氣內部冷卻、定子鐵心氫氣冷卻的方式。發電機在運行期間，發電機定子膛內充入一定壓力和純度的氫氣，氫氣與大氣之間采用密封油進行密封隔絕，防止外界空氣進入發電機內部，同時防止發電機內氫氣漏出。由于氫氣是易燃易爆氣體，當空氣中氫氣的體積含量達到4 %～74.2 %范圍時，遇明火會發生爆炸，因此，必須嚴格地控制發電機漏氫量以保證運行安全。

1 一起發電機漏氫事件的經過與處理

某電廠發電機的出廠型號為QFSN-300-2-20B，采用水氫氫冷卻方式，該發電機的主要參數為：額定功率330 MW (388 MVA)，額定電壓20 kV，額定電流11.207 kA，額定功率因數0.85，額定頻率50 Hz，額定轉速3 000 r/min，效率(保證值)不低于98.8 %，相數3，接法YY，額定氫氣壓力0.30 MPa，最高氫壓0.35 MPa，漏氫量低于8 m3/天。

機組于2005年投產，發電機漏氫量等指標均滿足運行要求。但在某次計劃性A級檢修后，運行發現發電機氫氣壓力快速下降，經現場檢查發現定子繞組冷卻水的電導率高達15 μS/cm，同時水箱頂部排空氣管中有大量氣體漏出(漏氫測量儀測得漏氫量報警100 %)，迅速減負荷并停機。

發電機倒氫后，用0.3 MPa的壓縮空氣通入發電機內冷水系統以查找具體漏點。打開發電機人孔，在汽側聽到明顯的漏氣聲，于是吊開發電機汽勵兩側的氫氣冷卻器并進入發電機兩側端部檢查，在發電機汽側匯水管“三通”部位發現一道80 mm長的裂紋，判斷此為漏氫點。為縮短檢修工期，對裂紋進行了V型打磨、不銹鋼氬弧焊焊接處理，并進行著色檢查、氣壓試驗(0.5 MPa，8 h)、水壓試驗 (0.5 MPa，8 h)、整體氣密性試驗 (0.3 MPa，16 h)等，檢查合格后發電機重新投氫、并網。后續持續跟蹤泄漏量，均滿足要求。

機組運行約1年后，發電機內氫氣壓力快速下降，且通過補氫無法維持正常壓力，同時在水箱排氣口發現大量氫氣，機組解列停運，觀察氫氣壓力由0.3 MPa下降至接近0的時間約為5 h。倒氫后，打開人孔檢查，在發電機汽側匯水管“三通”部位發現一道約160 mm長的裂紋。由于機組臨近計劃性大修，繼續采用V型打磨、不銹鋼氬弧焊接進行臨時處理，在水壓、氣壓試驗合格后投入運行。后續在機組大修期間，對發電機汽、勵兩側的匯水母管進行替換，氣壓、水壓、氣密性、分支定子冷卻水流量超聲波測試等試驗合格后正常投運。

從漏氫事件及處理過程中發現，該發電機連續2次的漏氫故障均為汽側匯水母管的同一個三通上出現裂紋，氫氣通過裂縫進入定子繞組內部的定子冷卻水系統所致。三通產生裂紋的原因和處理如下。

(1) 2次裂紋的產生均為三通管材制造缺陷引起，因此，維護過程中應加強著色探傷檢查。

(2) 該三通位置上設有分支絕緣引水管，需在三通上進行打孔，影響了三通的質量，因此，在設計中應盡量避免在三通位置開孔。

2 發電機漏氫的危害

(1) 漏氫易導致發電機內氫氣壓力波動，甚至低于額定氫氣壓力，從而影響發電機的出力與電磁轉換效率。

(2) 漏氫容易引起發電機內氫氣的濕度增大、冷卻水滲入機內、密封油進入機內等異常情況，導致氫氣純度下降，腐蝕或損壞發電機定子線棒的絕緣強度，甚至加大引發定子繞組相間短路或對地短路等惡性事故的幾率。

(3) 漏氫的部位不同，引發后果的嚴重程度也存在差異。若漏點處容易聚集氫氣，在達到一定濃度時遇到明火則會發生爆炸，給發電企業帶來嚴重的安全挑戰。

(4) 漏氫會導致發電機損壞。若氫氣漏入定子線棒，容易導致定子線棒冷卻水回路形成氣塞從而降低定子線棒的冷卻效果，嚴重時定子線棒局部發熱會引發定子繞組絕緣擊穿事故；若轉子導電螺桿處漏氫，漏出氫氣容易被勵磁碳刷處的火花點燃，輕則導致勵磁碳刷架起環火迫使機組停運，嚴重時將燒斷勵磁主回路部件。

(5) 漏氫的存在，一方面增加了機組運行操作，同時也提升了運營成本；另一方面漏氫必然會引起發電機機內氫氣壓力波動，導致油氫壓差閥頻繁動作，易引起密封油進入發電機內，削弱發電機定子線棒及引出線的絕緣強度。

3 漏氫處理措施

發電機漏氫具體表現在發電機內氫氣壓力的變化上，但發電機涉氫系統較多，包括了發電機本身的氫氣系統、排補氫系統、密封油系統、氫氣冷卻器系統、油氫壓差自動調節系統、熱控測量儀表系統等，且各系統所包含的設備數目龐大，一旦出現漏氫情況，排查起來相當困難，同時由于氫氣具有爆炸屬性，因此，漏氫處理的緊迫性與及時性尤為重要。為盡快發現并消除存在的漏氫點，對漏氫事件進行歸納，總結相關經驗。

3.1 查找方法與判斷標準

3.1.1 查找方法

發電機漏氫檢查應根據機組的運行狀態采用不同的查找方法，常用且有效的查找方法如下。

(1) 肥皂水查漏。用調制好的肥皂水涂抹至涉氫系統設備的結合面、螺栓、法蘭、測量管接頭、閥門等部位，然后觀察肥皂水起泡的情況即可判斷是否存在氫氣泄漏。該查找方法直觀但繁瑣，一般用于有重點泄漏嫌疑的設備查找。

(2) 采用氫氣檢漏儀進行查找。推薦使用靈敏度高、攜帶方便的檢漏儀，以提升檢查有效性。該查找方法簡單、效率較高。

(3) 發電機處于停運狀態時，可采用鹵素檢漏儀檢漏。向發電機內充鹵素氣體，再充壓縮空氣至0.3 MPa (表壓)進行查漏。需關注該儀器中離子室有熾熱紅火種，如氫氣溢出存在氫爆風險。

3.1.2 漏氫量判斷

當發現發電機氫氣系統存在泄漏時，補氫操作(氫壓變化、補氫頻次等)只能大致反映出漏氫量，而詳細準確的漏氫量數據需要通過發電機氣密性試驗具體計算。氣密性試驗可在發電機運行中進行，但需要注意：試驗期間不得進行排補氫操作；試驗時間一般不小于24 h；盡量選擇環境溫度變化小的時間段開展試驗；試驗期間不得使發電機局部受熱或受冷，并盡可能選擇靠近發電機膛內中部區域且測量準確的同一溫度測點。

查漏時一般充入氮氣或者壓縮空氣（需發電機轉子靜止或處于盤車狀態），漏氣量計算參照DL/T 607—2017《汽輪發電機漏水、漏氫的檢驗標準》要求實施。在1個標準大氣壓(0.101 3 MPa)、溫度為θ2時，漏空氣量ΔV＇A(每24 h的泄漏量)計算公式：

式中：V為發電機充氣體積，m3；Δt為試驗時間，h；Pg，1，Pg，2分別為試驗開始與結束時的機內壓力，MPa；Pa，1，Pa，2為試驗開始與結束時的大氣壓力， MPa；θ1，θ2分別為試驗開始與結束時的機內溫度，℃。

通過上式計算得到的是溫度為θ2℃時所充氣體的漏氣量，若所充的氣體為壓縮空氣時，折算到“1個標準大氣壓(0.101 3 MPa)下、20 ℃時每24 h的漏氫量”ΔVH為：

漏空氣量與漏氫氣量的換算倍數，一般有2種計算方式：由空氣與氫氣在“標準大氣壓、0 ℃時”的比重推算為或由“0 ℃氫氣與空氣均方根速度比，得出為11 830/485=3.77”，在 DL/T 607—2017 標準中該換算倍數選取為3.8。在查漏實踐中，考慮到漏點的不同(有的漏點空氣分子無法漏出、但氫氣分子可以漏出)以及考慮氫氣進入密封油的能力遠強于空氣等因素，因此，在嚴重漏氫的情況下，折算時可將該換算倍數適當取大。發電機檢修后，整套氫冷系統每24 h最大允許漏空氣量及評價標準如表1所示。

表1 整套氫冷系統每24 h最大允許漏空氣量及評價標準(0.101 3 MPa，20 ℃ )

3.2 漏氫排查順序與處理

發電機的常見漏氫部位有發電機端罩與機座的結合面、發電機氫氣冷卻器上下法蘭與機殼的結合面及螺栓處、發電機端蓋與端罩及上下半端蓋結合面及螺栓處、發電機端蓋與密封瓦座的結合面、發電機出線室內定子引出線套管等。當發生發電機漏氫故障時，在保障發電機安全運行的前提下，應迅速進行排查與除漏工作，采取有效的排查方法發現漏氫點并及時進行處理。

針對漏氫情況，首先確定是發電機系統設備的內漏或外漏：內漏主要是指發電機系統設備內部的氫氣漏入定子繞組的定冷水系統或漏入密封油系統；外漏是指發電機系統設備內部的氫氣漏入大氣。依據嚴重程度，總結類似漏氫查找處理經驗，制定相應的排查順序與處理對策。

(1) 檢查勵磁側端蓋結合面是否有氫氣泄漏，因該處泄露的氫氣極易被勵磁碳刷火花點燃造成嚴重事故。處理對策：該處漏氫可采取簡單的涂抹密封膠、壓緊端蓋螺栓處理，無法消除時可采用專用的機械擠壓設備進行擠壓，利用金屬的變形特性消除漏氫。

(2) 檢查定子內冷水系統冷卻水箱頂部排空氣管處的泄漏，若存在泄漏現象，則說明定子繞組線棒的絕緣、匯水母管、絕緣分支引水管等存在損傷，同時應防止氫氣在定子線棒冷卻水回路內形成氣塞。處理對策：加強定子繞組溫度與出水溫度的監視，同時做好機組停運并進一步檢查的準備工作。

(3) 密封油排煙風機出口處漏氫量的檢測，若發現異常，則說明氫氣已漏入密封油系統。處理對策：分析是否為密封油壓過低、密封油帶水較多所致，該情形可通過調整密封油壓、濾油解決；若無法解決，則說明發電機密封瓦間隙較大，需在機組停運時進行密封瓦間隙調整。

(4) 檢查氫氣是否通過氫氣冷卻器的冷卻銅管漏入冷卻水系統。該冷卻水來自于氫氣冷水系統，可通過水中氫氣含量進行檢測。若發現漏氫，則利用水壓試驗找到漏點予以消除。

4 結束語

發電機發生漏氫時，及時發現并有效處理能防止漏進一步引發惡性事故。在排查與處理期間，應加強疑似漏氫區域的作業管理，若確認了漏氫部位，應及時做好防止氫氣聚集措施，以避免發生氫氣爆炸事故。為預防發生發電機漏氫引發的各類事故，應提高對發電機機內氫氣壓力變化、氫氣品質變化的監測；同時加強發電機氫氣系統(氫氣除濕裝置、密封油系統油壓及壓差閥自動調節系統設備等)的維護保養，以提高其運行的可靠性與安全性，從而提升機組安全穩定運行能力。