發(fā)電機(jī)氫氣純度下降的原因分析及治理

李陽(yáng)

摘要：我公司汽輪發(fā)電機(jī)系QFSN-660-2型汽輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷（定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組氣隙取氣氫內(nèi)冷，定子鐵芯和定、轉(zhuǎn)子表面及端部結(jié)構(gòu)件氫氣表面冷卻）冷卻方式。正常運(yùn)行時(shí)額定氫壓0.5MPa，露點(diǎn)-5℃～-25℃， 氫氣純度正常維持98%以上，當(dāng)氫氣純度<96%時(shí)通過(guò)排污、補(bǔ)氫來(lái)提高氫氣純度。為了防止發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣外泄，采用了雙流環(huán)式密封瓦，通過(guò)密封油系統(tǒng)的油壓進(jìn)行密封，以確保汽輪發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。我公司在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)#1發(fā)電機(jī)氫氣壓力基本保持平穩(wěn)而氫氣純度緩慢下降，發(fā)電機(jī)只能通過(guò)頻繁的排污、補(bǔ)氫置換的方法來(lái)維持機(jī)內(nèi)氫氣純度合格，自2011年投產(chǎn)以來(lái)，發(fā)電機(jī)月平均氫氣純度從97.8%降至96.6%，為了維持發(fā)電機(jī)的氫氣純度，日補(bǔ)氫量從17m3/d增加至22m3/d，月平均補(bǔ)氫次數(shù)從11次/月增加至23次/月，這不僅增加了氫站設(shè)備的工作壓力和運(yùn)行人員的工作量，而且造成了氫氣的浪費(fèi)，同時(shí)影響了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行，解決氫氣純度低的問(wèn)題迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；氫氣純度下降；原因

設(shè)備簡(jiǎn)介：

由于氫冷發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸必須穿過(guò)發(fā)電機(jī)的端蓋，因此這部分成了氫內(nèi)冷發(fā)電機(jī)密封的關(guān)鍵。密封油分為空側(cè)和氫側(cè)兩個(gè)油路將油供給軸密封瓦上的兩個(gè)環(huán)狀配油槽，油沿轉(zhuǎn)軸軸向穿過(guò)密封瓦內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸之間的間隙流出。如果這兩個(gè)油路中的供油油壓在密封瓦處恰好相等，油就不會(huì)在兩個(gè)配油槽之間的間隙中竄流，通常只要密封油壓始終保持高于機(jī)內(nèi)氫氣壓力，便可防止氫氣從發(fā)電機(jī)內(nèi)逸出。空側(cè)油路供給的油則將沿軸和密封瓦之間的間隙流往軸承側(cè)，并同軸承回油一起進(jìn)入空側(cè)密封油箱，從而防止了空氣與潮氣侵入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。氫側(cè)密封油則沿軸和密封瓦之間的間隙流往發(fā)電機(jī)內(nèi)側(cè)，落入消泡箱，最后回到氫側(cè)密封油箱?？諅?cè)油為主密封油，通過(guò)差壓閥將調(diào)節(jié)空側(cè)密封油壓力始終保持在高出發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力0.084Mpa的水平上。氫側(cè)密封油始終跟蹤空側(cè)油而達(dá)到平衡，并使之自動(dòng)跟蹤與空側(cè)密封油壓差保持±0.49kPa，限制兩路油相互竄流，以達(dá)到基本平衡的目的。油與空氣和氫氣之間的隔絕是采用兩道迷宮式油擋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，氫側(cè)為了防止油進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，還有一道迷宮式外油擋阻止油進(jìn)入發(fā)電機(jī)。

我公司氫氣干燥器對(duì)氫氣進(jìn)行干燥處理的原理是利用活性氧化鋁對(duì)水分子具有吸引力特性，還有它的化學(xué)惰性和無(wú)毒特性。當(dāng)活性氧化鋁吸收水分達(dá)到飽和后。再生-通過(guò)加熱來(lái)清除干燥劑自身束縛的水分，從而恢復(fù)它的吸濕能力，并且活性氧化鋁的性能和效率并不受重復(fù)再生的影響。設(shè)備設(shè)計(jì)有兩個(gè)干燥塔，當(dāng)一個(gè)干燥塔處于吸濕狀態(tài)時(shí)，另外一個(gè)處于再生狀態(tài)。所以吸附式干燥器能連續(xù)對(duì)氫氣干燥。

圖2 氫氣干燥器工藝流程圖

吸濕過(guò)程：濕氫氣從發(fā)電機(jī)高壓端出來(lái)，流經(jīng)油水分離器。通過(guò)干燥器底部的四通閥V8，氫氣氣流到干燥塔A 的底部，在內(nèi)部風(fēng)機(jī)幫助下給氫氣施加壓力，使其通過(guò)干燥劑脫掉水分，干燥的氫氣通過(guò)上部的四通閥V7 回到發(fā)電機(jī)低壓入口。

再生作用：通過(guò)內(nèi)部風(fēng)機(jī)，氫氣被加壓使其上升通過(guò)正在被加熱器加熱的干燥劑，帶走干燥劑束縛水分因加熱汽化的水蒸汽，使?jié)竦臍饬魍ㄟ^(guò)氣流控制閥V1，暖濕的氫氣流，繼續(xù)通過(guò)溫度低于攝氏38度的冷卻器，水份開(kāi)始冷聚。一種離心型汽水分離器把水從氫氣中分離出來(lái)，水被分離系統(tǒng)流向疏水閥，冷卻的氫氣繼續(xù)通過(guò)底部的四通閥，再返回進(jìn)入容器的底部，加熱過(guò)程在那里又重新開(kāi)始。

梳理原因：

1 閥門(mén)和設(shè)備的內(nèi)漏或外漏

利用BJZ5-8800A氫氣檢漏儀對(duì)發(fā)電機(jī)整體、密封油系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)4處漏氫部位都屬于很輕微的漏點(diǎn)，同時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力一直很穩(wěn)定。

2 氫氣源純度、濕度超標(biāo)

根據(jù)制氫站運(yùn)行人員報(bào)表記錄，氫氣源（儲(chǔ)氫罐）的純度為99.99%和濕度（露點(diǎn)均值-51.9℃），因而氫氣源引起氫氣純度下降的原因可排除。

3 油中含水量

跟蹤近6個(gè)月的密封油化驗(yàn)報(bào)告，油質(zhì)均合格，油中含水量平均值為10.9mg/L（標(biāo)準(zhǔn)值≤50.0mg/L），密封油中的含水量不足以造成氫氣純度的下降。從投產(chǎn)以來(lái)我們一直加強(qiáng)油品監(jiān)督工作，定期濾油。

4 油氫壓差

當(dāng)氫側(cè)油壓過(guò)高于發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓，氫側(cè)油將通過(guò)油擋進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，油品蒸發(fā)后油氣混入氫氣中，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度下降；氫側(cè)油壓過(guò)低于發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓，密封油阻擋氫氣的能力下降，氫氣隨油外泄，使氫氣純度下降。通過(guò)對(duì)油氫壓差調(diào)整后，隨著油氫壓差的提高，日補(bǔ)氫量有所減少，氫氣的純度只有很小幅度的提升，但是在97.5%以下。油氫壓差提高過(guò)程中，一直嚴(yán)密監(jiān)控發(fā)電機(jī)浮子檢漏儀，檢漏儀中未發(fā)現(xiàn)油跡。

5 密封瓦處空氫側(cè)密封油交換。

密封瓦間隙過(guò)大，平衡閥跟蹤不好或工作失常，空側(cè)密封油壓與氫側(cè)密封油壓不平衡，都會(huì)造成密封瓦處空氫側(cè)密封油交換，使得氫側(cè)密封油污染，會(huì)造成氫氣純度下降。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)油氫壓差調(diào)整，隨著油氫壓差的提高，空、氫側(cè)密封油油壓有所提升，發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)兩端密封油平衡表基本沒(méi)有變化，說(shuō)明汽勵(lì)兩端空、氫密封油壓差不變，汽、勵(lì)兩端的平衡閥工作正常，沒(méi)有發(fā)生空、氫側(cè)密封油交換。

6 氫側(cè)回油箱補(bǔ)、排油浮球閥狀態(tài)

氫側(cè)密封油箱中的補(bǔ)排油浮球閥故障導(dǎo)致氫側(cè)密封油箱中的空側(cè)和氫側(cè)油大量交換，使含有大量空氣的空側(cè)密封油進(jìn)入氫側(cè)密封油箱，引起氫氣純度下降。通過(guò)對(duì)氫側(cè)密封油箱液位和氫側(cè)油箱補(bǔ)、排油管溫度的監(jiān)測(cè)記錄，油氫壓差基本平穩(wěn)，氫側(cè)密封油箱油位沒(méi)有變化，氫側(cè)密封油箱溫度、氫側(cè)油箱補(bǔ)油管溫度和氫側(cè)油箱排油管溫度基本沒(méi)有變化，氫側(cè)油箱補(bǔ)油管溫度<空測(cè)密封油泵出油母管溫度，氫側(cè)油箱排油管溫度<空測(cè)密封油泵進(jìn)油母管溫度，說(shuō)明氫側(cè)回油箱補(bǔ)、排油浮球閥工作正常，同時(shí)佐證密封瓦處沒(méi)有發(fā)生空、氫側(cè)密封油竄油的現(xiàn)象。

7 氫氣置換不徹底

根據(jù)上一次停機(jī)，發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)充氫過(guò)程中氫氣純度的監(jiān)測(cè)記錄得到氫氣純度能長(zhǎng)時(shí)間的維持在100%，說(shuō)明不存在氫氣置換不徹底的現(xiàn)象。

8 氫氣干燥器除濕不利

因?yàn)槊芊庥椭泻猩倭康乃郑芊庥驮诿芊馔咛幯h(huán)的過(guò)程中，油和油中的水分以氣體型式析出混入氫氣中，對(duì)氫氣純度有一定的影響，氫氣干燥器就是用于除去氫氣中的水分。

1.首先對(duì)氫氣干燥器前置油水分離器和氫氣干燥器進(jìn)行內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)油水分離器中的活性炭和氫氣干燥器中的AL2O3顆粒表面油滑，Al2O3有些許的淡黃色，說(shuō)明活性炭的除油功能已大大降低，Al2O3已被油污染，達(dá)不到額定的除濕效果。

2.將上述中污染的活性炭和AL2O3進(jìn)行更換后，將設(shè)備投入運(yùn)行，繼續(xù)監(jiān)測(cè)氫氣純度變化，發(fā)現(xiàn)活性炭和AL2O3更換后，氫氣純度提高明顯，但是運(yùn)行10天左右后，氫氣純度又回到96.9%。我們對(duì)氫氣干燥器疏水閥進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)疏水閥中存積了大量的水，沒(méi)有及時(shí)排盡。疏水閥為浮球式自動(dòng)排水閥，排水孔尺寸為0.03mm，如果排水孔被堵，疏水閥中必定積攢大量的疏水，氫氣干燥器再生過(guò)程中，冷卻器中的冷凝水無(wú)法排放，勢(shì)必造成水分又再次蒸發(fā)，在干燥器中打循環(huán)，使得干燥器除濕效果大大減弱。

對(duì)策實(shí)施：

1.對(duì)于查出的氫氣漏點(diǎn)，我們將能處理的漏點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行處理，對(duì)需要停機(jī)處理的漏點(diǎn)在停機(jī)以后也及時(shí)進(jìn)行了處理，通過(guò)檢測(cè)，所有漏氫點(diǎn)已檢測(cè)不出氫氣。

2.將氫氣干燥器的浮球自動(dòng)疏水閥改為手動(dòng)排污的疏水器（有可視視窗），疏水器后增加手動(dòng)排污閥，每1天進(jìn)行一次手動(dòng)排污。

對(duì)策實(shí)施后，我們進(jìn)行了3個(gè)月的氫氣純度、發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)月提純次數(shù)和日均補(bǔ)氫量統(tǒng)計(jì)：

氫氣純度提升到97.75%左右，日補(bǔ)氫量已降低到12.2m3/d，月補(bǔ)氫次數(shù)降低到14次/月（三個(gè)月的平均值）。

結(jié)論

由于氫氣熱容量大，導(dǎo)熱性比空氣高6倍多，流動(dòng)性比空氣好，重量不到空氣的1/10，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)的通風(fēng)摩擦損耗大大減小，所以在現(xiàn)代單機(jī)大容量發(fā)電機(jī)中被普遍應(yīng)用。為使機(jī)組能夠安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地運(yùn)行，嚴(yán)格地保證機(jī)內(nèi)氫氣的純度是十分必要的。

¤如果氫氣純度下降至爆炸范圍內(nèi)，在一定的條件下可能會(huì)引起發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣爆炸。

¤氫氣純度不合格，會(huì)造成機(jī)內(nèi)構(gòu)件局部過(guò)熱。

¤有害氣體的存在還會(huì)造成絕緣老化、鐵芯及其金屬部件腐蝕，直接影響機(jī)組的安全。

¤氫氣純度下降時(shí)，混合氣體的密度隨氫氣純度的下降而上升，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的通風(fēng)摩擦損耗增加，降低發(fā)電機(jī)的效率。

¤僅靠發(fā)電機(jī)排污、補(bǔ)氫置換的方法維持機(jī)內(nèi)的氫氣純度，這對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，同時(shí)也造成了一定經(jīng)濟(jì)損失。

（作者單位：寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司）