一起发电机漏氢事件的分析与处理

宁效伟，关锦良

(广东省能源集团广东粤电韶关发电厂有限公司，广东 韶关 512100)

0 引言

目前，国内汽轮发电机组大多采用水氢氢冷却方式，即发电机定子绕组冷却水(除盐水)内部冷却、转子绕组氢气内部冷却、定子铁心氢气冷却的方式。发电机在运行期间，发电机定子膛内充入一定压力和纯度的氢气，氢气与大气之间采用密封油进行密封隔绝，防止外界空气进入发电机内部，同时防止发电机内氢气漏出。由于氢气是易燃易爆气体，当空气中氢气的体积含量达到4 %～74.2 %范围时，遇明火会发生爆炸，因此，必须严格地控制发电机漏氢量以保证运行安全。

1 一起发电机漏氢事件的经过与处理

某电厂发电机的出厂型号为QFSN-300-2-20B，采用水氢氢冷却方式，该发电机的主要参数为：额定功率330 MW (388 MVA)，额定电压20 kV，额定电流11.207 kA，额定功率因数0.85，额定频率50 Hz，额定转速3 000 r/min，效率(保证值)不低于98.8 %，相数3，接法YY，额定氢气压力0.30 MPa，最高氢压0.35 MPa，漏氢量低于8 m3/天。

机组于2005年投产，发电机漏氢量等指标均满足运行要求。但在某次计划性A级检修后，运行发现发电机氢气压力快速下降，经现场检查发现定子绕组冷却水的电导率高达15 μS/cm，同时水箱顶部排空气管中有大量气体漏出(漏氢测量仪测得漏氢量报警100 %)，迅速减负荷并停机。

发电机倒氢后，用0.3 MPa的压缩空气通入发电机内冷水系统以查找具体漏点。打开发电机人孔，在汽侧听到明显的漏气声，于是吊开发电机汽励两侧的氢气冷却器并进入发电机两侧端部检查，在发电机汽侧汇水管“三通”部位发现一道80 mm长的裂纹，判断此为漏氢点。为缩短检修工期，对裂纹进行了V型打磨、不锈钢氩弧焊焊接处理，并进行着色检查、气压试验(0.5 MPa，8 h)、水压试验 (0.5 MPa，8 h)、整体气密性试验 (0.3 MPa，16 h)等，检查合格后发电机重新投氢、并网。后续持续跟踪泄漏量，均满足要求。

机组运行约1年后，发电机内氢气压力快速下降，且通过补氢无法维持正常压力，同时在水箱排气口发现大量氢气，机组解列停运，观察氢气压力由0.3 MPa下降至接近0的时间约为5 h。倒氢后，打开人孔检查，在发电机汽侧汇水管“三通”部位发现一道约160 mm长的裂纹。由于机组临近计划性大修，继续采用V型打磨、不锈钢氩弧焊接进行临时处理，在水压、气压试验合格后投入运行。后续在机组大修期间，对发电机汽、励两侧的汇水母管进行替换，气压、水压、气密性、分支定子冷却水流量超声波测试等试验合格后正常投运。

从漏氢事件及处理过程中发现，该发电机连续2次的漏氢故障均为汽侧汇水母管的同一个三通上出现裂纹，氢气通过裂缝进入定子绕组内部的定子冷却水系统所致。三通产生裂纹的原因和处理如下。

(1) 2次裂纹的产生均为三通管材制造缺陷引起，因此，维护过程中应加强着色探伤检查。

(2) 该三通位置上设有分支绝缘引水管，需在三通上进行打孔，影响了三通的质量，因此，在设计中应尽量避免在三通位置开孔。

2 发电机漏氢的危害

(1) 漏氢易导致发电机内氢气压力波动，甚至低于额定氢气压力，从而影响发电机的出力与电磁转换效率。

(2) 漏氢容易引起发电机内氢气的湿度增大、冷却水渗入机内、密封油进入机内等异常情况，导致氢气纯度下降，腐蚀或损坏发电机定子线棒的绝缘强度，甚至加大引发定子绕组相间短路或对地短路等恶性事故的几率。

(3) 漏氢的部位不同，引发后果的严重程度也存在差异。若漏点处容易聚集氢气，在达到一定浓度时遇到明火则会发生爆炸，给发电企业带来严重的安全挑战。

(4) 漏氢会导致发电机损坏。若氢气漏入定子线棒，容易导致定子线棒冷却水回路形成气塞从而降低定子线棒的冷却效果，严重时定子线棒局部发热会引发定子绕组绝缘击穿事故；若转子导电螺杆处漏氢，漏出氢气容易被励磁碳刷处的火花点燃，轻则导致励磁碳刷架起环火迫使机组停运，严重时将烧断励磁主回路部件。

(5) 漏氢的存在，一方面增加了机组运行操作，同时也提升了运营成本；另一方面漏氢必然会引起发电机机内氢气压力波动，导致油氢压差阀频繁动作，易引起密封油进入发电机内，削弱发电机定子线棒及引出线的绝缘强度。

3 漏氢处理措施

发电机漏氢具体表现在发电机内氢气压力的变化上，但发电机涉氢系统较多，包括了发电机本身的氢气系统、排补氢系统、密封油系统、氢气冷却器系统、油氢压差自动调节系统、热控测量仪表系统等，且各系统所包含的设备数目庞大，一旦出现漏氢情况，排查起来相当困难，同时由于氢气具有爆炸属性，因此，漏氢处理的紧迫性与及时性尤为重要。为尽快发现并消除存在的漏氢点，对漏氢事件进行归纳，总结相关经验。

3.1 查找方法与判断标准

3.1.1 查找方法

发电机漏氢检查应根据机组的运行状态采用不同的查找方法，常用且有效的查找方法如下。

(1) 肥皂水查漏。用调制好的肥皂水涂抹至涉氢系统设备的结合面、螺栓、法兰、测量管接头、阀门等部位，然后观察肥皂水起泡的情况即可判断是否存在氢气泄漏。该查找方法直观但繁琐，一般用于有重点泄漏嫌疑的设备查找。

(2) 采用氢气检漏仪进行查找。推荐使用灵敏度高、携带方便的检漏仪，以提升检查有效性。该查找方法简单、效率较高。

(3) 发电机处于停运状态时，可采用卤素检漏仪检漏。向发电机内充卤素气体，再充压缩空气至0.3 MPa (表压)进行查漏。需关注该仪器中离子室有炽热红火种，如氢气溢出存在氢爆风险。

3.1.2 漏氢量判断

当发现发电机氢气系统存在泄漏时，补氢操作(氢压变化、补氢频次等)只能大致反映出漏氢量，而详细准确的漏氢量数据需要通过发电机气密性试验具体计算。气密性试验可在发电机运行中进行，但需要注意：试验期间不得进行排补氢操作；试验时间一般不小于24 h；尽量选择环境温度变化小的时间段开展试验；试验期间不得使发电机局部受热或受冷，并尽可能选择靠近发电机膛内中部区域且测量准确的同一温度测点。

查漏时一般充入氮气或者压缩空气（需发电机转子静止或处于盘车状态），漏气量计算参照DL/T 607—2017《汽轮发电机漏水、漏氢的检验标准》要求实施。在1个标准大气压(0.101 3 MPa)、温度为θ2时，漏空气量ΔV＇A(每24 h的泄漏量)计算公式：

式中：V为发电机充气体积，m3；Δt为试验时间，h；Pg，1，Pg，2分别为试验开始与结束时的机内压力，MPa；Pa，1，Pa，2为试验开始与结束时的大气压力， MPa；θ1，θ2分别为试验开始与结束时的机内温度，℃。

通过上式计算得到的是温度为θ2℃时所充气体的漏气量，若所充的气体为压缩空气时，折算到“1个标准大气压(0.101 3 MPa)下、20 ℃时每24 h的漏氢量”ΔVH为：

漏空气量与漏氢气量的换算倍数，一般有2种计算方式：由空气与氢气在“标准大气压、0 ℃时”的比重推算为或由“0 ℃氢气与空气均方根速度比，得出为11 830/485=3.77”，在 DL/T 607—2017 标准中该换算倍数选取为3.8。在查漏实践中，考虑到漏点的不同(有的漏点空气分子无法漏出、但氢气分子可以漏出)以及考虑氢气进入密封油的能力远强于空气等因素，因此，在严重漏氢的情况下，折算时可将该换算倍数适当取大。发电机检修后，整套氢冷系统每24 h最大允许漏空气量及评价标准如表1所示。

表1 整套氢冷系统每24 h最大允许漏空气量及评价标准(0.101 3 MPa，20 ℃ )

3.2 漏氢排查顺序与处理

发电机的常见漏氢部位有发电机端罩与机座的结合面、发电机氢气冷却器上下法兰与机壳的结合面及螺栓处、发电机端盖与端罩及上下半端盖结合面及螺栓处、发电机端盖与密封瓦座的结合面、发电机出线室内定子引出线套管等。当发生发电机漏氢故障时，在保障发电机安全运行的前提下，应迅速进行排查与除漏工作，采取有效的排查方法发现漏氢点并及时进行处理。

针对漏氢情况，首先确定是发电机系统设备的内漏或外漏：内漏主要是指发电机系统设备内部的氢气漏入定子绕组的定冷水系统或漏入密封油系统；外漏是指发电机系统设备内部的氢气漏入大气。依据严重程度，总结类似漏氢查找处理经验，制定相应的排查顺序与处理对策。

(1) 检查励磁侧端盖结合面是否有氢气泄漏，因该处泄露的氢气极易被励磁碳刷火花点燃造成严重事故。处理对策：该处漏氢可采取简单的涂抹密封胶、压紧端盖螺栓处理，无法消除时可采用专用的机械挤压设备进行挤压，利用金属的变形特性消除漏氢。

(2) 检查定子内冷水系统冷却水箱顶部排空气管处的泄漏，若存在泄漏现象，则说明定子绕组线棒的绝缘、汇水母管、绝缘分支引水管等存在损伤，同时应防止氢气在定子线棒冷却水回路内形成气塞。处理对策：加强定子绕组温度与出水温度的监视，同时做好机组停运并进一步检查的准备工作。

(3) 密封油排烟风机出口处漏氢量的检测，若发现异常，则说明氢气已漏入密封油系统。处理对策：分析是否为密封油压过低、密封油带水较多所致，该情形可通过调整密封油压、滤油解决；若无法解决，则说明发电机密封瓦间隙较大，需在机组停运时进行密封瓦间隙调整。

(4) 检查氢气是否通过氢气冷却器的冷却铜管漏入冷却水系统。该冷却水来自于氢气冷水系统，可通过水中氢气含量进行检测。若发现漏氢，则利用水压试验找到漏点予以消除。

4 结束语

发电机发生漏氢时，及时发现并有效处理能防止漏进一步引发恶性事故。在排查与处理期间，应加强疑似漏氢区域的作业管理，若确认了漏氢部位，应及时做好防止氢气聚集措施，以避免发生氢气爆炸事故。为预防发生发电机漏氢引发的各类事故，应提高对发电机机内氢气压力变化、氢气品质变化的监测；同时加强发电机氢气系统(氢气除湿装置、密封油系统油压及压差阀自动调节系统设备等)的维护保养，以提高其运行的可靠性与安全性，从而提升机组安全稳定运行能力。