9HA聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機漏氫監(jiān)測優(yōu)化研究

(中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

巴基斯坦赫維利1 230 MW燃氣聯(lián)合循環(huán)電站的設計規(guī)模為1套“二拖一”燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，額定出力1 230 MW，包括2套9HA.01型燃氣輪發(fā)電機組、2套三壓、再熱、自然循環(huán)余熱鍋爐和1套三壓、再熱純凝式蒸汽輪發(fā)電機組。2018年5月9日，該電站聯(lián)合循環(huán)機組投入商業(yè)運行，成為全球第一套投入商業(yè)運行的9HA燃機“二拖一”聯(lián)合循環(huán)電站。同時，該電站全廠凈效率達到63.04%，成為目前全球50 Hz領域效率最高的聯(lián)合循環(huán)電站。

發(fā)電機是保障聯(lián)合循環(huán)機組可靠、高效運行的重要主機之一。氫氣是理想的發(fā)電機冷卻介質(zhì)，但同時也是易燃易爆的氣體，按理論計算，在密閉容器中，當氫氣與空氣混合，氫的含量為4%～75%時即形成易爆炸的混合氣體[1]，即如果氫氣在空氣中的體積濃度在此范圍內(nèi)時，遇火源就會爆炸。而氫冷發(fā)電機氫氣泄漏問題是一直以來困擾國內(nèi)外發(fā)電企業(yè)的棘手問題。如果發(fā)電機發(fā)生大量漏氫，不僅會造成氫氣壓力下降、冷卻效果降低、發(fā)電機出力下降、機組效率降低，嚴重時還會導致氫氣爆炸和燃燒等事故。

目前部分電廠采用在水氫氫冷卻發(fā)電機內(nèi)冷水箱上部裝設氫氣泄漏報警儀，對發(fā)電機內(nèi)漏入內(nèi)冷水系統(tǒng)的氫氣進行監(jiān)督，這種辦法需要檢測氫氣逸出至空氣中的體積比，受系統(tǒng)干擾大，誤報率較高。文獻[2]介紹了利用在線溶解氫儀表測定發(fā)電機內(nèi)冷水中溶解氫的方法，文中介紹該方法在國內(nèi)外尚未廣泛應用，尚缺少相關的標準，需要通過更多的應用、更多的數(shù)據(jù)積累來檢驗，而且對于聯(lián)合循環(huán)全氫冷發(fā)電機運行中的冷卻水管道，采用該方法檢測溶解氫也具有一定的難度。

目前對聯(lián)合循環(huán)全氫冷發(fā)電機有效的氫氣監(jiān)測方法的研究仍不多，而電力行業(yè)規(guī)范DL/T 5204－2016《發(fā)電廠油氣管道設計規(guī)程》[3]中7.2.9條明確提出：“發(fā)電機工作氫壓高于冷卻水壓時，發(fā)電機氫氣冷卻器的水管道上應設置氫氣監(jiān)測器和報警器?！北疚囊园突固购站S利項目為依托，對大型氫冷發(fā)電機漏氫的途徑和危害、9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機漏氫監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，并對閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中氫冷器連接管道進行優(yōu)化設計，以期尋找一種簡單實用的漏氫檢測方法實時監(jiān)測管路系統(tǒng)漏氫狀況，指導運行和檢修，保障機組安全、高效運行。

1 發(fā)電機漏氫的途徑和危害

發(fā)電機漏氫的途徑主要有兩種，外漏和內(nèi)漏[4-5]。

1)外漏指的是發(fā)電機組本身存在的氫氣透過裂縫或者某些密封不嚴密處(如供氫管道、法蘭、密封設備、發(fā)電機端蓋等)泄漏進入機組外部環(huán)境的現(xiàn)象。由于氫氣密度僅為空氣密度的7%左右，氫氣在空氣中擴散速度較快，因此這種泄漏引發(fā)安全問題的概率相對較小，但仍存在氫氣長期泄漏至主廠房進行積聚而發(fā)生氫爆的可能，因此，加強廠房的通風換氣頻率，使泄漏氫氣無法集聚顯得尤為重要。另外，外漏氫同時會導致氫冷器換熱效率降低，對機組效率產(chǎn)生不利影響。

2)內(nèi)漏指的是發(fā)電機內(nèi)氫氣泄漏至發(fā)電機油、水系統(tǒng)中或封閉母線外殼內(nèi)的現(xiàn)象。如氫氣與密封瓦空側的回流油一同進入主油箱，進而在油箱內(nèi)混合成為具有爆炸能力的混合氣體；當發(fā)電機冷卻水運行壓力低于氫冷器氫壓時，一旦換熱管破損泄漏，氫氣會進入到冷卻水中，導致氫冷器冷卻效果降低。這些內(nèi)漏現(xiàn)象不但影響機組運行效率，氫氣內(nèi)漏至其他在運的油、水系統(tǒng)，擴大了危險區(qū)域的范圍，一旦通過系統(tǒng)中的漏點進一步漏至非防爆電氣設備或其它可能產(chǎn)生電火花的設備附近時，將可能引發(fā)爆炸等事故。

2 9HA聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機漏氫監(jiān)測

2.1 9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機主要技術參數(shù)

赫維利項目9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機采用全氫冷發(fā)電機，即發(fā)電機轉子繞組、定子鐵芯、定子繞組均采用氫氣冷卻，主要技術參數(shù)見表1。

表1 9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機主要技術參數(shù)

2.2 氫氣泄漏監(jiān)測站

氫氣供應管線上氫氣泄漏監(jiān)測站系統(tǒng)見圖1，用于在氫氣管路系統(tǒng)發(fā)生大量氫氣泄漏時，切斷進入氣體模塊的氫氣供應。赫維利項目氫氣供應來自制氫站，進入氫氣泄漏監(jiān)測站的氫氣參數(shù)要求見表2。氫氣泄漏監(jiān)測站工作過程是，一旦通過流量計CF001監(jiān)測到嚴重的氫氣泄漏時，電磁閥關閉，至氫氣模塊的供應被切斷。電磁閥的旁路在向發(fā)電機充注氫氣或吹掃時打開。

表2 9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機氫氣來源參數(shù)要求

2.3 發(fā)電機本體液體檢漏儀

發(fā)電機本體液體檢漏儀系統(tǒng)見圖1，可用來收集并指示發(fā)電機內(nèi)可能存在冷卻器漏出或冷凝成的任何液體。一旦儲液罐上的液位計指示液位達到設定值，表明發(fā)電機氫冷器存在較大的泄漏，對發(fā)電機安全運行產(chǎn)生了威脅，將在集控室報警，當泄漏更嚴重時將觸發(fā)發(fā)電機延遲5 s后故障解列。儲液罐底部設置有排放閥，用于排出積聚的液體。

2.4 氣體模塊

1)氫氣純度監(jiān)測模塊

在氣體模塊中設置有氫氣純度監(jiān)測模塊，能夠將氫氣純度實時傳輸至集控室進行監(jiān)控，以保證維持氫氣最小純度要求(96%以上)。

2)氫氣控制閥組模塊

氣體模塊控制閥組模塊入口設置有壓力調(diào)節(jié)閥，用以保障氣體模塊出口氫氣壓力穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)。模塊入口、出口以及壓力調(diào)節(jié)閥上各設置一處安全閥，保障調(diào)節(jié)閥后氫氣工作壓力在0.5 MPa左右。

氣體模塊入口處氫氣壓力通過一組壓力變送器進行監(jiān)控，一旦超過設定值0.1 MPa則觸發(fā)集控室報警；氣體模塊出口處氫氣壓力也通過一組壓力變送器進行實時監(jiān)測，一旦與設定值的偏差超過±10%時觸發(fā)集控室報警。

氣體模塊控制閥組還設置有二氧化碳控制閥組，在用二氧化碳吹掃氫氣時發(fā)揮作用。

3)氫氣干燥模塊

發(fā)電機內(nèi)循環(huán)的氫氣在工作過程中會逐漸吸潮，對繞組的絕緣不利。氫氣干燥模塊用來吸收氫氣中的水分，使其保持干燥。在干燥器內(nèi)，氫氣中的水分被干燥劑吸收，干燥器入口設置有濕度監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測氫氣中的水分情況，干燥后的氫氣返回發(fā)電機。

4)氫氣排放系統(tǒng)

氫氣排放系統(tǒng)是用于火災、氫氣嚴重泄漏或密封油系統(tǒng)嚴重故障時迅速通過排放管道排空氫氣的系統(tǒng)。采用快速的氫氣排放系統(tǒng)可以提高發(fā)電機氫冷器運行的安全性。

該系統(tǒng)通過在氫氣供應管路和排放管路之間裝設的一路旁路來實現(xiàn)快速排放，旁路上設置有電磁快關閥，用于遠程操控。該系統(tǒng)能在5～10 min內(nèi)將發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力快速降低。

3 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測優(yōu)化設計

3.1 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測優(yōu)化

閉式冷卻水系統(tǒng)中發(fā)電機氫冷器相關系統(tǒng)流程見圖2，來自閉式水供水母管的冷卻水經(jīng)調(diào)節(jié)閥組、氫冷器入口蝶閥后進入氫冷器，回水管道從氫冷器回水接口接出，經(jīng)蝶閥后匯總至閉式水回水母管。

為避免冷卻水泄漏至氫氣側，影響發(fā)電機安全，發(fā)電機廠要求氫冷器內(nèi)冷卻水的工作壓力小于氫氣側壓力，因此在供水母管上設置調(diào)節(jié)閥組，控制氫冷器內(nèi)水壓不超過0.5 MPa。雖然這種情況下氫側壓力大于水側壓力，發(fā)電機相對安全，但是，卻增大了氫氣泄漏至冷卻水側的風險，即一旦氫冷器發(fā)生泄漏，氫氣將逐漸滲透至整個冷卻水系統(tǒng)，包括冷卻水泵等電機附近也可能存在氫氣，危險區(qū)域將擴大，威脅到主輔機設備的安全。以往工程中缺少此項安全風險的應對措施，本文在閉式冷卻水回水母管上優(yōu)化設計了漏氫監(jiān)測裝置，用于氫氣泄漏狀況的實時監(jiān)測和報警，以便及時停機檢修，保障了機組安全。

3.2 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測布置方案

閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測布置方案軸側圖見圖3，閉式水回水管道從發(fā)電機一側兩個氫冷器回水管接口接出，經(jīng)蝶閥后匯流，與發(fā)電機另一側氫冷器回水管來的管道合并后一同至閉式冷卻水回水母管。從圖3中可看出，漏氫監(jiān)測裝置安裝在回水管道局部高點處，且進入裝置的流向為自下向上，有利于氫氣的收集。

3.3 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測裝置設計

漏氫監(jiān)測裝置設計立面結構圖見圖4，A向視圖見圖5。該裝置安裝于循環(huán)冷卻水管道立管三通處，三通處連接有立式浮球視鏡1，浮球視鏡內(nèi)進出口各設一道鋼絲網(wǎng)2，鋼絲網(wǎng)內(nèi)設置有浮球，浮球視鏡連接管段上裝設有就地磁翻板液位計7，浮球視鏡出口用堵頭3封堵，上部連接排氣閥5。

漏氫監(jiān)測裝置的原理是：當冷卻水流動時，若發(fā)電機氫冷器發(fā)生氫氣泄漏至冷卻水管道，則氫氣將在裝置處積聚，而磁翻板液位計設置有低液位—低低液位設定值，當液位達低液位時則在集控室報警，達低低液位時需停機，同時輸出4～20 mA遠傳信號至DCS控制系統(tǒng)。運行人員每天可對該裝置進行定期巡檢，當發(fā)現(xiàn)就地磁翻板液位計讀數(shù)下降(浮球視鏡內(nèi)的浮球下落)時，應微啟排氣閥，用手持式氫氣探測儀進行二次確認是否氫氣已經(jīng)漏至冷卻水系統(tǒng)內(nèi)，若檢測到氫氣泄漏，則需立即停機檢查并消除氫氣泄漏點(發(fā)電機氫冷器)，同時開啟有關門窗、通風風機，迅速排除泄漏至廠房內(nèi)的氫氣，禁止一切動火工作。

需要注意的是，浮球視鏡(立式)建議由專業(yè)廠家制造供貨，立式安裝，要求浮球比重小于水，浮球直徑應使浮球正常工況能浮于水面，當水位下降時也不會流出浮球視鏡。整個漏氫監(jiān)測裝置的設計壓力不低于閉式水系統(tǒng)設計壓力(1.0 MPa)。

4 對電廠發(fā)電機漏氫監(jiān)測工作的建議

1)大型氫冷發(fā)電機漏氫可能威脅到機組的安全運行，同時對機組運行效率、運行經(jīng)濟性產(chǎn)生較大影響，因此建議電廠對發(fā)電機漏氫引起足夠的重視，加強有關運行規(guī)程、檢修規(guī)程的編制和規(guī)范化執(zhí)行，保障機組安全。

2)建議在主機招標和技術協(xié)議階段，對發(fā)電機廠提出嚴格的進行氫氣泄漏監(jiān)測的要求，保證發(fā)電機本體及配套輔機各泄漏點(外漏和內(nèi)漏)泄漏監(jiān)測措施、減小外漏的措施到位，進一步減小漏氫量和漏氫率。

3)建議在電廠輔助系統(tǒng)設計時，充分考慮配置泄漏監(jiān)測、檢測裝置，包括固定式監(jiān)測裝置和移動式、手持式氫氣探測儀等，以確保機組的安全，如本文所述在閉式水側設置氫氣泄漏監(jiān)測和探測裝置，在閉式膨脹水箱、定子水箱(對“水氫氫”發(fā)電機)、主油箱等部位設置泄漏監(jiān)測和探測裝置，加強泄漏監(jiān)視、漏點查找和檢修維護工作。

5 結語

本文對大型氫冷發(fā)電機漏氫的途徑和危害、9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機漏氫監(jiān)測系統(tǒng)配置和功能進行了研究和介紹。對閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測進行了優(yōu)化，創(chuàng)新設計了漏氫監(jiān)測裝置，能夠有效地監(jiān)測氫冷發(fā)電機氫氣泄漏，并在集控室報警，進而停機檢查并修復問題，提高了系統(tǒng)的安全性，避免因危險區(qū)域的擴大而威脅機組安全，保障機組安全、高效運行。滿足《發(fā)電廠油氣管道設計規(guī)程》規(guī)范的要求。對國內(nèi)外配置氫冷型發(fā)電機的燃氣、燃煤發(fā)電機組漏氫監(jiān)測設計均具有較高的借鑒和參考價值。