大型发电机氢气置换的现代化新工艺

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 徐宏伟

0 前言

采用氢气取代空气来冷却汽轮发电机的首台商业应用，最早是美国于20世纪30年代末投入运行的机组。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在不断实现大容量化的发展过程中，不再采用空气冷却、而采用氢气冷却。由于氢气具有良好的传热性能、较高的热传导率、较低的通风损耗和较高的电位系数，而成为大中型汽轮发电机的一种理想的冷却剂。根据国际电工委员会的标准IEC60034-3的规定，不允许直接向采用氢气冷却的发电机内充入氢气，来置换其中的空气。也不允许采用空气直接充入进去，来置换机内的氢气。必须采用惰性气体来置换机内的氢气。

1 氢气的危险性

氢气又是一种非常危险的、容易燃烧爆炸的气体，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。空气中的氢气含量达到4%及以上时，就会燃烧；超过18%时就可能爆炸。汽轮发电机的氢气燃烧、爆炸事件，国内外、境内外，均有发生。某电站百万千瓦发电机，曾经发生大量氢气泄漏事件，导致停机、抢修，所幸未能引起灾难性的“氢气燃爆”事故发生。最近，震惊世界的日本福岛核电站的核泄漏事件，就是氢气燃烧爆炸引起的，而氢气则来自于台风、导致海浪涌入发电站而被电解。因此，氢气的安全保护是非常重要的，当然也包括氢冷发电机。

具有较高压力和纯度的氢气，只有在发电机运行过程中存在于机内，其它时间必须从机内清除干净，以确保安全。这种净化工艺，根据国际电工委员会的标准IEC60034-3的规定，不允许直接向采用氢气冷却的发电机内充入氢气，来置换其中的空气。也不允许采用空气直接充入进去，来置换机内的氢气。必须采用惰性气体来置换机内的氢气，其浓度（可以通过纯度测量装置测量得到），必须满足国际该标准的要求。

历来用于置换氢气的这个惰性气体为二氧化碳，由于它是以液体形式提供和保存的，一旦要用，必须采用蒸发器将它气化。这个过程，既耗费时间，又增加设备，在紧急情况下，不能确保发电机的安全可靠。近年来，人类不断探索一种惰性气体的替代方案。在排除了氮气的选用可能性以后，现场实验证明，氩气是取代二氧化碳的理想的惰性气体。

2 氢气置换过程

发电机中冷却氢气的置换循环过程如下：在停机状态下（机内是空气）→充入惰性气体（清除空气）→充入氢气。在运行状态下（机内是氢气）→首先停止运行→充入惰性气体（清除氢气）→充入空气置换惰性气体→进入停机状态。

氢气置换的具体实施步骤如下：

2.1 起动时的步骤

充氢前，先用惰性气体置换机内空气。当该惰性气体的浓度（采用浓度测量装置测量）在达到IEC60034—3标准规定的安全限度值时，才能填充氢气（来置换惰性气体）。当该氢气的纯度（采用纯度测量装置测量）达到要求时，和氢气压力升高到正常运行时要求的限值时，发电机准备投入运行。

2.2 停机时的步骤

与起动时的顺序相反，先将机内氢气压力解除，再充入惰性气体（来置换氢气）。如果机内氢气浓度（由监测装置显示）降低到最低（即满足安全条件）时，才能充入空气将惰性气体置换出来。

3 惰性气体优化

3.1 二氧化碳

以前常常采用二氧化碳作为惰性气体。但是它的密度与空气和氢气有很大区别。二氧化碳主要以液态形式存在和提供，应用时需要一个非常复杂的气化过程，和配备一套蒸发（气化）设备，费用很高。在出现紧急停机等情况下，为了保障安全，必须迅速进行充入二氧化碳、排除氢气，这就要求蒸发（气化）设备随时待命，必须配备常设的应急电源，比如一台数十kW的柴油发电机组。

3.2 氩气

它的临界温度非常低，这使它即使在很低的环境温度下，仍然呈现气态形式，而且可以在高压力下应用。它是惰性气体，但是，在周围环境的大气中，就含有1%的氩气，取材方便，可以由空气分离工厂生产提供。各种相关气体的性能对比见表1。

3.3 氮气

曾经考虑采用氮气作为一种替代方案，其密度较低，接近于空气。但是氮气用气量太大，而且时间太长，不能有效地将机内空气排除。所以排除氮气。

4 现场验证实验

4.1 惰性气体用量

作为实验用发电机的机内体积为75 m3。它的氢气由6组（每组12个）气瓶提供，每瓶容量为50 L，填充压力为200 bar，保证每组体积为120 m3的标准体积容量。气瓶通过监测气瓶压降便可判定体积流量。

（1）停机时

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运行中的发电机实施停机时向空转中的发电机内充入氩气置换氢气所需气体用量（体积）为机内体积的2倍与二氧化碳相同；

（2）起动时

停机状态的发电机进行起动、投入运行时，向空转中的发电机内充入氩气，置换空气。所需气体用量（体积）为机内体积的2.5倍（采用二氧化碳时为2倍）。

氩气用量略微高于二氧化碳的原因很多，其中包括：氩气的密度相对较低，而在空气中的溶解度却较高。

4.2 惰性气体装置

采用氩气时，气瓶与氢气时相同，也能保证200 m3/h的体积流量。氩气为瓶装，12瓶为一组（120 Nm3）。气瓶总数取决于发电机体积。2组气瓶经过减压器（200至1～10 bar）和压强测量、压强传感器以及气体纯度测量仪后充入机内。

4.3 氩气测量装置

其纯度测量，大多数气体纯度测量装置都采用热导率来测量纯度，而且采用二氧化碳作为惰性气体进行校准。然而，氩气热导率较高，所以应用的仪器必须重新校准。如果标准纯度测量装置没有进行氩气校准，充入和排除时的发电机气体浓度，可以采用质量分光仪来获得。也可以采用精密压力指示仪来测量机内压力。

4.4 置换时间对比

现场验证实验证明：填充时间——采用二氧化碳充入机内，置换空气的时间为80 min后达到规定的90%浓度，符合标准IEC60034-3的规定；而氩气的时间为46 min，采用氢气置换惰性气体时，需要的时间为：置换二氧化碳——80 min；置换氩气——40 min。运行过程中，总的时间节省了74 min。

停机过程中，最重要的是安全而又快速地清除机内的氢气。在这方面，氩气的惰性保护，具有安全优势：达到90%的浓度时，二氧化碳需要50 min；而氩气只需30 min。与二氧化碳相比，氩气具有较高的流速，可以加快发电机的起动和停机过程。

4.5 采用氩气的优势

1）简化系统

采用氩气时，它不需要那种将液态二氧化碳转化为气态的蒸发设备。

2）节省时间

运行过程中，与二氧化碳相比，采用氩气可以节省时间74 min。

3）高效置换

停机的最后一步是用空气置换机内的氩气。由于氩气在空气中的溶解度要比二氧化碳高，更有利于对发电机出线盒及机内其它角落等气体容易聚集的地方进行清除，置换效果更好。

4）保护环境

按照安全规则，只要氧气的含量＞18%（体积），人类就不会有危险。但是如果空气中的二氧化碳达到7%～10%，人类就会导致窒息、死亡。因此为了保护人身健康，在工作环境中规定的二氧化碳的最大允许浓度为5000 ppm。如果采用氩气，则对周围大气没有负面影响，人体吸入也不会有危险。因为周围空气中就含有1%的氩气。

5）经济核算

与二氧化碳相比，虽然在价格方面氩气要高出30%左右，但是由于取消了蒸发器和应急电源等额外的费用，两者基本平衡。所以，长期应用氩气会更加便宜。

当今世界，已经有数十家、各种类型的发电站，其中包括燃气、燃煤、联合循环、核能等发电站采用了这项新技术。应用中也包括世界上最大的氢气冷却发电机，其单机容量高达2000 MVA。运行时间总计超过160年以上。运行实践证明：由于简化了系统结构，减少了维护工作量，减少了停机时间，保证了人员的安全，对大气环境无污染。这使得用户满意。

5 结论

1）采用氩气取代二氧化碳作为大型发电机冷却氢气置换用的惰性气体，可以实现在不多花钱的情况下达到提高效率、节省时间、安全可靠、保护环境的目的。

2）大中型汽轮发电机大多数采用氢气冷却，特别是燃气轮发电机和燃气—蒸汽联合循环发电站透平发电机，往往用于电网系统中的调峰填谷，起动、停机频繁，氢气的置换次数更多，应用氩气的意义更大。

3）有的发电设备生产厂家已经将采用氩气取代二氧化碳来置换氢气，作为企业标准规定下来；有些发电站已经列入技术改造、升级换代计划。新产品、老产品都可以推广应用。