百万千瓦发电机氢气燃爆的预防措施

陈杰武

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

与空气比，氢气的热容量和冷却能力要高许多倍。所以大型汽轮发电机通常不再采用空气冷却、而采用氢气冷却。发电机中旋转的转子与定子之间属于滑动接触，要实施对氢气的密封十分困难。通常采用流动注油的方式来封堵氢气的外泄。氢气是一种易燃易爆的气体，任何一种氢气与空气的混合，都是极为严重的燃烧爆炸风险根源。某电站百万千瓦发电机曾经发生氢气大量泄漏事件，导致停机、抢修，所幸未能引起灾难性的“氢气燃爆”事故发生。

1 氢气密封方式

与空气比，氢气的热容量和冷却能力要高许多倍。所以大型汽轮发电机通常不再采用空气冷却、而采用氢气冷却。发电机中旋转的转子与定子之间属于滑动接触，要实施对氢气的密封十分困难。通常采用流动注油的方式来封堵氢气的外泄。

1.1 盘式密封

早期是在转轴与端盖之间采用带有多级迷宫式油槽的盘式注油密封装置，其优点是用于密封的油量较小，对氢气纯度的影响较小。但是密封瓦结构复杂，安装调整困难，密封油量不稳定。后来改用环式、特别是双流环式密封瓦结构。

1.2 双流环式

20世纪80年代引进的美国西屋公司600 MW汽轮发电机及其“氢－油－水”系统，就采用这种双流环式密封结构。在应用过程中，进一步改进了原来分散配置的冷却器、过滤器、调节器、泵类和阀门类等部件，使其能够按照工艺流程和功能实现集中安装，形成一个整体的集装式装置，从而简化了现场的安装操作、便于调整和监控，准确地判断故障起源，及时地处理氢气泄漏等各种问题。

由于引进时间较早，其系统设计现在已无法满足用户要求。虽然双流环式密封瓦结构比盘式先进，但是控制方法比较复杂，为了保证它的两条密封油路的油压相等，必须设置平衡调节器。况且在运行过程中，双流环式结构与单流环式要求差别较大，双流环式比单流环式运行调试复杂，安装要求高，双流环式系统因安装问题造成的系统不平衡，目前很难通过设备自身调整过来，而单流环式却不必考虑平衡问题，具有很大的优势。

1.3 单流环式

目前能够生产1000 MW级汽轮发电机组的国外厂家有GE、西门子、东芝、日立、三菱、阿尔斯通等公司，其中采用单流环式密封结构的占多数。以生产双流环式为代表的西屋公司已经转型，不再生产发电设备。只有三菱公司传承西屋技术，在其核电及常规机组设计上仍然采用双流环式密封，而且其系统更加复杂、调试更加困难。

美国GE公司在大容量的GE390型400 MW级燃气轮发电机上采用的单流环式密封装置，出于简化设计原因，而把本来应作为独立单元的发电机密封系统，分解成为发电机和汽轮机2部分，发电机部分只包括密封油调压部分，而其压力源及密封油预处理部分则划归属于汽轮机油系统。而东芝百万千瓦发电机的单流环式，则是包括密封油预处理在内的全部功能的密封油系统。由于对氢气实施密封的密封油过滤器、对氢气进行冷却的冷却水过滤器的过滤精度要求很高，就必须保证水离子交换器对水的控制及处理、密封油真空油箱的真空度控制、密封油溢流阀的控制、冷却水泵、密封油泵的振动控制等精确到位，并提高密封油泵、真空泵的运行可靠性。哈电通过引进日本东芝公司技术，已在泰州电站1000 MW级汽轮发电机组上采用最新一代的单流环式氢气密封结构并实现了国产化。现在已经推广应用到其它大型汽轮发电机组上。单流环式氢气密封系统的优越性，也已经移植到双流环式密封系统中。

单流环式密封油系统采用可靠性较高的单油路供油，其特点是在系统中设置1套真空净油装置，可将油中水分和气体分离、排除，净化机内氢气，保证氢气纯度和湿度，减少补氢量。哈电参照引进的设计技术参数，对发电机“氢－油－水”系统的各种元器件进行了优化。在生产和试验过程中反复地进行对比、校验，对许多元件实现了国产化，如油、水过滤器、离子交换器、真空油箱、油箱的浮子阀、油水箱的浮子开关、三螺杆泵、电动机、压差阀等关键部件。通过优化设计还解决了国内水泵轴系的振动问题，从而达到了引进产品的技术要求。

2 氢气泄漏途径

氢气是一种非常危险的气体，如果氢气中混入5% 的空气，就有引发燃烧、爆炸的危险，所以必须采取密封、隔离措施，始终保持发电机内部的氢气压力大于机外空气的压力，以便防止机外的空气渗入机内。然而，在长期运行过程中，压力大于空气的机内氢气，很难避免向外泄漏到空气中。任何一种氢气与空气的混合，都是极为严重的燃烧爆炸风险根源。

氢气泄漏途径的可能性如下:(1)通过冷却器法兰接合面和排油管道的裂缝，漏到机外空气中;(2)通过密封瓦和密封环的裂缝，漏到空气中;(3)通过水冷空心导线的裂缝，渗入水中。在上述各种氢气泄漏模式中，氢气通过密封组件空气一侧泄漏到空气中，是危险性最大的泄漏事件，很可能造成严重的爆炸、火灾后果。

3 氢气燃爆特性

氢气是一种易燃易爆的气体，在常温下，它的性质并不活泼，但在明火或“着火能量”诱发下，能和氧气化合，引起燃烧或爆炸。氢气的燃烧爆炸特性见表1。计算结果表明，发电机内氢气容积的6% 泄漏，如果燃爆就相当于182 kg的TNT炸药爆炸的威力。

表1 氢气的燃烧爆炸特性

4 氢气燃爆风险

某电站百万千瓦发电机曾经发生严重漏氢事件。运行人员发现发电机内氢气泄漏率高达54 m3/d，已经超过30 m3/d这个“氢爆”风险值。4天以后在屋顶排气口测得的漏氢(在空气中的)比例为3.6%。直到7天以后终于找到泄漏氢气部位是在发电机的励磁机一端的空气一侧。当时采取了极高危险的作业:拆除励磁机一端的空气一侧回油管的探头以后，将测爆仪皮管插入回油管内，测得的氢气所占比例分数已经超过爆炸下限。万一被静电或火花引爆，必将造成灾难性后果。第9天测得的漏氢率已经高达180 m3/d。此时才认识到爆炸风险，决定停机。直到第10天才开始减少负荷，直至停机、抢修，所幸未能导致灾难性的“氢气燃爆”事故发生。

5 漏氢预防措施

预防发电机内氢气泄漏的关键，在于控制其密封装置空气一侧的氢气体积与密封组件的泄漏率和密封油箱排气检测值的关系，以便为运行中的在线防爆监测系统提供依据。首先要确保“氢－油－水”系统的正常、安全和稳定运行。

5.1 优化密封装置

通过技术引进、消化、吸收和再创新，哈电在完成了压差阀、平衡阀、减压阀、液体报警器、氢气干燥器、氢气纯度分析装置、油过滤器、水过滤器和专用控制仪表及其精密测试系统的国产化以后，还开发和应用了并联式调节系统，它具有“氢－油”压差值稳定、线性性能良好、不易过压等优点。在成功地应用于大型汽轮发电机上以后，又完成了“冷凝式氢气自动干燥器”和“氢气纯度自动分析系统”的研制工作，并在大型机组上广泛应用，解决了因机内氢气湿度高而影响机组正常运行问题。由于在密封油系统中采用了单流环式密封系统，并在系统中配置了真空静化装置，可以最大限度地去除油中含有的水分、空气等杂质，改善了进入密封瓦中密封油的油质，减少了污染机内氢气的机会，提高机内氢气的纯度，为稳定运行提供保证。氢气冷却器的冷却水系统还采用了压力调节和温度调节装置，可使发电机氢气冷却器的进水流量和进水温度实现准确的控制。

5.2 精密监测

为了避免形成具有爆炸性浓度的氢气与空气的混合气体，通常采用二氧化碳作为中间介质来进行电机内部空气与氢气的置换。在发电机的氢气冷却系统中，除了这种气体置换装置以外，还设有氢气控制装置、氢气去湿装置以及热工仪表监测装置等。运行中的发电机内部氢气很难避免混入其密封油中而被带出机外，从而导致机内氢压的降低，和机内温度的升高。为了保持机内的氢压值，由氢气控制装置中设置的2套氢压调节器通过充氢和补氢进行氢压的自动调节。如果氢气纯度降低，还能自动进行排污。用于氢气密封的油中水分会污染氢气，使其纯度降低和湿度过高，从而影响冷却效果、增加通风损耗、损坏绕组绝缘、腐蚀转子护环等。因此，氢气控制系统还配备了纯度仪、湿度仪、压力开关、液位开关等，以便实现对氢气的全方位监测。由于采取了包括上述预防措施在内的氢气监测、监控系统，可以从根本上杜绝氢气泄漏、燃烧和爆炸的风险。

6 结语

(1)定子采用水冷、转子和铁心采用氢冷的大型透平(包括汽轮机和燃气轮机在内的)发电机还将继续沿用下去，易燃易爆的氢气燃爆事故，国内外都有发生，必须严防。

(2)优化“氢－油－水”系统和氢气密封装置结构，可以从根本上避免氢气与空气混合所形成的燃爆风险起源。

(3)除了转轴与端盖之间的滑动接触处采用新一代环式注油密封装置外，发电机的机壳、冷却氢气的管道、定子冷却水的管道等其它部位，都有可能出现孔隙、裂缝等缺陷而引起氢气泄漏，必须采取精度较高的氢气检漏仪器进行在线实时监测。