火力發(fā)電機(jī)組如何提高發(fā)電機(jī)氫氣純度及其經(jīng)濟(jì)性分析

摘 要：目前，我國(guó)發(fā)電行業(yè)依然是火力發(fā)電為主，其中600MW發(fā)電機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)大部分發(fā)電企業(yè)進(jìn)行電力生產(chǎn)的主要設(shè)備，但是其運(yùn)行過(guò)程中用于發(fā)電機(jī)冷卻的氫氣純度問(wèn)題依然是企業(yè)安全生產(chǎn)的重大隱患。文章針對(duì)我廠600MW發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況以及導(dǎo)致氫氣泄漏的具體原因進(jìn)行了分析，提出了提高氫氣純度的相應(yīng)措施，對(duì)氫氣提純后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);氫氣;堵漏措施;提高純度。

0.引言

氫氣作為一種極易爆炸的危險(xiǎn)品，如果氫氣中含氧量大于3%，遇火立即爆炸，而發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子放電現(xiàn)象，就是說(shuō)，發(fā)電機(jī)內(nèi)內(nèi)氫氣純度的降低將存在氫爆的可能。發(fā)電機(jī)氫氣純度降低，可能造成發(fā)電機(jī)繞組絕緣下降，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全，同時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣純度降低將影響冷卻效果，直接與發(fā)電機(jī)效率有關(guān)，氫氣純度每下降1%，通風(fēng)損耗及轉(zhuǎn)子摩擦損耗將增加11%。

1.發(fā)電機(jī)氫冷卻現(xiàn)狀分析

我廠1、2號(hào)機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)均為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-600-2優(yōu)化型水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，采用水氫氫冷卻方式。發(fā)電機(jī)在冷卻氫氣進(jìn)口溫度不大于46℃、氫冷卻器冷卻水進(jìn)水溫度不大于35℃、定子繞組內(nèi)冷水進(jìn)水溫度不大于50℃、氫壓不低于額定值0.4Mpa、氫氣純度不低于95%的下列情況下能輸出額定出力。當(dāng)發(fā)電機(jī)在額定氫壓0.4兆帕下運(yùn)行，保證漏氫量每天不大于11.3立方米。

按照產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)氫氣純度不低于95%，氫氣壓力0.3-0.54Mpa。目前我廠發(fā)電機(jī)運(yùn)行概況為冷卻氫氣進(jìn)口溫度43℃，密封油差壓86Kpa，定子冷卻水溫度45℃，壓力0.36Map，漏氫量3.4立方米/日，氫氣壓力0.42Mpa，氫氣純度>97%，當(dāng)氫氣純度降低時(shí)通過(guò)排補(bǔ)方式進(jìn)行純度提升。我廠氫氣來(lái)源于制氫站，兩臺(tái)氫氣發(fā)生器和13個(gè)12Mpa氫氣儲(chǔ)罐，滿足7臺(tái)機(jī)組日常排補(bǔ)氫要求。

3.氫氣泄漏的常見(jiàn)原因分析

3.1外漏氫。“外漏氫”指的是發(fā)電機(jī)組本身存在的氫氣透過(guò)裂縫或者某些密封不嚴(yán)密的連接點(diǎn)進(jìn)入機(jī)體外部環(huán)境的泄漏現(xiàn)象。一般來(lái)講，氫氣具有密度低的特點(diǎn)，機(jī)組使用的純氫密度僅為空氣密度的7%左右，因此，氫氣在空氣中擴(kuò)散速度快，0.25米之外就難以看清氫氣泄漏的現(xiàn)象 [1]。

3.2內(nèi)漏氫。“內(nèi)漏氫”指的是機(jī)組的氫氣進(jìn)入空側(cè)或密封瓦座結(jié)合面的現(xiàn)象，主要是由于機(jī)組的油氫差壓閥出現(xiàn)故障或者質(zhì)量不過(guò)關(guān)而造成的。氫氣與密封瓦空側(cè)的回流油一同進(jìn)入主油箱，進(jìn)而在油箱內(nèi)混合成為具有爆炸能力的混合氣體。當(dāng)發(fā)電機(jī)組的定子繞組的空心導(dǎo)線內(nèi)水壓低于機(jī)內(nèi)的氫壓時(shí)，一旦空心導(dǎo)線的密閉性不完全，氫氣會(huì)進(jìn)入定子繞組空心導(dǎo)線內(nèi)冷水中，與冷水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種降低水循環(huán)流動(dòng)的物質(zhì)，減少了冷卻水的總量。

3.3其他原因。除上述兩種原因之外，發(fā)電機(jī)組的其他原因也會(huì)造成氫氣的泄漏，比如密封瓦座襯墊的質(zhì)量與安裝技術(shù)不當(dāng)、密封瓦角度、密封瓦軸向與徑向之間的距離過(guò)大、發(fā)電機(jī)組裝注膠工藝等原因都會(huì)引起氫氣的泄漏，因此需要工作人員對(duì)發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)之前進(jìn)行嚴(yán)格仔細(xì)的運(yùn)檢，防止漏氫問(wèn)題。

4.提高發(fā)電機(jī)氫氣純度的對(duì)策

為確保發(fā)電機(jī)氫氣純度達(dá)到要求，我們可以從以下幾點(diǎn)入手：

4.1機(jī)組啟停機(jī)時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)氣體進(jìn)行置換時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定，當(dāng)氫氣純度達(dá)到97%時(shí)，進(jìn)行全面的排死角，然后再進(jìn)行升壓。這樣基本可以使發(fā)電機(jī)氫氣純度到要求值。

4.2日常運(yùn)行時(shí)對(duì)密封油系統(tǒng)的監(jiān)視維護(hù)，發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)運(yùn)行情況，是影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的一個(gè)重要因素。運(yùn)行時(shí)通過(guò)平衡閥維持空氫側(cè)密封油壓差在合理范圍內(nèi)。

4.3保證氫氣質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的氫氣質(zhì)量也是保證發(fā)電機(jī)氫氣純度一個(gè)重要的指標(biāo)，所以要嚴(yán)格控制氫站提供的氫氣質(zhì)量。

4.4控制氫氣和密封油溫度，氫溫越高，氫純度下降越大。氫側(cè)密封油直接與發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣接觸，其含水量越大，密封油油溫越高，其內(nèi)部水分與油分子越容易擴(kuò)散到氫氣中，從而影響發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度，因此維持密封較低含水量，控制密封油溫度處于規(guī)定范圍的較低水平，也是保證發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度的重要環(huán)節(jié)。

4.5加強(qiáng)運(yùn)行巡視檢查。對(duì)機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行檢查，看是否在其限定的運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行空氣密閉性實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)組的日補(bǔ)氫量進(jìn)行測(cè)定，看是否存在超量現(xiàn)象。

4.6設(shè)備進(jìn)入檢修期的檢查。對(duì)機(jī)組的發(fā)電機(jī)出線、閉冷水箱、氫冷器等處進(jìn)行檢查，同時(shí)仔細(xì)尋找氫氣系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)的閥門(mén)、法蘭結(jié)合面處是否存在裂縫;對(duì)發(fā)電機(jī)組的大端蓋螺栓結(jié)合面進(jìn)行氫氣檢測(cè)，看是否存在泄漏問(wèn)題，如果存在問(wèn)題進(jìn)行臨時(shí)應(yīng)急處理并跟進(jìn)后續(xù)的檢測(cè)，看是否能解決問(wèn)題;對(duì)機(jī)組的主油箱排煙風(fēng)機(jī)出口、環(huán)形油箱以及排煙風(fēng)機(jī)入口管閥欄等處進(jìn)行檢測(cè)，看是否存在氫氣泄漏，清理入口管閥的油污、積水[2]。

5.如何提高氫氣純度

經(jīng)過(guò)漏氫處理后，要連續(xù)不斷的排補(bǔ)氫氣，才能使其純度由97%提升到98%。根據(jù)系統(tǒng)圖和現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)位置，按照規(guī)定每班不超過(guò)一次排補(bǔ)，需要連續(xù)班次的排補(bǔ)直至發(fā)電機(jī)氫氣純度達(dá)到98%以上。

首先開(kāi)啟發(fā)電機(jī)排氣管道手動(dòng)總門(mén)、1號(hào)發(fā)電機(jī)排二氧化碳手動(dòng)門(mén)，監(jiān)視發(fā)電機(jī)氫壓，排氫速度不能過(guò)快防止密封油差壓閥調(diào)整失靈造成氫側(cè)郵箱滿油，排氫速度一般控制氫壓下降不超過(guò)0.47Kpa/min，當(dāng)氫氣壓力達(dá)到0.38Mpa時(shí)，停止排氫，關(guān)閉發(fā)電機(jī)排氣管道手動(dòng)總門(mén)、1號(hào)發(fā)電機(jī)排二氧化碳手動(dòng)門(mén)，然后進(jìn)行補(bǔ)氫。打開(kāi)發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫手動(dòng)門(mén)、發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥前手動(dòng)門(mén)、發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥、發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥后手動(dòng)門(mén)，開(kāi)啟制氫站分配盤(pán)至機(jī)組補(bǔ)氫手動(dòng)門(mén)。密切監(jiān)視補(bǔ)氫壓力、氫側(cè)密封油箱油位，調(diào)整補(bǔ)氫壓力不大于0.45Mpa，控制補(bǔ)氫速度不超過(guò)0.47Kpa/min。當(dāng)發(fā)電機(jī)氫壓達(dá)到0.45Mpa時(shí)關(guān)閉補(bǔ)氫門(mén)、發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥前手動(dòng)門(mén)、發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥、發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫調(diào)節(jié)閥后手動(dòng)門(mén)及制氫站分配盤(pán)至機(jī)組補(bǔ)氫手動(dòng)門(mén)。

排補(bǔ)氫過(guò)程中應(yīng)該進(jìn)行排死角操作，主要針對(duì)發(fā)電機(jī)檢漏裝置、絕緣過(guò)熱裝置進(jìn)行排放，從而盡快提高純度。排補(bǔ)氫過(guò)程中還應(yīng)監(jiān)視密封油差壓、氫側(cè)密封油箱油位、平衡閥差壓、發(fā)電機(jī)氫壓、純度、漏氫檢測(cè)儀等重要參數(shù)的變化，發(fā)生異常變化時(shí)立即停止操作，待問(wèn)題消除后再重新進(jìn)行。

6.氫氣純度升高經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)和操作，整理記錄，我們發(fā)現(xiàn)，自2019年6月開(kāi)始連續(xù)每班開(kāi)始排補(bǔ)氫直至發(fā)電機(jī)氫氣純度達(dá)到98%共計(jì)持續(xù)了8天后停止連續(xù)排補(bǔ)氫。由于連續(xù)的排補(bǔ)氫使得發(fā)電機(jī)首次達(dá)到98%以上維持時(shí)間較長(zhǎng)約5天，之后平均3天純度下降到98%以下。發(fā)電機(jī)純度提升后機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)均正常。提高發(fā)電機(jī)純度到98%后經(jīng)過(guò)半年的觀察，發(fā)現(xiàn)開(kāi)始的時(shí)候供電煤耗沒(méi)有明顯的變化，但是從8月份開(kāi)始隨著發(fā)電量的增加發(fā)電煤耗開(kāi)始逐漸降低。而我廠氫氣成本約5元/m3，發(fā)電機(jī)提高1個(gè)氫氣純度約需40m3氣體，折合費(fèi)用為200元。按機(jī)組4天降低1個(gè)氫氣純度、年連續(xù)運(yùn)行280天計(jì)算，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)提純后，年增加費(fèi)用2.8萬(wàn)元。除去氫氣成本，相應(yīng)兩臺(tái)機(jī)組年度效益超100萬(wàn)元（除稅后，0.38元/kWh）。很明顯，提高氫氣純度，不但提高了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全，而且經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶蘇東.電氣設(shè)備及系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[2]李彪.淺議660MW發(fā)電機(jī)氫氣泄漏的原因及應(yīng)對(duì)策略.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè).2016，（10）.

作者簡(jiǎn)介：

李維（1985.09-），男，漢族，河北廊坊，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：電力工程。