水氫氫發(fā)電機(jī)定子線圈內(nèi)漏監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及改進(jìn)建議

呂嘉琛，顧范華 ，金 泱 ，王展宏 ，魯 競(jìng)

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

水氫氫發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力高于定子冷卻水壓力，避免發(fā)生運(yùn)行過(guò)程中定子線棒滲漏，定子冷卻水進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的情況。在氫壓高于水壓的前提下，若運(yùn)行時(shí)定子線棒產(chǎn)生漏點(diǎn)，機(jī)內(nèi)氫氣會(huì)在壓力的作用下，通過(guò)定子冷卻水回路，最后匯集到定子冷卻水箱。此時(shí)，在定子冷卻水箱安裝氫氣監(jiān)測(cè)裝置，便能監(jiān)測(cè)到水箱內(nèi)氫氣含量存在異常，及時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)線棒滲漏做出預(yù)警。這就是定子冷卻水箱安裝漏氫監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)理念。

但在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，往往出現(xiàn)漏氫監(jiān)測(cè)裝置顯示水箱內(nèi)氫氣含量超標(biāo)，但停機(jī)檢查發(fā)電機(jī)定子冷卻水回路無(wú)滲漏的情況［1］。定子冷卻水箱氫氣濃度監(jiān)測(cè)裝置不能可靠地反映運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)的線棒是否有滲漏情況。

需要說(shuō)明的是，在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)內(nèi)氫壓高于定子冷卻水壓，氫氣分子會(huì)透過(guò)絕緣引水管或其他材料元件進(jìn)入到定子冷卻水中。因此定子冷卻水中氫氣泄漏量總是存在的，但很少［1］。

1 有關(guān)定子冷卻水箱漏氫的規(guī)定

相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱漏氫的規(guī)定有：

1）GB／T 7064—2008《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》規(guī)定：“如氫壓高于冷卻器或定子繞組中水壓，氫氣會(huì)漏入水系統(tǒng)并離開發(fā)電機(jī)。當(dāng)內(nèi)冷水系統(tǒng)中漏氫量大于0.3 m3／d時(shí)可在計(jì)劃停機(jī)時(shí)安排消缺；若漏氫量大于5 m3／d時(shí)應(yīng)立即停機(jī)處理。另一種方法，當(dāng)內(nèi)冷水系統(tǒng)中含氫（體積分?jǐn)?shù)）超過(guò)2%應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的監(jiān)視，若超過(guò)10%應(yīng)立即停機(jī)處理?！?/p>

2）《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》［3］規(guī)定：“內(nèi)冷水箱中含氫（體積分?jǐn)?shù)）超過(guò)2%應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)的監(jiān)視，超過(guò)10%應(yīng)立即停機(jī)消缺。內(nèi)冷水系統(tǒng)中漏氫量達(dá)到0.3 m3／d時(shí)應(yīng)在計(jì)劃停機(jī)時(shí)安排消缺，漏氫量大于5 m3／d時(shí)應(yīng)立即停機(jī)處理?！?/p>

3）GB／T 7064—2017《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》規(guī)定：“如氫壓高于冷卻器或定子繞組中水壓，氫氣會(huì)漏入水系統(tǒng)并離開發(fā)電機(jī)。這時(shí)要檢查水系統(tǒng)以尋找氫氣消耗量大的原因。”

以上相關(guān)規(guī)定按時(shí)間順序可以看出，有關(guān)發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱氫氣含量的規(guī)定最早是由GB／T 7064—2008提出的，但是在GB／T 7064—2017中，將有關(guān)判斷數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)刪除，僅以要求查找耗氫量大的原因來(lái)替代，表明在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，利用水箱中氫氣含量數(shù)據(jù)來(lái)判斷運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)定子線棒是否漏氫的可靠性不高。

2 定子冷卻水箱的分類

水氫氫發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱按照密閉方式和排氫方式可分為充氮式水箱和不充氮式水箱。不充氮式水箱又可分為敞口式水箱和U型水封（安全閥）水箱。充氮式水箱見圖1，是在水箱上部空間充以氮?dú)?，使水與空氣隔絕，防止水箱和管道內(nèi)壁被氧氣及滲入的二氧化碳腐蝕的水箱。敞口水箱是指水箱直接對(duì)空，或通過(guò)排空管道將氫氣排到廠房外的水箱。U型水封（安全閥）水箱是指水箱排氣回路中安裝有U型水封或安全閥的水箱，當(dāng)水箱中壓力超過(guò)水封壓力或安全閥設(shè)定的壓力時(shí)，氣體才通過(guò)排氣管道排出。

圖2為敞開式水箱示意。測(cè)氫探頭同樣單獨(dú)安裝，水箱排氣回路無(wú)U型水封或安全閥，排氣直接經(jīng)過(guò)燃?xì)獗砗笈趴铡?/p>

圖3為U型水封水箱示意，不充氮。圖3中①為單獨(dú)安裝的測(cè)氫探頭；②為U型水封，當(dāng)水箱排氣壓力大于水封壓力時(shí)才能排空。圖4為安全閥水箱，不充氮。圖4中①為水箱頂部單獨(dú)安裝的測(cè)氫探頭；②為水箱排氣回路上的安全閥；③為燃?xì)獗怼?/p>

各電廠定子冷卻水箱測(cè)氫回路布置不盡相同，但基本布置都不超出圖1～4所示范圍。此外未安裝測(cè)氫探頭的水箱不做具體圖例說(shuō)明。

圖1 充氮式水箱

圖2 敞開式水箱

圖3 U型水封水箱

圖4 安全閥水箱

3 定子冷卻水箱漏氫監(jiān)測(cè)問(wèn)題分析

目前水氫氫發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱漏氫監(jiān)測(cè)的不足之處有：

1）定子冷卻水箱測(cè)氫探頭均單獨(dú)安裝在水箱頂部或排氣管道高點(diǎn)，由于氣體無(wú)法及時(shí)流通，造成取樣管道內(nèi)部積聚氫氣，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)值超標(biāo)報(bào)警。同時(shí)遇到水箱內(nèi)補(bǔ)水或水位波動(dòng)時(shí)因水箱內(nèi)氣體空間擠壓也易發(fā)生誤報(bào)現(xiàn)象［5］。

2）排氣管道上的安全閥、燃?xì)獗?、水箱測(cè)氫探頭等元件長(zhǎng)期未校驗(yàn)，無(wú)法正確動(dòng)作或正確顯示［6］。

3）現(xiàn)場(chǎng)使用的燃?xì)獗淼牧砍虆?shù)普遍偏大，靈敏度不足，表計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)人記錄，燃?xì)獗碜x數(shù)長(zhǎng)期無(wú)變化，且燃?xì)獗韮H能記錄水箱的排氣量，無(wú)法測(cè)出具體的排氫量。依據(jù)導(dǎo)則推薦的0.3 m3／d和5 m3／d排氫量折算，即 0.012 5 m3／h 和 0.208 3 m3／h。多個(gè)電廠現(xiàn)場(chǎng)使用的燃?xì)獗?，其最小流量?.04 m3／h，無(wú)法在線棒發(fā)生滲漏的初期準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)，及時(shí)反映漏氫情況［7］。

4）排氣回路安全閥長(zhǎng)期無(wú)動(dòng)作情況，導(dǎo)致水箱無(wú)法通過(guò)安全閥和燃?xì)獗磉M(jìn)行排氣。

5）部分氫氣監(jiān)測(cè)回路在基建時(shí)期未按照要求正確安裝。部分機(jī)組未設(shè)計(jì)安裝水箱測(cè)氫探頭或燃?xì)獗怼?/p>

6）專業(yè)協(xié)同問(wèn)題。水箱氫氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)問(wèn)題早在十幾年前就已提出，但由于監(jiān)測(cè)裝置歸屬儀控專業(yè)管轄，管路、水箱及整個(gè)定子冷卻水系統(tǒng)歸屬汽機(jī)專業(yè)管轄，而裝置數(shù)據(jù)及其功能作用最后為發(fā)電機(jī)，為電氣專業(yè)服務(wù)，屬于典型的多專業(yè)交叉范疇。電氣專業(yè)想改造但插不了手，汽機(jī)、儀控專業(yè)則不關(guān)心該裝置能否正確工作。十幾年來(lái)，三個(gè)專業(yè)相互推諉，以至于該問(wèn)題一直無(wú)法得到有效解決。

4 發(fā)電機(jī)定子線棒滲漏案例

某廠3號(hào)發(fā)電機(jī)為QFSN-660-2-22C型隱極式發(fā)電機(jī)，采用水氫氫冷卻方式，定子冷卻水箱充氮運(yùn)行。

2018年1月19日，運(yùn)行人員依照慣例對(duì)定子冷卻水箱充氮至20 kPa后停止，后發(fā)現(xiàn)定子冷卻水箱壓力曲線波動(dòng)異常，上升至40 kPa（正常情況充氮至20 kPa后，水箱內(nèi)氣體壓力會(huì)緩慢下降，當(dāng)壓力下降至5 kPa時(shí)，再次進(jìn)行充氮）。手動(dòng)對(duì)定子冷卻水箱泄壓排氣，對(duì)排出氣體使用便攜式氫氣檢漏儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氫氣含量已超最大量程。水箱排氣管路安全閥（設(shè)計(jì)動(dòng)作值分別為50 kPa和35 kPa）未動(dòng)作，燃?xì)獗硎緮?shù)無(wú)變化。整機(jī)補(bǔ)氫量無(wú)明顯變大。

2018年1月27日開始，為進(jìn)一步分析判斷發(fā)電機(jī)漏氫情況，撤銷定子冷卻水箱氮?dú)饷芊?，并排空水箱?nèi)氣體至2 kPa，持續(xù)觀察24 h，壓力上升至30 kPa。手動(dòng)泄壓排氣，對(duì)排出氣體使用便攜式氫氣檢漏儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氫氣含量均已超最大量程。連續(xù)3天，每天定子冷卻水箱氣體壓力變化量均為30 kPa左右。對(duì)水箱容積、水位、氣體壓力變化量數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，3號(hào)發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱日漏氫量約為 0.6 m3／d， 超出了 GB／T 7064—2008導(dǎo)則推薦的0.3 m3／d 的要求。

機(jī)組進(jìn)行停機(jī)檢查，對(duì)定子水回路進(jìn)行水壓試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行定子端部手包絕緣電位外移試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)汽端22，23槽手包絕緣處泄漏電流嚴(yán)重超標(biāo)，22槽有可見滴水現(xiàn)象。鏟除3號(hào)發(fā)電機(jī)定子汽端22槽線棒手包絕緣后，沖氮（0.6 MPa）綁壓并使用專用檢漏劑檢查確認(rèn)22槽上層線棒水盒子與線棒空心導(dǎo)線處存在滲漏現(xiàn)象。

更換22槽上層線棒，發(fā)現(xiàn)該線棒R型漸開線處一根空心導(dǎo)線斷裂，一根實(shí)心導(dǎo)線斷裂，另有一根實(shí)心導(dǎo)線有裂紋。確認(rèn)3號(hào)發(fā)電機(jī)定子線棒存在漏點(diǎn)，見圖5。

圖5 22號(hào)故障線棒導(dǎo)線斷裂情況

圖6 3號(hào)發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱系統(tǒng)回路

圖7 定子冷卻水箱氫氣檢測(cè)回路改造前系統(tǒng)

5 發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱氫氣檢測(cè)回路改造案例

某廠一期為4臺(tái)600 MW（后增容至630 MW）亞臨界燃煤機(jī)組。發(fā)電機(jī)均為QFSN-600-2型發(fā)電機(jī)，采用水氫氫的冷卻方式。定子冷卻水箱正常時(shí)充氮運(yùn)行，防止二氧化碳進(jìn)入定子冷卻水系統(tǒng)導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

電廠為了讓定子冷卻水箱的氫氣檢測(cè)傳感器能較為準(zhǔn)確地測(cè)量出定子冷卻水箱內(nèi)氫氣的含量，對(duì)原系統(tǒng)回路（見圖7）進(jìn)行了改造優(yōu)化。主要的改造思路是讓原傳感器安裝空間內(nèi)的積聚氫氣流動(dòng)起來(lái)，通過(guò)測(cè)量總的排出水箱的氣體量（包括氫氣和氮?dú)猓┖团懦鰵怏w中氫氣的含量，計(jì)算出排出水箱的氫氣量，大致約等于發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)的漏氫量。應(yīng)滿足文獻(xiàn)［3］中“內(nèi)冷水系統(tǒng)中漏氫量達(dá)到0.3 m3／d時(shí)應(yīng)在計(jì)劃停機(jī)時(shí)安排消缺，漏氫量大于5 m3／d時(shí)應(yīng)立即停機(jī)處理”的測(cè)量要求。

具體的改造部位主要有3處（見圖8）。第1處取消了原來(lái)水箱頂部的氫氣檢測(cè)傳感器 （見圖9），增加了一根管路使水箱頂部的氫氣可以向后面流動(dòng)。第2處增加了一條帶有U形水封的旁路，讓水箱內(nèi)的氣體繞過(guò)原來(lái)的安全閥，水封壓力設(shè)定為3.5 kPa，保證水箱充氮的密封性。第3處將原來(lái)配置的燃?xì)獗頁(yè)Q成既能測(cè)量氫氣濃度，又能測(cè)量總的排氣量，最后計(jì)算出排氫量的智能型氫氣檢測(cè)裝置。并能將測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果上傳到集控畫面，便于運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)視。

圖8 定子冷卻水箱氫氣檢測(cè)回路改造后系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)改造結(jié)果較為成功，流量表顯示水箱日漏氫量約為0.04 m3／d，同時(shí)將流量表數(shù)據(jù)和報(bào)警信息上送至DCS畫面，達(dá)到了既定的效果。值得注意的是，新增的U型水封的壓力大小直接將影響氮?dú)庀牡乃俾省?/p>

圖9 原定子冷卻水箱氫氣檢測(cè)傳感器安裝位置

6 建議

結(jié)合目前水氫氫發(fā)電機(jī)定子冷卻水箱的類型和氫氣在線監(jiān)測(cè)裝置的情況，提出以下建議：

1）建議發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)不再以單獨(dú)安裝的測(cè)氫探頭的濃度數(shù)據(jù)作為運(yùn)行中發(fā)電機(jī)定子線棒是否泄漏的標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而采用水箱日排氫量的數(shù)據(jù)作為分析和判斷的優(yōu)先依據(jù)。

2）對(duì)于充氮式水箱，其水箱內(nèi)氣體壓力的變化趨勢(shì)能較為靈敏和準(zhǔn)確地反映運(yùn)行中發(fā)電機(jī)定子線棒是否存在滲漏情況。建議將該數(shù)據(jù)上送至DCS監(jiān)控畫面，作為分析和判斷的優(yōu)先依據(jù)。

3）建議將水箱單獨(dú)安裝的測(cè)氫探頭取消，從原探頭處接取一根管路與排氣管連通。對(duì)于充氮水箱，可在連通管路中加裝適當(dāng)壓差的能正確動(dòng)作的閥門或水封；對(duì)于U型水封或安全閥水箱，連通管應(yīng)將之前安裝的無(wú)法正確動(dòng)作的安全閥旁路。同時(shí)將原燃?xì)獗砀臑殪`敏度和量程范圍更合適的智能型氣體流量表。

4）應(yīng)定期對(duì)發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測(cè)裝置探頭、排氣回路安全閥和燃?xì)獗淼葯z測(cè)裝置進(jìn)行校驗(yàn)，確保發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠［8］。

5）若懷疑運(yùn)行中發(fā)電機(jī)定子線棒存在滲漏，可綜合定子冷卻水箱排氫量、水箱內(nèi)氣體壓力變化情況、機(jī)內(nèi)氫壓變化、整機(jī)補(bǔ)氫量、定子冷卻水的pH值和電導(dǎo)率等參數(shù)來(lái)分析和判斷［9-10］，或采用其他的新技術(shù)或新方法，如加裝在線溶解氫儀表來(lái)輔助分析和判斷［11-12］。