秦山第二核電廠發(fā)電機(jī)氫氣純度控制

張紅樂 王贊娥 劉佳林 黃強(qiáng) 羅婭彬 錢立波

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300）

0 引言

氫氣由于其散熱能力強(qiáng)，摩擦損失低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)的冷卻[1]。秦山第二核電廠1&2號機(jī)組兩臺650MW汽輪發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，即定子繞組水內(nèi)冷，定子鐵心及端部結(jié)構(gòu)件氫氣表面冷卻、轉(zhuǎn)子繞組氣隙取氣氫內(nèi)冷的冷卻方式。氫氣冷卻可有效降低發(fā)電機(jī)繞組熱損耗從而提高發(fā)電效率，但氫氣純度過低會給發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行帶來安全隱患。所以，必須在線檢測發(fā)電機(jī)氫氣純度并控制氫氣純度在合理范圍內(nèi)。

1 氫氣純度檢測

1.1 氫氣純度檢測重要性

氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度保持在96%-98%為最佳工況，如果機(jī)內(nèi)氫氣純度過高(高于98%)，氫氣消耗量會增大，從經(jīng)濟(jì)角度講不合理，如果氫氣純度過低(低于95%)，會使發(fā)電機(jī)效率降低，同時(shí)機(jī)內(nèi)氣體含氧量相應(yīng)增加，混合氣體安全系數(shù)降低，容易與有關(guān)氣體形成爆炸性混合氣體，不安全[2]。秦山第二核電廠1&2號機(jī)組主發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行及事故處理導(dǎo)則[3]規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)氫氣純度低于96%時(shí)應(yīng)通過小直徑管線進(jìn)行發(fā)電機(jī)氫氣充排操作，直至將氫氣純度恢復(fù)到98%以上為止，因此，發(fā)電機(jī)氫氣純度的在線檢測是非常必要的。此外，發(fā)電機(jī)氫氣置換操作時(shí)，對氫氣純度進(jìn)行在線檢測，利于運(yùn)行人員對整個(gè)置換過程的掌控和最終置換結(jié)果的判斷，保證人員和設(shè)備安全。

1.2 氫氣純度在線檢測裝置

目前，常用氣體純度在線檢測裝置根據(jù)工作原理分為：基于測量混合氣體密度計(jì)算氣體純度和利用混合氣體導(dǎo)熱特性計(jì)算混合氣體純度兩大類。秦山第二核電廠1&2號機(jī)組發(fā)電機(jī)氣體純度儀是基于離心風(fēng)機(jī)葉輪理論的密度式氣體純度在線檢測裝置，該裝置由特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)、壓差變送器、壓力計(jì)組成，儀器實(shí)際測量的是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓差，由于此壓差與氣體密度有關(guān)，而氣體密度又直接與氣體成分成比例，故只要測出風(fēng)機(jī)壓差就等于測出氣體成分，其工作原理為，由離心式風(fēng)機(jī)葉輪理論[4]，流體在封閉葉輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，葉輪進(jìn)出口差壓與葉輪轉(zhuǎn)動角速度平方和流體密度成正比關(guān)系，純度風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差可表示為：Δp=ρ×（u22-u12）/2， 式中 ρ 為流經(jīng)純度風(fēng)機(jī)氣體密度；u1、u2為純度風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)、出口圓周速度。對于一個(gè)固定轉(zhuǎn)速的純度風(fēng)機(jī)，u1、u2均為常數(shù),因此通過測量純度風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)出口壓差，可得到純度風(fēng)機(jī)取樣處氣體密度ρ。汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體可近似于理想氣體混合物，通過理想氣體狀態(tài)方程將純度風(fēng)機(jī)取樣處氣體密度折算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣與混雜氣體物理特性計(jì)算出某一氣體組份純度。正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)混雜氣體主要為空氣，根據(jù)氫氣和空氣物理性質(zhì)可計(jì)算出氫氣純度，然而當(dāng)混雜氣體中含有水蒸氣時(shí)，可通過參數(shù)設(shè)置功能將混雜氣體物理參數(shù)調(diào)整至低于空氣物理參數(shù)，以得到精確氫氣純度，這些參數(shù)出廠時(shí)已設(shè)置好，運(yùn)行過程中無需調(diào)整。

2 影響發(fā)電機(jī)氫氣純度途徑

可能影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的途徑有：氫站來氫純度、壓縮空氣漏入、發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)。秦山第二核電廠1&2號機(jī)組擁有利用水電解生產(chǎn)氫氣的制氫系統(tǒng)，但制氫系統(tǒng)運(yùn)行成本高，安全性不好，該系統(tǒng)已封存，現(xiàn)采用外購氫氣方式，所購氫氣為純氫，純度達(dá)到99.99%以上，故氫站來氫不會導(dǎo)致氫氣純度下降；發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)壓縮空氣供發(fā)電機(jī)管線是隔離的，壓空管線上裝有盲板，對氫氣純度也不會造成影響；影響氫氣純度的重點(diǎn)在密封油系統(tǒng)。

秦山第二核電廠1&2號機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)采用雙環(huán)雙流式油密封瓦，密封瓦內(nèi)有空、氫兩個(gè)環(huán)狀配油槽。密封油系統(tǒng)提供的氫側(cè)密封油流向氫側(cè)配油槽，空側(cè)密封油流向空側(cè)配油槽，然后沿轉(zhuǎn)軸軸向穿過密封瓦內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸之間的間隙流出，如果空、氫側(cè)油路供油壓力在密封瓦處相等，兩股油流就不會在兩條配油之間間隙竄流，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)行人員控制氫側(cè)密封油壓比發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓高0.084MPa，發(fā)電機(jī)氫氣額定壓力為0.5MPa.a，所以常壓空氣無法直接進(jìn)入[5]。密封油系統(tǒng)中空氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)的途徑主要是氫側(cè)密封油攜帶的空氣釋放到發(fā)電機(jī)氫氣中，而密封油雙回路的獨(dú)立運(yùn)行，保證了氫側(cè)油攜帶空氣量很小，然而下面情況會影響發(fā)電機(jī)氫氣純度：

（1）平衡閥不平衡導(dǎo)致空、氫側(cè)竄油。在各種影響因素中，平衡閥空、氫側(cè)壓力不平衡導(dǎo)致空氫側(cè)油流互竄是影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的主要因素。發(fā)電機(jī)空側(cè)密封油以氫壓作為調(diào)節(jié)依據(jù)，通過差壓閥使其比氫壓高0.084MPa，而氫側(cè)密封油則通過平衡閥跟蹤空側(cè)密封油壓，使兩者油壓相等，保持差壓在±100mm·H2O范圍內(nèi)。然而，當(dāng)空側(cè)油壓高于氫側(cè)油壓時(shí),含空氣的空側(cè)密封油在密封瓦處將流向氫側(cè),而氫側(cè)密封油同發(fā)電機(jī)氫氣是直接接觸的,從空側(cè)過來的含空氣的密封油同發(fā)電機(jī)氫氣接觸將造成氫氣純度下降,氫氣濕度增加。反之,當(dāng)氫側(cè)油壓高于空側(cè)油壓時(shí),會引起氫側(cè)油流向空側(cè),在氫側(cè)回油箱油位低時(shí)通過補(bǔ)油浮子閥開啟從空側(cè)向氫側(cè)補(bǔ)油，同樣會造成氫氣純度下降,濕度增加。

（2）當(dāng)氫側(cè)油箱排油浮球閥或補(bǔ)油浮球閥或空氫側(cè)連通閥之中任何一個(gè)有內(nèi)漏，氫側(cè)密封油回路中管線或者排污閥有漏油現(xiàn)象等，都會導(dǎo)致氫側(cè)油箱油位不穩(wěn)定，氫側(cè)油箱油位不穩(wěn)定會導(dǎo)致空、氫側(cè)竄油，從而導(dǎo)致氫氣純度下降，濕度增加。

（3）密封油溫度高低直接決定油中攜帶氣體量的大小，所以在實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中還要控制好密封油溫度，秦山第二核電廠1&2號機(jī)組空、氫側(cè)密封油溫嚴(yán)格控制在42到50℃之間。

3 結(jié)論

氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度保持在合理范圍內(nèi)可保證設(shè)備與人員安全，提高電廠經(jīng)濟(jì)效益。氣體純度儀在線檢測能提供持續(xù)可靠的氫氣純度數(shù)據(jù)，電廠運(yùn)行人員應(yīng)掌握影響氫氣純度的主要途徑，保證氫冷發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］丁勇富，陳懇.發(fā)電機(jī)氫氣純度下降原因分析及處理[J].電站系統(tǒng)工程，2009(5):39-40.

［2］韓瑋，周霈捷，劉飛.大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度的分析與檢測裝置優(yōu)化[J].應(yīng)用科技，2000(3):6-7.

［3］主發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行及故障處理導(dǎo)則[S].秦山第二核電廠（內(nèi)部資料）.

［4］郭立君.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國電力出版社，1997，5.

［5］發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)手冊[S].秦山第二核電廠（內(nèi)部資料），20055.