变压吸附制氮系统在发电机气体置换中的应用

韩 丹,周 莽,李 军

(1.大唐长春第二热电有限责任公司,长春 130031;2.国网长春供电公司,长春 130021)

根据 GB 4962— 2008《氢气使用安全技术规程》:氢气系统动火检修,必须保证系统内部和动火区或氢气体积分数最高不超过 0.4%,因此,在发电机进行 A、B检修时,需要对发电机进行气体置换。为确保发电机在气体置换过程中安全,气体置换一般采用中间介质,氮气是较为理想的中间介质。用密度大的气体置换密度小的气体时,密度大的气体应从发电机底部二氧化碳母管送进,密度小的气体从发电机顶部氢气母管排出;用密度小的气体置换密度大的气体时,密度小的气体应从发电机顶部 H2母管送进,密度大的气体应从发电机底部二氧化碳母管排出。某发电公司现运行的6×200 MW机组,发电机的冷却方式均为定子绕组采用水内冷,转子绕组采用气隙取气斜流式氢气内冷,定、转子铁心采用氢气表面冷却,整机内部为密闭氢气循环冷却。

1 常规置换方法

某发电公司《电气运行规程》规定,对发电机进行气体置换时需要使用氮气瓶,氮气储量按发电机容积(73 m3)的 1.5倍准备,要求瓶装氮气纯度大于98%,氧气体积分数要小于0.5%。将安有减压器的氮气瓶接于置换母管各置换分阀门上,开启置换总阀门及分阀门向发电机内充氮气,开启排氢阀门。为确保置换过程的安全,规定充氮气压力最高不得超过 0.4 M Pa,机内气体压力保持在 0.003～0.005 MPa。当氮气用完 15瓶左右时,关闭氮气瓶阀门、减压器阀门、置换总阀门及相应置换分阀门,停止充排,取样化验合格则停止置换,不合格则继续充排。

由于氮气瓶质量较大,操作人员在搬运过程中消耗的体能较多,并且氮气瓶还易发生碰撞、倒落等危险。另外,氮气瓶内压力一般较高(14 M Pa左右),如果置换操作过程中对压力掌握不好,易导致接口联接的胶管脱落而引起意外事故。为保证6台机组的置换需求,该发电公司每年需要对外采购 400瓶以上氮气,一定程度上增加了企业的运营成本,因此,采用传统方法使用氮气瓶对发电机进行气体置换在安全性和经济性方面均存在一定弊端。

2 变压吸附制氮系统简介

运用变压吸附(PSA)原理,以空气为原料,以碳分子筛作为吸附剂,利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法,通称变压吸附制氮。与传统制氮法相比,它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快、能耗低,产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节,操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点。

变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性,采用加压吸附,减压解吸的循环周期,使压缩空气交替进入吸附塔(也可以单塔完成)来实现空气分离,从而连续产出高纯度的产品氮气。制氮系统的主要流程是:空压机→空气缓冲罐→V级过滤器→冷干机→ A级过滤器→B级过滤器→活性炭过滤器(除油)→空气工艺罐→吸附塔(左、右)→氮气工艺罐→粉尘过滤器→减压阀→氮气输出。

为保证进入制氮系统的高压空气干燥,在制氮系统前端加装冷却器或冷冻式干燥机,根据冷冻除湿原理压缩空气在冷冻器中和制冷剂进行热交换,空气中的水分冷却后再次发生冷凝,从而将其中所含的大量水蒸气、油雾冷凝成液滴,由自动排水器排出。同时,为保证产出的氮气质量,在制氮机出口安装氮气分析仪,以便监视产出的氮气纯度是否满足要求。

3 系统改造及维护

为实现变压吸附制氮系统进行发电机气体置换,该发电公司引进了一套 PSA制氮系统,并为各台机组安装了氮气置换管路,对发电机 0 m小氢站氢系统进行了改造,配备了氮气压力表以及氮气分析取样门。从实际效果来看,PSA制氮机可以连续产出高纯度的产品氮气,产气量达 20 m3/h,纯度可达99.5%。

为满足发电机氮气置换要求,公司结合实际工况制订了新的气体置换规定。规定要求,氮气管路正常运行方式为制氮机至发电机充氮总门在关闭位置,各台发电机B排墙氮气管路分门在开启位置,发电机0 m小氢站置换总门及分门在关闭位置。在开始进行气体置换之前,要对制氮系统彻底排污一次,通知化学人员检测来氮管路氮气纯度,合格标准是:氮气纯度大于 98%,氧气体积分数小于 0.5%,并对氮气管路做15 min以上的吹扫。全开制氮机至发电机充氮总门,在置换过程中保证发电机入口氮气压力不低于 0.15 MPa。发电机氮气置换完毕后,关闭制氮机至发电机充氮总门。发电机气体置换(N2置换 H2)流程为:变压吸附制氮系统→氮气→发电机→氢气→排入厂房外大气。

为了保证制氮系统可靠运行,还要对其所属设备进行维护。对制氮系统中的设备的维护主要包括空压机、冷干机、过滤器、制氮主机的维护。空压机的日常维护主要是经常检查空压机压缩油是否正常,严格按照压缩机使用说明书进行维护:1～2 h要排放空气储罐下的排污阀门;冷干机的散热器要经常用压缩空气吹扫;制氮机过滤器的排污口要经常检查是否堵塞或泄漏等。

4 结束语

变压吸附制氮系统耗能低,运行费用少,原料空气取自自然,只需提供压缩空气和电源即可制氮,可大大降低生产成本,且连续运行可靠性高。目前,该发电公司采用母管式氮气气体置换方式已经完成了6台机组大 A、B检修前后气体置换工作。从实际操作情况来看,变压吸附制氮机可以为发电机置换提供充足的氮气。将变压吸附制氮系统应用于发电机气体置换,不仅提高了置换的安全性,缩短了置换时间。该方法也为类似冷却方式的发电机组的气体置换提供了参考。需要注意的是,应保证进入发电机的氮气是干燥的,所以考虑在置换总阀门前加装干燥剂罐。