330 MW氫冷發(fā)電機氫氣置換耗時計算

朱衛(wèi)兵，盧晨堂，高慧芳，趙麗娟

（1.華能濟寧運河發(fā)電有限公司，山東 濟寧 272100；2.華能沾化熱電有限公司，山東 沾化 256800）

0 引言

華能濟寧運河發(fā)電有限公司5號、6號2×330 MW機組發(fā)電機為上海電機廠制造，型號為QFSN－330－2，冷卻方式為水－氫－氫。H2作為發(fā)電機的冷卻介質(zhì)，一旦與少量的氧氣或空氣混合，就有爆炸的危險。氫冷發(fā)電機在啟動前、停機后要進行兩項重要操作—對發(fā)電機充、排H2，為了安全起見，通常用中間氣體（CO2）進行置換。該電廠兩臺機組自投產(chǎn)以來，每次H2置換（充、排）操作所需時間都長短不一，且差別很大。為了進一步規(guī)范電廠氫冷發(fā)電機H2置換操作，使各步操作符合相關(guān)技術(shù)管理的要求，減少安全隱患，對充、排H2過程所需時間進行計算。

1 發(fā)電機氫氣置換系統(tǒng)構(gòu)成

運河電廠330 MW發(fā)電機組的體外氫氣系統(tǒng)如圖1所示，在制氫站內(nèi)設(shè)有4個氫罐，每個氫罐容積為13.9 m3，采取單個氫罐在線運行的方式向外提供H2；從制氫站到汽機房0 m層調(diào)節(jié)閥前的管路（下稱氣源管路）材質(zhì)為不銹鋼，D22 mm×3 mm（內(nèi)直徑16 mm，截面積 2×10－4m2），設(shè)計工作壓力 0.6 MPa；汽機房0 m層補氫調(diào)節(jié)閥后到汽機6 m層U型接頭之間的管路（下稱中段充氫細管）材質(zhì)和規(guī)格與氣源管相同；發(fā)電機下部的管路 （下稱發(fā)電機下部充氫粗管）材質(zhì)為不銹鋼，D48 mm×3.5 mm （內(nèi)直徑41 mm，截面積1.319×10－3m2）；發(fā)電機下部排氣粗管材質(zhì)和規(guī)格與發(fā)電機下部充氫粗管相同，發(fā)電機腔室容積為68.8 m3。

2 相關(guān)計算

2.1 H2計算

在工程估算中，H2可視為理想氣體［1］。 對于1kmol H2，由 pV＝nRT，得

式中：p 為氣壓（絕對壓力），Pa；V 為體積，m3；T 為溫度，K。

在標準狀態(tài)（0 ℃，101.325 kPa）下，1 kmol的 H2體積 22.4 m3，質(zhì)量 2 kg，密度 0.089 3 kg／m3。

2.2 氫罐計量方法

制氫站中的氫罐對外提供H2，單只氫罐容積Vc＝13.9 m3，設(shè)提供H2過程中溫度T不變，供氫之前氫罐中H2量為n1kmol，氣壓為p1；供氫之后氫罐中H2量為n2kmol，氣壓為p2。狀態(tài)方程

由此得氫罐供H2量為

圖1 330 MW發(fā)電機組體外氫氣系統(tǒng)

將供H2量換算為標準狀態(tài) （0℃，101.325 kPa）下的體積

式中：Δp＝p1－p2，為氫罐供 H2前后的壓降，MPa；T 為環(huán)境溫度，K。

在一個標準大氣壓（101.325 kPa）、環(huán)境溫度T下，氣體體積

3 發(fā)電機充H2及H2升壓過程

新機組或大修后的機組，機殼內(nèi)是空氣，要充H2必須排凈空氣。用CO2置換時，應(yīng)先將CO2從發(fā)電機底部通入，將空氣從上部排出。由排出口取樣化驗CO2純度達85%以上，壓力大于50 kPa時，停止充CO2，關(guān)閉排氣門，開始充入H2，打開發(fā)電機底部排污門，將CO2排出，待H2純度達96%時，即為合格，關(guān)閉底部排污門，繼續(xù)充H2升壓至規(guī)定值，充H2工作結(jié)束。

3.1 發(fā)電機充CO2置換空氣過程

發(fā)電機腔室68.8 m3，充CO2過程按照設(shè)計要求1.5倍的用氣量可達到CO2純度95%。發(fā)電機充CO2暫定發(fā)電機內(nèi)在35 kPa、10℃的定壓等溫情況下進行，按此計算，需要 CO2量 103.2 m3，由 CO2氣體特性可知，在CO2加熱器投運良好的情況下，充CO2時間受季節(jié)影響很大，主要取決于瓶的更換和連接管結(jié)冰情況。一般，充CO2置換空氣可控制在5～6 h，再考慮到排死角、穩(wěn)定30 min測量純度等需1.5 h，則充CO2置換空氣合格需要7.5 h。

3.2 發(fā)電機充H2置換CO2過程

自制氫站至主廠房的氫氣管道的汽壓維持0.6MPa（設(shè)計值），由制氫站人員負責(zé)減壓閥后的壓力調(diào)整。單只氫罐壓力下降速度控制由制氫站人員觀察，聯(lián)系集控人員調(diào)整汽機0 m處的調(diào)節(jié)閥，用該調(diào)節(jié)閥控制充H2速度。此調(diào)節(jié)閥處流動速度最大，只要控制閥后中段充氫細管內(nèi)在氫壓0.1～3.0 MPa時，流速不超過 25 m／s［2］，其他各管段內(nèi)的 H2流速就不會超限，以下以此處的流速為計算依據(jù)。

充H2過程按照設(shè)計要求2.5倍的用氣量可達到H2純度95%。發(fā)電機充H2暫定發(fā)電機內(nèi)在35 kPa、20℃（密度0.110 8 kg／m3）的定壓等溫情況下進行，按此計算，需要H2體積172 m3，質(zhì)量為19.057 6 kg。換算到1個大氣壓、20℃狀態(tài)下，體積229.057 m3。

表1 H2置換CO2的過程中段充氫細管在不同流速下的計算

由表1可知，若以“中段充氫細管”的流速不超過25 m／s來控制，H2置換CO2的過程約需要9.5 h，再考慮到排死角和穩(wěn)定30 min測量純度需要1.5 h，則H2置換CO2合格耗時約11 h，單只氫罐壓力下降速度應(yīng)控制在3 kPa／min。

3.3 發(fā)電機內(nèi)H2升壓過程

發(fā)電機內(nèi)H2置換結(jié)束后的狀態(tài)為：35 kPa（表壓力）、20℃，H2質(zhì)量為 7.623 kg。 H2升壓后要達到310 kPa（表壓力）、20 ℃，質(zhì)量為 19.539 kg。 因此，升壓過程需要增加的H2質(zhì)量為11.916 kg。 換算到310 kPa（表壓力）、20℃狀態(tài)下，H2體積為 36.285 m3；換算到 35 kPa（表壓力）、20℃狀態(tài)下，H2體積為107.54 m3。

由表2可知，若以“中段充氫細管”的流速不超過25 m／s來控制，隨著升壓過程進展，逐漸提高單氫罐壓力下降速度，升壓過程可按4 h控制。 具體為：起初，由于發(fā)電機內(nèi)壓力35 kPa較低，單氫罐壓力下降速度按2.91 kPa／min，然后逐漸提高；在升壓接近結(jié)束時（即執(zhí)行4 h），單氫罐壓力下降速度達到8.63 kPa／min。

綜上所述，由空氣置換為H2并升至額定壓力所耗時約為22.5 h。

4 發(fā)電機排H2過程

停機檢修前或事故緊急停機后，須進行排H2。排H2與充H2升壓過程相反，打開發(fā)電機排氫門，待發(fā)電機氫壓降至35 kPa，再接入CO2，將CO2從底部通入將H2置換排出，經(jīng)化驗CO2純度大于95%時，停止充氣關(guān)閉進空氣門，排H2結(jié)束。

4.1 發(fā)電機排H2泄壓過程

發(fā)電機排H2泄壓是發(fā)電機腔室內(nèi)自310 kPa、20℃，H2量為19.539 kg降到 35 kPa、20℃，氫氣量為7.623 kg的狀態(tài)。需要排放的H2量為11.916 kg。換算到 310 kPa、20℃狀態(tài)下，H2體積為 36.285 m3；35 kPa、20 ℃狀態(tài)下，H2體積為 107.54 m3；1 個大氣壓、20℃狀態(tài)下，H2體積為 143.22 m3。

由表3可知，若按排H2管節(jié)流門后大氣狀態(tài)的等流速20 m／s控制，發(fā)電機自工作壓力降到35 kPa，需要1.5 h，發(fā)電機內(nèi)降壓速度3 kPa／min控制。

表2 升氫壓過程中段充氫細管在不同流速下的計算

表3 發(fā)電機下部排氣粗管在一定流速下的計算

4.2 發(fā)電機用CO2置換H2過程

排氣管道管徑較粗，因此該段時間主要取決于充CO2的操作。在CO2加熱器投運良好的情況下，充CO2時間主要取決于瓶的更換和連接管結(jié)冰情況，與季節(jié)有關(guān)。

一般，充CO2置換H2可控制在5～6 h，再考慮到排死角、穩(wěn)定30 min測量純度等需1.5 h，則用CO2置換H2合格需要7.5 h。

綜上所述，發(fā)電機內(nèi)由額定氫壓置換為CO2的所用時間約為9 h。

5 結(jié)語

分析了氫冷發(fā)電機各充氫管段的構(gòu)造，詳細計算了各管段的氣體流速。 通過分析計算，得出了在正常情況下氫氣置換過程所需時長，此算法已經(jīng)在電廠實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，效果良好，有效地指導(dǎo)了電廠運行人員的過程操作。

［1］沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］GB50177—2005 氫氣站設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］火力發(fā)電職業(yè)技能培訓(xùn)教材編委會.電氣設(shè)備運行［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［4］林建忠，阮曉東.流體力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.