发电机定冷水系统漏氢量的监测

刘力

（深能合和电力（河源）有限公司广东河源517000）

摘要：2015年3月18日河源电厂1号机组启动后，发电机定冷水箱漏氢监测值上升，达到报警值4%。由于目前尚无有效的方法能准确测得发电机膛内氢气漏向定冷水系统的量，该漏氢缺陷一直困扰机组运行。自2015年04月至06月，本文采用三种方法对定冷水箱漏氢量进行监测，都定性得出定冷水箱漏氢量不大，尚未达到《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中规定“内冷水系统中漏氢量达到0.3m3/d时应在计划停机时安排消缺”的要求。目前该发电机组一直安全运行。

关键词：发电机定冷水；漏氢量；气体收集；

1河源电厂1号发电机定冷水箱漏氢概况

河源电厂1号发电机是哈尔滨电机厂有限公司制造FSN-600-2YHG型汽轮发电机，2009年1月投产运行。发电机额定功率600MW，运行氢压0.4±0.2Mpa，额定氢气纯度98%，定冷水入口压力0.25-0.35Mpa。发电机采用“水氢氢”冷却方式，即定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定子铁芯氢冷。正常情况下，氢气系统和水冷系统是完全隔离、独立的两套系统。氢气系统由发电机定子外壳、端盖、氢气冷却器、密封瓦、密封油组成一个闭式循环系统。定子冷却水系统也是一个闭式循环系统，采用高纯度冷却水将定子绕组的热量传出流回到定冷水箱，通过定冷水泵增压经冷却器换热后再回至发电机定子绕组吸热。定冷水箱的排气有两路，一路称为启动排气，另一路称为运行排气。启动排气直接从定冷水箱顶部经启动排气门引至厂房外，正常运行时该阀门关闭。另一路排气经定冷水箱压力安全门后，流经氢气流量计后排气至厂房外，正常运行是该排气口常开。但因排气管路上有安全门，所以定冷水箱内气体处于微正压0.035MPa状态。

河源电厂发电机定冷水箱顶部装设有一氢气监测仪表，监视定冷水箱顶部氢气浓度，当氢气浓度达到4%时报警。自2015年3月18日1号机组启动后，DCS画面中发电机定冷水箱漏氢监测值上升，3月26日达到报警值4%。《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中10.5.2规定“内冷水箱中含氢（体积含量）超过2%应加强对发电机的监视，超过10%应立即停机消缺。内冷水系统中漏氢量达到0.3m3/d时应在计划停机时安排消缺，漏氢量大于5m3/d时应立即停机处理。”

2发电机定冷水箱产生氢气的原因分析

发电机定冷水系统在正常运行环境下不可能分解产生氢气。但是据有关试验证明：水氢氢冷发电机系统正常运行中，发电机内氢气的运行压力0.4Mpa大于定冷水的运行压力0.25MPa，所以氢侧总是有微量的氢气通过聚四氟乙烯管微孔等处漏入定冷水中。

当发电机膛内定子内部水系统回路组成件有问题时（如空芯导线裂纹、水接头漏、引水管沙眼、汇流管接头渗水、密封垫失效等），氢气将从发电机的这些部件漏到定冷水系统内并溶解，当氢气在定冷水溶解达到饱和，就随定冷水的流动逐渐在定冷水箱析出，并聚集在定冷水箱内，然后从定冷水箱顶部排出。这就是发电机氢气系统出现内漏。当泄露量足够大时，氢气来不及溶解，可能直接随水流流回定冷水箱，也可能直接在发电机的某些管路上聚集形成气阻，严重威胁发电机的安全运行。

3发电机定冷水系统漏氢量监测方法与实施

由于目前尚无有效的方法能精确测得发电机内氢气漏向定冷水系统的量，所以在有限的条件下我厂采用以下多种试验方法以获得该漏氢量，以定性的诊断发电机的漏氢状况。

3.1定冷水排气系统流量计直接测量法

河源电厂定冷水箱排气系统设计了氢气流量计，记录通过流量计排到厂房外的气体体积流量。但该流量计安装在水箱旁，系统运行时高温的定冷水系统将产生水蒸汽，水蒸气随着气流通过流量计时将在该流量计里面凝结，严重影响流量计数读的准确性。

3.2加装临时流量计测量法

加装临时流量计测量法是将启动排气门排向厂房外的管口接上橡胶管并串联上流量计及氢气纯度仪。测量时关闭定冷水箱运行排气管路总门，开启定冷水箱启动排气门，然后记录流量计流量及氢气纯度仪读数。经过几次测量发现流量计及纯度仪读数晃动后变为零,说明定冷水箱内气体压力与大气压力相当，不能被排出来。于是采用定时憋压的方法，将定冷水系统不补水不取样，保持水位稳定，憋压12小时。憋压12小时后微开水箱启动排气门，初期流量大约25ml/min，氢气纯度高，随着排气的进行，流量及纯度均下降，20分钟后流量计氢气纯度均降至0。通过该方法能大致判断，发电机漏氢量不大。

3.3理想气体状态方程核算法

3.3.1核算依据

理想气体状态方程pV=nRT描述了理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。公式中p是指理想气体的压强Pa，V为理想气体的体积L，n表示气体物质的量mol，而T则表示理想气体的热力学温度K；R为理想气体常数，约为8.3144J/(mol•K）。当定冷水箱内气体处于一个封闭的环境下时满足该方程式pV=nRT。如果有氢气在定冷水箱内析出，于是水箱内气体物资的量n将发生变化。利用这一性质我们可以测算出n的变化量，从而可以得到氢气的泄漏量。

3.3.2试验方案实施

3.3.2.1试验前系统的调整

先对发电机定冷水疏水排气门系统查漏，确保系统无泄漏。调整定冷水箱排气系统成为封闭系统，关闭定冷水箱排气系统相关阀门；关闭发电机定冷水取样门；将发电机定冷水箱水位补至高水位，并作记录及就地液位计标记。

3.3.2.2试验过程

试验过程中维持机组负荷不变，定冷水系统运行参数不变，试验维持24小时，见下表.

如下图所示可获得水箱内气体体积。h和R均由现场测量获得，水箱近似圆柱体计算。现场测得圆周长为3250mm,R=517.5mm，h=760mm,水箱长度为2600mm。经过计算气体空间的容积为：465.44L。

3.3.2.3试验数值计算

从表上看出试验前后系统封闭且水温变化不大，气体温度就由回水温度表示，且水箱水位基本一致。如果发电机膛内氢气向定冷水系统泄漏，那么试验期间定冷水箱内气体物质的量的增加量便是漏氢量。

据p1V1=n1RT1，p2V2=n2RT2,V1=V2=V=465.44L

于是Δn=n2-n1=(p2V2/RT2)-(p1V1/RT1)=(p2/T2-p1/T1)*V/R

=((101.3+8)×103/(273.15+57.4)-（101.3+3.3）×103/(273.15+59))×465.44L/8.3144

=0.8812mol

24小时泄漏量为：ΔV=Δn*22.4L/mol=19.74L。

3.3.2.4理想气体状态方程计算法结论

由于该试验数据是根据现场有限的条件下获得，所以计算结果不能精确的反映发电机膛内漏向定冷水箱的漏氢量，但该数值可以作为定性参考。每天漏氢19.74L的数值与临时流量计测量法获得的结果基本一致，24小时内定冷水系统的漏氢量不大。

3.4气体收集法

如上所述发电机定冷水系统是一个闭式循环系统，如果发电机膛内氢气漏向定冷水侧，并在定冷水箱释放，水箱内气压将上升。若将这些气体收集、测量、计算，可以得到发电机定冷水系统在一个周期里的漏氢量。收集气体的思路就是制作一个气体收集装置，为避免定冷水系统产生的气体逃逸，采用连通器原理将气体收集。

3.4.1系统更改

气体法收集定冷水系统产生的气体，需要对定冷水箱排气系统作简单的系统异动。将定冷水箱顶部的启动排气门后的排气管拆除，改接透明软管，以引流气体。然后制作一个简易的连通器原理气体的收集装置，将气体收集桶盛满水倒扣在一个盛满水的容器上，再将软管另一端插入气体收集桶。这样一个简单的气体收集装置就制作好了。气体收集桶用于收集发电机定冷水箱排出的气体。透明软管用于引导气体流入收集桶，选用透明管便于观察管内介质流动状态。收集气体时盛满水的容器能起到水封作用防止收集到的气体外溢。

3.4.2试验实施步骤

3.4.2.1在气体收集前将发电机定冷水系统调整到稳定状态。定冷水箱补水至高水位，就地液位计做标记并作记录。关闭发电机定冷水取样门。

3.4.2.2开启定冷水箱启动排气门约一天时间，目的在于使得水箱内以前聚集的氢气能够全部排出，保证此次试验数据的真实性。

3.4.2.3对发电机定冷水系统疏水排气门查漏，确保系统无泄漏。将所有疏水及排气门的管口加套一气球，气球不鼓起证明该管路上阀门严密不漏，若鼓起则需要加装堵头。

3.4.2.4关闭定冷水箱排气系统相关阀门后维持机组负荷、氢压不变，试验开始。

3.4.2.5历时18小时后试验后检查系统状态：定冷水箱水位不变，试验过程中系统未补水，机组负荷不变。试验前后记录相关参数如下表。

3.4.2.6检查收集装置无异样后，微开开启定冷水箱启动排气门，会发现通过透明胶管的气体带有少量水汽。可以根据透明胶管内水汽流动情况及时调整定冷水箱启动排气门开度防止初期气流过快，也防止后期气体倒吸。当气体收集桶内胶管无气泡冒出时，说明定冷水箱内气体和收集桶内气体压力基本一致。调整收集桶内水位高度与盛满水容器的水面高度一致使得收集桶内压力、定冷水箱压力以及大气压力一致。这样发电机膛内向定冷水泄漏的氢气就收集到了。

3.4.3试验结果

经过18小时的气体收集，容积为19.6L的桶收集到的氢气不足一桶，经测量桶内气体体积为14.6L，化验氢气含量为26%。因定冷水箱内气体为混合气体，氢气没有全部排出，所以可假设桶内气体全是氢气，另外忽略试验期间水温变化带来的测量误差；那么发电机定冷水系统每天的漏氢量约20L。这个数值与前面两次漏氢量测量试验及核算的数据相当，即发电机定冷水系统漏氢量不大。

1号发电机定冷水系统漏氢量的监测总结与建议

通过近3个月的试验仍无法完全掌握河源电厂1号发电机定冷水箱漏氢量，但是采用了三种不同的测量方法却能定性判断漏氢情况。第一种方法采用临时流量计测量法初步得到发电机定冷水漏氢量不大。第二种利用理想气体状态方程核算得到发电机定冷水漏氢量在19.74m3/d。第三种连通器原理气体收集法将发电机定冷水产生的气体全部收集再测量其体积和纯度，得到每天漏氢量约为20L/d。《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中规定“内冷水系统中漏氢量达到300L/d时应在计划停机时安排消缺，漏氢量大于5m3/d时应立即停机处理。”这三种方法能定性的得到发电机定冷水漏氢量远远低于规定中的计划停机标准。综合以上各项试验及检查情况有如下建议。

1.计划技改项目，在下次停机时，按厂家要求将氢气流量计改安装在汽机房15米高度，避免因定冷水中的水汽凝结造成流量计的测量误差。

2.定期采用气体收集法测量发电机定冷水箱漏氢量。若氢漏未超标，为防止氢漏进一步扩大，在发电机的日常运行中应做好比平时更加严格的监控措施，主要有以下内容：

（1）在氢漏事故解决前，确保机内氢压大于定冷水压0.05Mpa以上，做好如下措施：维持发电机额定氢压0.4Mpa运行，氢压低于0.38Mpa时应及时补氢。发电机定冷水泵切换时注意保持阀门缓慢调节，避免两台泵运行时压力过高导致漏点扩大，控制水压小于0.31Mpa，防止定冷水渗进入发电机。

（2）做好一次发电机定冷水箱内（通过在线监测装置）氢气浓度的巡检工作，并记录结果；每天测量一次定冷水铜离子浓度，监测铜离子浓度有无突然增大情况。

（3）执行好每周的漏氢定期工作，对照结果，分析漏氢趋势，密切关注漏氢量突增的情况。

（4）加强氢气干燥器维护工作，确保发电机内氢气湿度合格。

（5）定冷水箱周围和排气口周围5米内区域严禁明火作业及使用无线电通讯，防止氢气爆炸发生。

（6）做好每一次的氢压、密封油压、水压、流量等参数的监测和记录，防止出现氢压、水压、密封油压、水流量异常波动的现象，如果这些数据出现大的阶跃式的异常波动，应立即降负荷，分析原因，甚至停机。

（7）密切关注定子绕组线棒温度。将各线棒的温差控制在小于8℃，若线棒温差超过14℃、定子引水管出水温差达到12℃，或定子槽内任一层间温度超过90℃、出水温度超过85℃，应立即降低发电机的负荷，将温度控制在允许范围内；如果降负荷不能改善线棒温度，应停机。

（8）加强对发电机中性点零序电流的监视，发现该电流异常增大时，应申请停机。

参考文献

[1]《QFSN-600-2YHG型汽轮发电机使用说明书》.

[2]国家能源局电力安全监管局《防止电力生产事故的二十五项重点要求辅导教材》,中国电力出版社.

[3]《工程热力学》2006年高等教育出版社严家騄.