百萬千瓦發(fā)電機氫氣燃爆的預防措施

陳杰武

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

與空氣比，氫氣的熱容量和冷卻能力要高許多倍。所以大型汽輪發(fā)電機通常不再采用空氣冷卻、而采用氫氣冷卻。發(fā)電機中旋轉的轉子與定子之間屬于滑動接觸，要實施對氫氣的密封十分困難。通常采用流動注油的方式來封堵氫氣的外泄。氫氣是一種易燃易爆的氣體，任何一種氫氣與空氣的混合，都是極為嚴重的燃燒爆炸風險根源。某電站百萬千瓦發(fā)電機曾經(jīng)發(fā)生氫氣大量泄漏事件，導致停機、搶修，所幸未能引起災難性的“氫氣燃爆”事故發(fā)生。

1 氫氣密封方式

與空氣比，氫氣的熱容量和冷卻能力要高許多倍。所以大型汽輪發(fā)電機通常不再采用空氣冷卻、而采用氫氣冷卻。發(fā)電機中旋轉的轉子與定子之間屬于滑動接觸，要實施對氫氣的密封十分困難。通常采用流動注油的方式來封堵氫氣的外泄。

1.1 盤式密封

早期是在轉軸與端蓋之間采用帶有多級迷宮式油槽的盤式注油密封裝置，其優(yōu)點是用于密封的油量較小，對氫氣純度的影響較小。但是密封瓦結構復雜，安裝調(diào)整困難，密封油量不穩(wěn)定。后來改用環(huán)式、特別是雙流環(huán)式密封瓦結構。

1.2 雙流環(huán)式

20世紀80年代引進的美國西屋公司600 MW汽輪發(fā)電機及其“氫－油－水”系統(tǒng)，就采用這種雙流環(huán)式密封結構。在應用過程中，進一步改進了原來分散配置的冷卻器、過濾器、調(diào)節(jié)器、泵類和閥門類等部件，使其能夠按照工藝流程和功能實現(xiàn)集中安裝，形成一個整體的集裝式裝置，從而簡化了現(xiàn)場的安裝操作、便于調(diào)整和監(jiān)控，準確地判斷故障起源，及時地處理氫氣泄漏等各種問題。

由于引進時間較早，其系統(tǒng)設計現(xiàn)在已無法滿足用戶要求。雖然雙流環(huán)式密封瓦結構比盤式先進，但是控制方法比較復雜，為了保證它的兩條密封油路的油壓相等，必須設置平衡調(diào)節(jié)器。況且在運行過程中，雙流環(huán)式結構與單流環(huán)式要求差別較大，雙流環(huán)式比單流環(huán)式運行調(diào)試復雜，安裝要求高，雙流環(huán)式系統(tǒng)因安裝問題造成的系統(tǒng)不平衡，目前很難通過設備自身調(diào)整過來，而單流環(huán)式卻不必考慮平衡問題，具有很大的優(yōu)勢。

1.3 單流環(huán)式

目前能夠生產(chǎn)1000 MW級汽輪發(fā)電機組的國外廠家有GE、西門子、東芝、日立、三菱、阿爾斯通等公司，其中采用單流環(huán)式密封結構的占多數(shù)。以生產(chǎn)雙流環(huán)式為代表的西屋公司已經(jīng)轉型，不再生產(chǎn)發(fā)電設備。只有三菱公司傳承西屋技術，在其核電及常規(guī)機組設計上仍然采用雙流環(huán)式密封，而且其系統(tǒng)更加復雜、調(diào)試更加困難。

美國GE公司在大容量的GE390型400 MW級燃氣輪發(fā)電機上采用的單流環(huán)式密封裝置，出于簡化設計原因，而把本來應作為獨立單元的發(fā)電機密封系統(tǒng)，分解成為發(fā)電機和汽輪機2部分，發(fā)電機部分只包括密封油調(diào)壓部分，而其壓力源及密封油預處理部分則劃歸屬于汽輪機油系統(tǒng)。而東芝百萬千瓦發(fā)電機的單流環(huán)式，則是包括密封油預處理在內(nèi)的全部功能的密封油系統(tǒng)。由于對氫氣實施密封的密封油過濾器、對氫氣進行冷卻的冷卻水過濾器的過濾精度要求很高，就必須保證水離子交換器對水的控制及處理、密封油真空油箱的真空度控制、密封油溢流閥的控制、冷卻水泵、密封油泵的振動控制等精確到位，并提高密封油泵、真空泵的運行可靠性。哈電通過引進日本東芝公司技術，已在泰州電站1000 MW級汽輪發(fā)電機組上采用最新一代的單流環(huán)式氫氣密封結構并實現(xiàn)了國產(chǎn)化?，F(xiàn)在已經(jīng)推廣應用到其它大型汽輪發(fā)電機組上。單流環(huán)式氫氣密封系統(tǒng)的優(yōu)越性，也已經(jīng)移植到雙流環(huán)式密封系統(tǒng)中。

單流環(huán)式密封油系統(tǒng)采用可靠性較高的單油路供油，其特點是在系統(tǒng)中設置1套真空凈油裝置，可將油中水分和氣體分離、排除，凈化機內(nèi)氫氣，保證氫氣純度和濕度，減少補氫量。哈電參照引進的設計技術參數(shù)，對發(fā)電機“氫－油－水”系統(tǒng)的各種元器件進行了優(yōu)化。在生產(chǎn)和試驗過程中反復地進行對比、校驗，對許多元件實現(xiàn)了國產(chǎn)化，如油、水過濾器、離子交換器、真空油箱、油箱的浮子閥、油水箱的浮子開關、三螺桿泵、電動機、壓差閥等關鍵部件。通過優(yōu)化設計還解決了國內(nèi)水泵軸系的振動問題，從而達到了引進產(chǎn)品的技術要求。

2 氫氣泄漏途徑

氫氣是一種非常危險的氣體，如果氫氣中混入5% 的空氣，就有引發(fā)燃燒、爆炸的危險，所以必須采取密封、隔離措施，始終保持發(fā)電機內(nèi)部的氫氣壓力大于機外空氣的壓力，以便防止機外的空氣滲入機內(nèi)。然而，在長期運行過程中，壓力大于空氣的機內(nèi)氫氣，很難避免向外泄漏到空氣中。任何一種氫氣與空氣的混合，都是極為嚴重的燃燒爆炸風險根源。

氫氣泄漏途徑的可能性如下:(1)通過冷卻器法蘭接合面和排油管道的裂縫，漏到機外空氣中;(2)通過密封瓦和密封環(huán)的裂縫，漏到空氣中;(3)通過水冷空心導線的裂縫，滲入水中。在上述各種氫氣泄漏模式中，氫氣通過密封組件空氣一側泄漏到空氣中，是危險性最大的泄漏事件，很可能造成嚴重的爆炸、火災后果。

3 氫氣燃爆特性

氫氣是一種易燃易爆的氣體，在常溫下，它的性質并不活潑，但在明火或“著火能量”誘發(fā)下，能和氧氣化合，引起燃燒或爆炸。氫氣的燃燒爆炸特性見表1。計算結果表明，發(fā)電機內(nèi)氫氣容積的6% 泄漏，如果燃爆就相當于182 kg的TNT炸藥爆炸的威力。

表1 氫氣的燃燒爆炸特性

4 氫氣燃爆風險

某電站百萬千瓦發(fā)電機曾經(jīng)發(fā)生嚴重漏氫事件。運行人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)氫氣泄漏率高達54 m3/d，已經(jīng)超過30 m3/d這個“氫爆”風險值。4天以后在屋頂排氣口測得的漏氫(在空氣中的)比例為3.6%。直到7天以后終于找到泄漏氫氣部位是在發(fā)電機的勵磁機一端的空氣一側。當時采取了極高危險的作業(yè):拆除勵磁機一端的空氣一側回油管的探頭以后，將測爆儀皮管插入回油管內(nèi)，測得的氫氣所占比例分數(shù)已經(jīng)超過爆炸下限。萬一被靜電或火花引爆，必將造成災難性后果。第9天測得的漏氫率已經(jīng)高達180 m3/d。此時才認識到爆炸風險，決定停機。直到第10天才開始減少負荷，直至停機、搶修，所幸未能導致災難性的“氫氣燃爆”事故發(fā)生。

5 漏氫預防措施

預防發(fā)電機內(nèi)氫氣泄漏的關鍵，在于控制其密封裝置空氣一側的氫氣體積與密封組件的泄漏率和密封油箱排氣檢測值的關系，以便為運行中的在線防爆監(jiān)測系統(tǒng)提供依據(jù)。首先要確?！皻洌停毕到y(tǒng)的正常、安全和穩(wěn)定運行。

5.1 優(yōu)化密封裝置

通過技術引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，哈電在完成了壓差閥、平衡閥、減壓閥、液體報警器、氫氣干燥器、氫氣純度分析裝置、油過濾器、水過濾器和專用控制儀表及其精密測試系統(tǒng)的國產(chǎn)化以后，還開發(fā)和應用了并聯(lián)式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它具有“氫－油”壓差值穩(wěn)定、線性性能良好、不易過壓等優(yōu)點。在成功地應用于大型汽輪發(fā)電機上以后，又完成了“冷凝式氫氣自動干燥器”和“氫氣純度自動分析系統(tǒng)”的研制工作，并在大型機組上廣泛應用，解決了因機內(nèi)氫氣濕度高而影響機組正常運行問題。由于在密封油系統(tǒng)中采用了單流環(huán)式密封系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中配置了真空靜化裝置，可以最大限度地去除油中含有的水分、空氣等雜質，改善了進入密封瓦中密封油的油質，減少了污染機內(nèi)氫氣的機會，提高機內(nèi)氫氣的純度，為穩(wěn)定運行提供保證。氫氣冷卻器的冷卻水系統(tǒng)還采用了壓力調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)裝置，可使發(fā)電機氫氣冷卻器的進水流量和進水溫度實現(xiàn)準確的控制。

5.2 精密監(jiān)測

為了避免形成具有爆炸性濃度的氫氣與空氣的混合氣體，通常采用二氧化碳作為中間介質來進行電機內(nèi)部空氣與氫氣的置換。在發(fā)電機的氫氣冷卻系統(tǒng)中，除了這種氣體置換裝置以外，還設有氫氣控制裝置、氫氣去濕裝置以及熱工儀表監(jiān)測裝置等。運行中的發(fā)電機內(nèi)部氫氣很難避免混入其密封油中而被帶出機外，從而導致機內(nèi)氫壓的降低，和機內(nèi)溫度的升高。為了保持機內(nèi)的氫壓值，由氫氣控制裝置中設置的2套氫壓調(diào)節(jié)器通過充氫和補氫進行氫壓的自動調(diào)節(jié)。如果氫氣純度降低，還能自動進行排污。用于氫氣密封的油中水分會污染氫氣，使其純度降低和濕度過高，從而影響冷卻效果、增加通風損耗、損壞繞組絕緣、腐蝕轉子護環(huán)等。因此，氫氣控制系統(tǒng)還配備了純度儀、濕度儀、壓力開關、液位開關等，以便實現(xiàn)對氫氣的全方位監(jiān)測。由于采取了包括上述預防措施在內(nèi)的氫氣監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，可以從根本上杜絕氫氣泄漏、燃燒和爆炸的風險。

6 結語

(1)定子采用水冷、轉子和鐵心采用氫冷的大型透平(包括汽輪機和燃氣輪機在內(nèi)的)發(fā)電機還將繼續(xù)沿用下去，易燃易爆的氫氣燃爆事故，國內(nèi)外都有發(fā)生，必須嚴防。

(2)優(yōu)化“氫－油－水”系統(tǒng)和氫氣密封裝置結構，可以從根本上避免氫氣與空氣混合所形成的燃爆風險起源。

(3)除了轉軸與端蓋之間的滑動接觸處采用新一代環(huán)式注油密封裝置外，發(fā)電機的機殼、冷卻氫氣的管道、定子冷卻水的管道等其它部位，都有可能出現(xiàn)孔隙、裂縫等缺陷而引起氫氣泄漏，必須采取精度較高的氫氣檢漏儀器進行在線實時監(jiān)測。