密封油含氣量對氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度影響研究

王笑微，劉永洛，尹文波，王 騰，呂秀娟，王 娟，常治軍

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

發(fā)電機(jī)是電網(wǎng)電能的主要生產(chǎn)者，其安全運(yùn)行是電網(wǎng)源源不斷向外輸送電能的保證。目前，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來越大，依靠增大發(fā)電機(jī)體積以增加銅線繞組和鐵芯容量來提高發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的手段受到空間、運(yùn)輸、加工、安裝等條件限制。因此，現(xiàn)有技術(shù)多通過增加銅線繞組的電流密度來實(shí)現(xiàn)。然而，繞組的電流密度越大，其產(chǎn)生的熱量也就越多，如不及時(shí)把這些熱量排走，將會(huì)使發(fā)電機(jī)絕緣材料因超溫而老化甚至損毀。所以，提高發(fā)電機(jī)的冷卻效率就成為發(fā)展大型發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)。

選擇良好的冷卻介質(zhì)對于提高發(fā)電機(jī)的冷卻效率至關(guān)重要。在諸多冷卻介質(zhì)中，氫氣的密度最小（約為0.089 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），僅為空氣密度的1/14，且傳熱特性好，通風(fēng)及摩擦損耗小，噪音小，因此是發(fā)電機(jī)理想的冷卻介質(zhì)。用氫氣對發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻時(shí)，其通風(fēng)損耗可降至空氣冷卻時(shí)通風(fēng)損耗的6.46%，有利于減少溫升、提高發(fā)電效率[1]。

在氫冷發(fā)電機(jī)中，氫氣品質(zhì)直接影響發(fā)電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。氫氣濕度超標(biāo)，不僅會(huì)危害發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子繞組的絕緣強(qiáng)度，而且會(huì)使轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋[2]。因此《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度技術(shù)要求》（DL/T 651—2017）[3]對氫氣濕度做出了明確要求。為確保氫氣濕度在允許范圍內(nèi)，有標(biāo)準(zhǔn)還對與發(fā)電機(jī)氫氣接觸的運(yùn)行密封油的水分含量做出規(guī)定[4]。此外，為保障發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行并提高發(fā)電效率，在保證氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度的同時(shí)，還要求氫氣具有高的純度?！镀啺l(fā)電機(jī)運(yùn)行導(dǎo)則》（DL/T 1164—2012）[5]規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度低于96%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行排污，同時(shí)補(bǔ)充新鮮氫氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氫氣純度或濕度達(dá)到正常運(yùn)行值。從安全角度考慮，當(dāng)氫氣中混入其他氣體如氧氣或空氣，如果遇明火，則可能引發(fā)爆炸[6]；從經(jīng)濟(jì)角度考慮，當(dāng)氫氣純度下降時(shí)，不但會(huì)降低發(fā)電機(jī)的冷卻效率，還會(huì)使發(fā)電機(jī)的通風(fēng)摩擦損耗上升，增加發(fā)電機(jī)能耗，降低發(fā)電效率。本文通過模擬發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣和密封油間的氣體擴(kuò)散試驗(yàn)，得到保持發(fā)電機(jī)氫氣純度在96%以上時(shí)密封油的含氣量水平。

1 密封油含氣體積分?jǐn)?shù)對氫氣純度影響試驗(yàn)

1.1 氫氣純度的影響因素

采用氫氣冷卻的發(fā)電機(jī)，為防止運(yùn)行中氫氣沿轉(zhuǎn)子軸向外泄漏，引起火災(zāi)或爆炸，機(jī)組配置了密封油系統(tǒng)，向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與端蓋交接處的密封瓦循環(huán)供應(yīng)高于氫壓的密封油，用于密封發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣，同時(shí)還起到潤滑及冷卻作用[7]。因此，在密封瓦處和氫氣接觸的密封油的運(yùn)動(dòng)黏度、水分含量、泡沫特性、空氣釋放性能等會(huì)直接影響機(jī)內(nèi)氫氣純度。此外，密封油中的氣體組分是影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的關(guān)鍵因素[8]。表1及表2為某氫冷發(fā)電機(jī)氫氣氣樣和密封油油樣中溶解氣體組分檢測情況。發(fā)電機(jī)內(nèi)氣樣及密封油油樣中的氣體組分及含量依照《絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法》（DL/T 703—2015）[9]檢測。由表1和表2中數(shù)據(jù)可知：發(fā)電機(jī)氣樣中，除氫氣外，還含有其他氣體如空氣（O2、N2）、少量的CO和CO2以及極少量的油分解氣體（烴類氣體，如CH4、C2H4、C2H6等）；密封油油樣中溶解氣體主要是大量的空氣（O2、N2）、少量的CO和CO2以及極少量的油的分解氣體（烴類氣體，如CH4、C2H4、C2H6等），并含有一定量的H2。根據(jù)Le Chatelier’s平衡移動(dòng)原理[8]分析表1、表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣與密封油中的氣體發(fā)生了置換，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣向密封油中擴(kuò)散，反之，密封油中氣體也向氫氣中擴(kuò)散。因此，密封油中溶解的大量空氣等組分是致使發(fā)電機(jī)氫氣純度下降的污染源。

表1 某500 MW氫冷發(fā)電機(jī)氫氣與密封油中氣體組分單位：μL/LTab.1 The gas composition in hydrogen and sealing oil in a 500 MW hydrogen-cooled generator

表2 某330 MW氫冷發(fā)電機(jī)氫氣與密封油中氣體組分單位：μL/LTab.2 The gas composition in hydrogen and sealing oil in a 330 MW hydrogen-cooled generator

1.2 密封油含氣體積分?jǐn)?shù)對氫氣純度影響的模擬試驗(yàn)

密封油的含氣量是影響氫氣純度的主要因素，試驗(yàn)研究了密封油含氣量對氫氣純度的影響程度。具體試驗(yàn)步驟如下。

1）首先，制備不同含氣量的密封油樣品。密封油在101.325 kPa下，溫度為25 ℃時(shí)氣體的溶解度約為10%，飽和氫氣體積分?jǐn)?shù)為7%[10]，故先在25 ℃下制備飽和含氣量的密封油樣品，再通過真空脫氣、依次制備不同梯度含氣體積分?jǐn)?shù)的密封油樣品。本試驗(yàn)參考DL/T 703—2015進(jìn)行密封油含氣量的測試，根據(jù)《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》（GB/T 17623-2017）[11]檢測50 ℃時(shí)32號及46號密封油（渦輪機(jī)油）的氣體分配系數(shù)（Ki值）[12]，然后計(jì)算密封油（渦輪機(jī)油）中溶解氣體各組分的體積分?jǐn)?shù)，最終計(jì)算含氣量。

2）其次，在密封油不同含體積分?jǐn)?shù)量下，對不同體積比的氫氣和密封油在恒溫下進(jìn)行機(jī)械振蕩脫氣，使氣-液兩相中的氣體分配達(dá)到平衡，測試平衡后氣相中各組分的體積分?jǐn)?shù)，并計(jì)算氫氣在所有氣體中的占比，該比例可視為氫氣的純度。因氫冷發(fā)電機(jī)密封油的運(yùn)行溫度約50 ℃，故仍將50 ℃作為恒溫振蕩脫氣與平衡的試驗(yàn)溫度。同時(shí)，結(jié)合發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)密封瓦處正常油流量、運(yùn)行氫壓和氫氣體積，使用100 mL注射器，在振蕩脫氣和平衡過程中，按照氫氣和密封油最大體積比為9:1、最小體積比為5:5開展試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及修正

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得到氫氣純度與32號、46號密封油含氣量關(guān)系，見表3及表4。對表3及表4中數(shù)據(jù)作圖，得到不同密封油含氣體積分?jǐn)?shù)、氫氣與密封油體積比、平衡氣中氫氣純度3個(gè)物理量之間的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

表3 氫氣純度與32號密封油含氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系 單位：%Tab.3 The relationship between hydrogen purity and dissolved gas volume fraction in L-TSA 32 sealing oil

表4 氫氣純度與46號密封油含氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系 單位：%Tab.4 The relationship between hydrogen purity and dissolved gas volume fraction in L-TSA 46 sealing oil

圖1 不同密封油含氣體積分?jǐn)?shù)、氫氣與密封油體積比下平衡氣中氫氣純度Fig.1 The hydrogen purities in equilibrium gas with different sealing oil volume fractions and volume ratios

由圖1可知：1）在相同密封油含氣體積分?jǐn)?shù)下，平衡氣中氫氣純度隨氫氣與密封油體積比的降低而降低；2）在相同氫氣與密封油體積比下，平衡氣中氫氣純度隨密封油含氣體積分?jǐn)?shù)的降低而升高；3）當(dāng)密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)在飽和狀態(tài)（如32號密封油為11.80%或46號密封油為14.87%）時(shí)，只有在平衡前氫氣體積遠(yuǎn)大于密封油體積（如氫氣與密封油體積比為9:1或8:2）的情況下，平衡氣中氫氣純度才滿足≥96%的要求；4）當(dāng)密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)降至3%～4%時(shí)，無論平衡前氫氣與密封油以何種體積比進(jìn)行振蕩脫氣及平衡，平衡氣中氫氣純度始終滿足≥96%的要求。

對平衡氣中氫氣純度進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖2所示。

圖2 平衡氣中氫氣純度擬合曲線Fig.2 The fitting curves of hydrogen purity at equilibrium gas

根據(jù)擬合曲線及表3、表4中數(shù)據(jù)，計(jì)算氫氣與密封油體積比為5:5的極端情況下，且平衡氣中氫氣純度滿足≥96%要求時(shí)，對應(yīng)的密封油含氣體積分?jǐn)?shù)，得到：32號密封油y=-1.055 9x+99.991 2，當(dāng)y=96時(shí)，x=3.78，密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為3.78%；46號密封油y=-0.797 6x+99.518 8，當(dāng)y=96時(shí)，x=4.41，密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為4.41%。

2.2 密封油含氣體積分?jǐn)?shù)修正

根據(jù)以上擬合及計(jì)算可以看出，當(dāng)密封油含氣體積分?jǐn)?shù)降至3.5%～4.5%水平時(shí)，可使氫氣純度始終滿足≥96%的要求。然而，此處還應(yīng)考慮平衡氣中水汽的影響。前文提到，密封油中的水分在汽化、蒸發(fā)后會(huì)影響氫氣濕度，同時(shí)這些水汽也一定程度上會(huì)影響氫氣的純度。而通過氣相色譜法檢測樣品時(shí)，一般情況下無法檢測氣樣中的水汽含量，因此，有必要考慮密封油中的水分汽化蒸發(fā)后、水汽在氫氣中的占比及影響并做出修正。

《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度技術(shù)要求》（DL/T 651—2017）規(guī)定[3]，發(fā)電機(jī)內(nèi)最低溫度為5 ℃時(shí)，其運(yùn)行時(shí)機(jī)內(nèi)氫氣允許濕度的高限（露點(diǎn)溫度td）為-5 ℃；發(fā)電機(jī)內(nèi)最低溫度≥10 ℃時(shí)，允許的氫氣濕度高限（露點(diǎn)溫度td）為0 ℃。根據(jù)氣體露點(diǎn)與水汽含量換算表[4]可知，最高氫氣濕度對應(yīng)的氣體中最大水汽體積分?jǐn)?shù)為6 203 μL/L，即0.06%。從96%的氫氣純度低限中扣除極端狀態(tài)下最大水汽含量的影響，根據(jù)擬合公式重新計(jì)算平衡氣中氫氣純度滿足≥96%要求時(shí)對應(yīng)的密封油含氣體積分?jǐn)?shù)，得到：32號密封油y=-1.055 9x+99.991 2，當(dāng)y=96.6時(shí)，x=3.39，密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為3.39%；46號密封油y=-0.797 6x+99.518 8，當(dāng)y=96.6時(shí)，x=3.66，密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為3.66%。因此修正后密封油含氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4%以內(nèi)水平，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度可滿足≥96%的要求。

3 標(biāo)準(zhǔn)修訂建議

運(yùn)行中密封油的質(zhì)量一直執(zhí)行《運(yùn)行中氫冷發(fā)電機(jī)用密封油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 705—1999）。發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，應(yīng)使密封油在保證具有良好潤滑和密封性能的同時(shí)，對氫氣的濕度和純度均不產(chǎn)生影響，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未限定密封油在影響氫氣純度方面的相關(guān)性能指標(biāo)，因此一定程度上帶來氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度下降、置換補(bǔ)氫頻繁、安全隱患高等問題。調(diào)查顯示[12]，按照300~1 000 MW發(fā)電機(jī)每日耗氫量應(yīng)保持在7~12 m3/d[13]的要求，有37.9%的單流環(huán)油密封氫冷發(fā)電機(jī)和25.5%的雙流環(huán)油密封氫冷發(fā)電機(jī)其日耗氫量偏大，超出設(shè)計(jì)要求。

因此，在DL/T 705—1999的基礎(chǔ)上，應(yīng)將密封油含氣體積分?jǐn)?shù)作為一項(xiàng)控制密封油質(zhì)量以及氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度的關(guān)鍵指標(biāo)，運(yùn)行中加以監(jiān)督，必要時(shí)可采取相應(yīng)措施對密封油進(jìn)行脫氣處理，以降低油的含氣體積分?jǐn)?shù)，減少其與氫氣接觸時(shí)雜質(zhì)氣體擴(kuò)散至發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣中產(chǎn)生的污染，保持氫氣純度的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1）發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)的正常運(yùn)行是保證氫冷發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，而密封油中溶解氣體是影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的主要因素。本文通過模擬試驗(yàn)及數(shù)據(jù)擬合，得到保持發(fā)電機(jī)氫氣純度在96%以上時(shí)密封油含氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4%以內(nèi)。

2）建議氫冷發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，除調(diào)整密封油系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、置換補(bǔ)氫等常規(guī)手段以外，通過控制密封油的含氣體積分?jǐn)?shù)，從油質(zhì)角度來保障運(yùn)行中氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度的穩(wěn)定。