大型發(fā)電機(jī)氫氣置換的現(xiàn)代化新工藝

■ 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 徐宏偉

0 前言

采用氫氣取代空氣來(lái)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)的首臺(tái)商業(yè)應(yīng)用，最早是美國(guó)于20世紀(jì)30年代末投入運(yùn)行的機(jī)組。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(jī)在不斷實(shí)現(xiàn)大容量化的發(fā)展過(guò)程中，不再采用空氣冷卻、而采用氫氣冷卻。由于氫氣具有良好的傳熱性能、較高的熱傳導(dǎo)率、較低的通風(fēng)損耗和較高的電位系數(shù)，而成為大中型汽輪發(fā)電機(jī)的一種理想的冷卻劑。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-3的規(guī)定，不允許直接向采用氫氣冷卻的發(fā)電機(jī)內(nèi)充入氫氣，來(lái)置換其中的空氣。也不允許采用空氣直接充入進(jìn)去，來(lái)置換機(jī)內(nèi)的氫氣。必須采用惰性氣體來(lái)置換機(jī)內(nèi)的氫氣。

1 氫氣的危險(xiǎn)性

氫氣又是一種非常危險(xiǎn)的、容易燃燒爆炸的氣體，任何一種氫氣與空氣的混合，都是極為嚴(yán)重的燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)根源。空氣中的氫氣含量達(dá)到4%及以上時(shí)，就會(huì)燃燒；超過(guò)18%時(shí)就可能爆炸。汽輪發(fā)電機(jī)的氫氣燃燒、爆炸事件，國(guó)內(nèi)外、境內(nèi)外，均有發(fā)生。某電站百萬(wàn)千瓦發(fā)電機(jī)，曾經(jīng)發(fā)生大量氫氣泄漏事件，導(dǎo)致停機(jī)、搶修，所幸未能引起災(zāi)難性的“氫氣燃爆”事故發(fā)生。最近，震驚世界的日本福島核電站的核泄漏事件，就是氫氣燃燒爆炸引起的，而氫氣則來(lái)自于臺(tái)風(fēng)、導(dǎo)致海浪涌入發(fā)電站而被電解。因此，氫氣的安全保護(hù)是非常重要的，當(dāng)然也包括氫冷發(fā)電機(jī)。

具有較高壓力和純度的氫氣，只有在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在于機(jī)內(nèi)，其它時(shí)間必須從機(jī)內(nèi)清除干凈，以確保安全。這種凈化工藝，根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-3的規(guī)定，不允許直接向采用氫氣冷卻的發(fā)電機(jī)內(nèi)充入氫氣，來(lái)置換其中的空氣。也不允許采用空氣直接充入進(jìn)去，來(lái)置換機(jī)內(nèi)的氫氣。必須采用惰性氣體來(lái)置換機(jī)內(nèi)的氫氣，其濃度（可以通過(guò)純度測(cè)量裝置測(cè)量得到），必須滿足國(guó)際該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

歷來(lái)用于置換氫氣的這個(gè)惰性氣體為二氧化碳，由于它是以液體形式提供和保存的，一旦要用，必須采用蒸發(fā)器將它氣化。這個(gè)過(guò)程，既耗費(fèi)時(shí)間，又增加設(shè)備，在緊急情況下，不能確保發(fā)電機(jī)的安全可靠。近年來(lái)，人類不斷探索一種惰性氣體的替代方案。在排除了氮?dú)獾倪x用可能性以后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，氬氣是取代二氧化碳的理想的惰性氣體。

2 氫氣置換過(guò)程

發(fā)電機(jī)中冷卻氫氣的置換循環(huán)過(guò)程如下：在停機(jī)狀態(tài)下（機(jī)內(nèi)是空氣）→充入惰性氣體（清除空氣）→充入氫氣。在運(yùn)行狀態(tài)下（機(jī)內(nèi)是氫氣）→首先停止運(yùn)行→充入惰性氣體（清除氫氣）→充入空氣置換惰性氣體→進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

氫氣置換的具體實(shí)施步驟如下：

2.1 起動(dòng)時(shí)的步驟

充氫前，先用惰性氣體置換機(jī)內(nèi)空氣。當(dāng)該惰性氣體的濃度（采用濃度測(cè)量裝置測(cè)量）在達(dá)到IEC60034—3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限度值時(shí)，才能填充氫氣（來(lái)置換惰性氣體）。當(dāng)該氫氣的純度（采用純度測(cè)量裝置測(cè)量）達(dá)到要求時(shí)，和氫氣壓力升高到正常運(yùn)行時(shí)要求的限值時(shí)，發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備投入運(yùn)行。

2.2 停機(jī)時(shí)的步驟

與起動(dòng)時(shí)的順序相反，先將機(jī)內(nèi)氫氣壓力解除，再充入惰性氣體（來(lái)置換氫氣）。如果機(jī)內(nèi)氫氣濃度（由監(jiān)測(cè)裝置顯示）降低到最低（即滿足安全條件）時(shí)，才能充入空氣將惰性氣體置換出來(lái)。

3 惰性氣體優(yōu)化

3.1 二氧化碳

以前常常采用二氧化碳作為惰性氣體。但是它的密度與空氣和氫氣有很大區(qū)別。二氧化碳主要以液態(tài)形式存在和提供，應(yīng)用時(shí)需要一個(gè)非常復(fù)雜的氣化過(guò)程，和配備一套蒸發(fā)（氣化）設(shè)備，費(fèi)用很高。在出現(xiàn)緊急停機(jī)等情況下，為了保障安全，必須迅速進(jìn)行充入二氧化碳、排除氫氣，這就要求蒸發(fā)（氣化）設(shè)備隨時(shí)待命，必須配備常設(shè)的應(yīng)急電源，比如一臺(tái)數(shù)十kW的柴油發(fā)電機(jī)組。

3.2 氬氣

它的臨界溫度非常低，這使它即使在很低的環(huán)境溫度下，仍然呈現(xiàn)氣態(tài)形式，而且可以在高壓力下應(yīng)用。它是惰性氣體，但是，在周圍環(huán)境的大氣中，就含有1%的氬氣，取材方便，可以由空氣分離工廠生產(chǎn)提供。各種相關(guān)氣體的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

3.3 氮?dú)?/h3>

曾經(jīng)考慮采用氮?dú)庾鳛橐环N替代方案，其密度較低，接近于空氣。但是氮?dú)庥脷饬刻?，而且時(shí)間太長(zhǎng)，不能有效地將機(jī)內(nèi)空氣排除。所以排除氮?dú)狻?/p>

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4.1 惰性氣體用量

作為實(shí)驗(yàn)用發(fā)電機(jī)的機(jī)內(nèi)體積為75 m3。它的氫氣由6組（每組12個(gè)）氣瓶提供，每瓶容量為50 L，填充壓力為200 bar，保證每組體積為120 m3的標(biāo)準(zhǔn)體積容量。氣瓶通過(guò)監(jiān)測(cè)氣瓶壓降便可判定體積流量。

（1）停機(jī)時(shí)

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運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)實(shí)施停機(jī)時(shí)向空轉(zhuǎn)中的發(fā)電機(jī)內(nèi)充入氬氣置換氫氣所需氣體用量（體積）為機(jī)內(nèi)體積的2倍與二氧化碳相同；

（2）起動(dòng)時(shí)

停機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)、投入運(yùn)行時(shí)，向空轉(zhuǎn)中的發(fā)電機(jī)內(nèi)充入氬氣，置換空氣。所需氣體用量（體積）為機(jī)內(nèi)體積的2.5倍（采用二氧化碳時(shí)為2倍）。

氬氣用量略微高于二氧化碳的原因很多，其中包括：氬氣的密度相對(duì)較低，而在空氣中的溶解度卻較高。

4.2 惰性氣體裝置

采用氬氣時(shí)，氣瓶與氫氣時(shí)相同，也能保證200 m3/h的體積流量。氬氣為瓶裝，12瓶為一組（120 Nm3）。氣瓶總數(shù)取決于發(fā)電機(jī)體積。2組氣瓶經(jīng)過(guò)減壓器（200至1～10 bar）和壓強(qiáng)測(cè)量、壓強(qiáng)傳感器以及氣體純度測(cè)量?jī)x后充入機(jī)內(nèi)。

4.3 氬氣測(cè)量裝置

其純度測(cè)量，大多數(shù)氣體純度測(cè)量裝置都采用熱導(dǎo)率來(lái)測(cè)量純度，而且采用二氧化碳作為惰性氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，氬氣熱導(dǎo)率較高，所以應(yīng)用的儀器必須重新校準(zhǔn)。如果標(biāo)準(zhǔn)純度測(cè)量裝置沒(méi)有進(jìn)行氬氣校準(zhǔn)，充入和排除時(shí)的發(fā)電機(jī)氣體濃度，可以采用質(zhì)量分光儀來(lái)獲得。也可以采用精密壓力指示儀來(lái)測(cè)量機(jī)內(nèi)壓力。

4.4 置換時(shí)間對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明：填充時(shí)間——采用二氧化碳充入機(jī)內(nèi)，置換空氣的時(shí)間為80 min后達(dá)到規(guī)定的90%濃度，符合標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-3的規(guī)定；而氬氣的時(shí)間為46 min，采用氫氣置換惰性氣體時(shí)，需要的時(shí)間為：置換二氧化碳——80 min；置換氬氣——40 min。運(yùn)行過(guò)程中，總的時(shí)間節(jié)省了74 min。

停機(jī)過(guò)程中，最重要的是安全而又快速地清除機(jī)內(nèi)的氫氣。在這方面，氬氣的惰性保護(hù)，具有安全優(yōu)勢(shì)：達(dá)到90%的濃度時(shí)，二氧化碳需要50 min；而氬氣只需30 min。與二氧化碳相比，氬氣具有較高的流速，可以加快發(fā)電機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程。

4.5 采用氬氣的優(yōu)勢(shì)

1）簡(jiǎn)化系統(tǒng)

采用氬氣時(shí)，它不需要那種將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的蒸發(fā)設(shè)備。

2）節(jié)省時(shí)間

運(yùn)行過(guò)程中，與二氧化碳相比，采用氬氣可以節(jié)省時(shí)間74 min。

3）高效置換

停機(jī)的最后一步是用空氣置換機(jī)內(nèi)的氬氣。由于氬氣在空氣中的溶解度要比二氧化碳高，更有利于對(duì)發(fā)電機(jī)出線盒及機(jī)內(nèi)其它角落等氣體容易聚集的地方進(jìn)行清除，置換效果更好。

4）保護(hù)環(huán)境

按照安全規(guī)則，只要氧氣的含量＞18%（體積），人類就不會(huì)有危險(xiǎn)。但是如果空氣中的二氧化碳達(dá)到7%～10%，人類就會(huì)導(dǎo)致窒息、死亡。因此為了保護(hù)人身健康，在工作環(huán)境中規(guī)定的二氧化碳的最大允許濃度為5000 ppm。如果采用氬氣，則對(duì)周圍大氣沒(méi)有負(fù)面影響，人體吸入也不會(huì)有危險(xiǎn)。因?yàn)橹車諝庵芯秃?%的氬氣。

5）經(jīng)濟(jì)核算

與二氧化碳相比，雖然在價(jià)格方面氬氣要高出30%左右，但是由于取消了蒸發(fā)器和應(yīng)急電源等額外的費(fèi)用，兩者基本平衡。所以，長(zhǎng)期應(yīng)用氬氣會(huì)更加便宜。

當(dāng)今世界，已經(jīng)有數(shù)十家、各種類型的發(fā)電站，其中包括燃?xì)?、燃煤、?lián)合循環(huán)、核能等發(fā)電站采用了這項(xiàng)新技術(shù)。應(yīng)用中也包括世界上最大的氫氣冷卻發(fā)電機(jī)，其單機(jī)容量高達(dá)2000 MVA。運(yùn)行時(shí)間總計(jì)超過(guò)160年以上。運(yùn)行實(shí)踐證明：由于簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了維護(hù)工作量，減少了停機(jī)時(shí)間，保證了人員的安全，對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染。這使得用戶滿意。

5 結(jié)論

1）采用氬氣取代二氧化碳作為大型發(fā)電機(jī)冷卻氫氣置換用的惰性氣體，可以實(shí)現(xiàn)在不多花錢的情況下達(dá)到提高效率、節(jié)省時(shí)間、安全可靠、保護(hù)環(huán)境的目的。

2）大中型汽輪發(fā)電機(jī)大多數(shù)采用氫氣冷卻，特別是燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)和燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電站透平發(fā)電機(jī)，往往用于電網(wǎng)系統(tǒng)中的調(diào)峰填谷，起動(dòng)、停機(jī)頻繁，氫氣的置換次數(shù)更多，應(yīng)用氬氣的意義更大。

3）有的發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)廠家已經(jīng)將采用氬氣取代二氧化碳來(lái)置換氫氣，作為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下來(lái)；有些發(fā)電站已經(jīng)列入技術(shù)改造、升級(jí)換代計(jì)劃。新產(chǎn)品、老產(chǎn)品都可以推廣應(yīng)用。