溶解氫在發電機內冷水漏氫及漏氫量監測的研究與應用

孫維義 焦玉剛 薛亞飛 楊銳銳 王建軍 劉曉林 解小虎

（陜西德源府谷能源有限公司，陜西 府谷 719407）

0 引言

國家能源局《防止電力生產事故二十五項重點要求》2022征求意見稿中第10.7.1.2內冷水箱漏氫監測數據應以未進行補排水、水箱液位穩定時為準，當含氫量（體積含量）超過2%應報警，并加強對發電機的監視，超過10%應立即停機消缺，對于閉式水箱，氫氣濃度應在排氣閥開啟狀態下，水箱上部氣體達到動態穩定時測量。第10.7.1.3條明確規定漏氫量達到0.3m3/d時，應計劃消缺，漏氫量大于5m3/d時，應該立即停機處理。第10.7.1.4條明確規定有條件時開展水內溶解氫量檢測（或監測），通過與同類機組及歷史數據比較或計算等效漏氫量，判斷是否存在漏氫缺陷。《發電機定子冷卻水漏氫量檢測技術規程》T/CEC 279-2019也明確提出了發電機定子冷卻水泵出口溶解氫含量大于60μg/L時，定子冷卻水系統有氫氣泄漏的風險。以上兩個規程明確要求通過測量定冷水中溶解氫含量來判斷水電界面滲漏情況，并嚴格規定了立即停機條件。但無有效的檢測手段，導致專業技術人員、運行人員不清楚水電界面是否存在風險。

發電機內冷水漏氫的機理：由于發電機振動和老化會造成氫氣向內冷水系統的滲漏，氫氣首先溶解到內冷水中，一部分溶解在水中，另外一部分再從水中逃逸到水箱上部空間，水箱上部空間為多組分氣體，多組分氣體主要成分包含水箱上部空間中的氧和氮及漏入內冷水中逃逸的氫氣；當水箱上部的排空閥關閉時，隨著時間的推移，從內冷水中逃逸的氫氣的濃度越來越高，水箱上部空間中氫氣濃度從0逐漸增加到90%以上。

發電機內冷水漏氫的主要危害：（1）氫氣的爆炸極限是4.0%～75.6%（體積分數）；（2）氫氣是強的還原性氣體，能將銅線棒的氧化膜還原成單質銅和氧化亞銅，造成空心線棒的堵塞；（3）隨著發電機的振動和老化，滲漏點逐漸擴大，雖然氫壓高于水壓，由于文丘里效應，出現慢爬現象，絕緣遭到破壞，嚴重時造成拉弧放電，燒毀發電機風險。

目前常見的發電機內冷水漏氫量監測手段主要是通過測量水箱上部的氫氣濃度和氣體流量計算內冷水漏氫量的方法。

1 研究背景及意義

國家能源局《防止電力生產事故二十五項重點要求》2022征求意見稿中第10.7.1.2內冷水箱漏氫監測數據應以未進行補排水、水箱液位穩定時為準，當含氫量（體積含量）超過2%應報警，并加強對發電機的監視，超過10%應立即停機消缺，對于閉式水箱，氫氣濃度應在排氣閥開啟狀態下，水箱上部氣體達到動態穩定時測量。第10.7.1.3條明確規定漏氫量達到0.3m3/d時，應計劃消缺，漏氫量大于5m3/d時，應該立即停機處理。第10.7.1.4條明確規定有條件時開展水內溶解氫量檢測（或監測），通過與同類機組及歷史數據比較或計算等效漏氫量，判斷是否存在漏氫缺陷。《發電機定子冷卻水漏氫量檢測技術規程》T/CEC 279-2019也明確提出了發電機定子冷卻水泵出口溶解氫含量大于60μg/L時，定子冷卻水系統有氫氣泄漏的風險。以上兩個規程明確要求通過測量定冷水中溶解氫含量來判斷水電界面滲漏情況，并嚴格規定了立即停機條件。

2 研究的現狀

目前常見的發電機內冷水漏氫量監測手段主要是通過測量水箱上部的氫氣濃度和氣體流量表計算內冷水漏氫量的方法。

從發電機內冷水漏氫的機理得知，水箱上部空間的氣體是多組分氣體，多組分氣體主要成分包含水箱上部空間中的氧和氮及漏入內冷水中逃逸的氫氣和微小的壓力；多組分氣體中各組分濃度隨著氫氣濃度的變化，其它組分濃度也在變化，造成背景氣體的濃度變化。

（1）氫氣濃度測量一般采用熱導氣體測量方法，測量二組分氣體，測量精度還是比較高的，如果測量多組分氣體中的氫氣濃度，會造成一定的誤差；氫氣滲漏初期由于水箱上部空間氣體濃度低，氣體熱導法由于靈敏度的局限很難準確測量；

（2）水箱中水位變化和溫度直接影響了氫氣在水中的溶解度，直接影響水箱上部空間氣體濃度的變化，造成測量的誤差；

（3）水箱采用充氮保護氣體時，直接稀釋了水箱上部空間氫氣的濃度，造成測量的誤差；

（4）水箱上部空間的氣體壓力比較小，難于滿足氣體流量表的準確測量；

（5）氫氣先漏入到內冷水中，一部分溶解在內冷水中，多余的氫氣才逃逸到水箱上部空間，經過一段時間慢慢積累到一定的濃度，氫氣濃度才能檢測出來。

由于上述問題，通過測量水箱上部的氫氣濃度和氣體流量表計算內冷水漏氫量的方法存在許多不確定的因素，很難準確測量漏氫量；這種測量方法在機組充氫過程中很難捕捉滲漏情況從而錯過最佳檢修機會。

3 研究的主要內容

本項目依據氣相色譜分析儀檢測器的熱導測量原理，設計研制了水中痕量溶解氫測量技術，再結合發電機內冷水系統情況，量身定制了發電機內冷水漏氫量的檢測技術。

測量原理如下：在相同溫度、壓力條件下，用痕量級溶解氫同時檢測內冷水進、出發電機水樣溶解氫含量，結合發電機內冷水流量，準確計算出發電機內冷水漏氫量。

3.1 在線漏氫及漏氫量監測系統設計

圖1所示為本項目設計的在線漏氫量監測系統流程圖，整個測量系統由發電機勵端入口水樣、發電機汽端出口水樣、內冷水系統、溶解氫監測、水樣排放口、DCS組成。

圖1 在線漏氫及漏氫量監測系統流程圖

圖2 發電機在線漏氫及漏氫量監測系統圖

圖3 發電機在線漏氫及漏氫量監測系統顯示圖

3.2 在線漏氫及漏氫量監測設備運行調試

儀器安裝調試包括以下內容：

（1）通水：通過通水試驗可以鑒定一下儀器整體工作的狀況，各個部件位置安裝的合理性，以及進行部件的合理調整，從而使儀器達到最佳的運行狀態；

（2）流速穩定試實驗：在流速穩定不變的情況下，進行長時間的運行考核，觀察儀器的穩定性，找出最佳的運行值；

（3）儀器的整體標定：儀器的整體標定很重要，通過對儀器的標定，制定一套簡便可行的標定程序，并提供給使用者使用，使經校驗后的儀器達到統一標準，達到儀器部件的互換使用時，都在誤差范圍內。

3.3 在線漏氫及漏氫量監測設備系統應用研究

本項目研制的溶解氫在線漏氫及漏氫量監測設備已成功應用于國內某電廠600WM機組發電機內冷水漏氫量的在線監測上，測量數據真實地反映了機組運行期間發電機內冷水的漏氫量狀態。

從圖4和圖5歷史曲線分析，這臺機組發電機內冷水漏氫含量無論是入口還是出口示值都非常小，趨勢平穩，這臺機組的漏氫量為0.004m3/d表明這臺機組非常嚴密。

圖4 機組發電機內冷水漏氫量運行曲線1

圖5 機組發電機內冷水漏氫運行曲線2

4 結語

（1）本項目開發研制的發電機內冷水在線漏氫量監測設備，其漏氫量量分辨率達到0.001m3/d，可以準確測量火力發電廠發電機內冷水中漏氫量；

（2）發電機內冷水在線漏氫量監測設備在國內某600MW機組電廠的應用研究表明，當發電機內冷水有漏氫發生時，可以快速、準確判斷發電機內冷水漏氫信息；

（3）發電機內冷水在線漏氫量監測設備有效排除水位變化、保護氣體、水中溶解氧等因素干擾；

（4）通過監測發電機內冷水漏氫量變化趨勢，可以實時監控發電機運行狀況；防止發電機損壞事故發生，保障發電機安全運行。