溶解氢在发电机内冷水漏氢及漏氢量监测的研究与应用

孙维义 焦玉刚 薛亚飞 杨锐锐 王建军 刘晓林 解小虎

（陕西德源府谷能源有限公司，陕西 府谷 719407）

0 引言

国家能源局《防止电力生产事故二十五项重点要求》2022征求意见稿中第10.7.1.2内冷水箱漏氢监测数据应以未进行补排水、水箱液位稳定时为准，当含氢量（体积含量）超过2%应报警，并加强对发电机的监视，超过10%应立即停机消缺，对于闭式水箱，氢气浓度应在排气阀开启状态下，水箱上部气体达到动态稳定时测量。第10.7.1.3条明确规定漏氢量达到0.3m3/d时，应计划消缺，漏氢量大于5m3/d时，应该立即停机处理。第10.7.1.4条明确规定有条件时开展水内溶解氢量检测（或监测），通过与同类机组及历史数据比较或计算等效漏氢量，判断是否存在漏氢缺陷。《发电机定子冷却水漏氢量检测技术规程》T/CEC 279-2019也明确提出了发电机定子冷却水泵出口溶解氢含量大于60μg/L时，定子冷却水系统有氢气泄漏的风险。以上两个规程明确要求通过测量定冷水中溶解氢含量来判断水电界面渗漏情况，并严格规定了立即停机条件。但无有效的检测手段，导致专业技术人员、运行人员不清楚水电界面是否存在风险。

发电机内冷水漏氢的机理：由于发电机振动和老化会造成氢气向内冷水系统的渗漏，氢气首先溶解到内冷水中，一部分溶解在水中，另外一部分再从水中逃逸到水箱上部空间，水箱上部空间为多组分气体，多组分气体主要成分包含水箱上部空间中的氧和氮及漏入内冷水中逃逸的氢气；当水箱上部的排空阀关闭时，随着时间的推移，从内冷水中逃逸的氢气的浓度越来越高，水箱上部空间中氢气浓度从0逐渐增加到90%以上。

发电机内冷水漏氢的主要危害：（1）氢气的爆炸极限是4.0%～75.6%（体积分数）；（2）氢气是强的还原性气体，能将铜线棒的氧化膜还原成单质铜和氧化亚铜，造成空心线棒的堵塞；（3）随着发电机的振动和老化，渗漏点逐渐扩大，虽然氢压高于水压，由于文丘里效应，出现慢爬现象，绝缘遭到破坏，严重时造成拉弧放电，烧毁发电机风险。

目前常见的发电机内冷水漏氢量监测手段主要是通过测量水箱上部的氢气浓度和气体流量计算内冷水漏氢量的方法。

1 研究背景及意义

国家能源局《防止电力生产事故二十五项重点要求》2022征求意见稿中第10.7.1.2内冷水箱漏氢监测数据应以未进行补排水、水箱液位稳定时为准，当含氢量（体积含量）超过2%应报警，并加强对发电机的监视，超过10%应立即停机消缺，对于闭式水箱，氢气浓度应在排气阀开启状态下，水箱上部气体达到动态稳定时测量。第10.7.1.3条明确规定漏氢量达到0.3m3/d时，应计划消缺，漏氢量大于5m3/d时，应该立即停机处理。第10.7.1.4条明确规定有条件时开展水内溶解氢量检测（或监测），通过与同类机组及历史数据比较或计算等效漏氢量，判断是否存在漏氢缺陷。《发电机定子冷却水漏氢量检测技术规程》T/CEC 279-2019也明确提出了发电机定子冷却水泵出口溶解氢含量大于60μg/L时，定子冷却水系统有氢气泄漏的风险。以上两个规程明确要求通过测量定冷水中溶解氢含量来判断水电界面渗漏情况，并严格规定了立即停机条件。

2 研究的现状

目前常见的发电机内冷水漏氢量监测手段主要是通过测量水箱上部的氢气浓度和气体流量表计算内冷水漏氢量的方法。

从发电机内冷水漏氢的机理得知，水箱上部空间的气体是多组分气体，多组分气体主要成分包含水箱上部空间中的氧和氮及漏入内冷水中逃逸的氢气和微小的压力；多组分气体中各组分浓度随着氢气浓度的变化，其它组分浓度也在变化，造成背景气体的浓度变化。

（1）氢气浓度测量一般采用热导气体测量方法，测量二组分气体，测量精度还是比较高的，如果测量多组分气体中的氢气浓度，会造成一定的误差；氢气渗漏初期由于水箱上部空间气体浓度低，气体热导法由于灵敏度的局限很难准确测量；

（2）水箱中水位变化和温度直接影响了氢气在水中的溶解度，直接影响水箱上部空间气体浓度的变化，造成测量的误差；

（3）水箱采用充氮保护气体时，直接稀释了水箱上部空间氢气的浓度，造成测量的误差；

（4）水箱上部空间的气体压力比较小，难于满足气体流量表的准确测量；

（5）氢气先漏入到内冷水中，一部分溶解在内冷水中，多余的氢气才逃逸到水箱上部空间，经过一段时间慢慢积累到一定的浓度，氢气浓度才能检测出来。

由于上述问题，通过测量水箱上部的氢气浓度和气体流量表计算内冷水漏氢量的方法存在许多不确定的因素，很难准确测量漏氢量；这种测量方法在机组充氢过程中很难捕捉渗漏情况从而错过最佳检修机会。

3 研究的主要内容

本项目依据气相色谱分析仪检测器的热导测量原理，设计研制了水中痕量溶解氢测量技术，再结合发电机内冷水系统情况，量身定制了发电机内冷水漏氢量的检测技术。

测量原理如下：在相同温度、压力条件下，用痕量级溶解氢同时检测内冷水进、出发电机水样溶解氢含量，结合发电机内冷水流量，准确计算出发电机内冷水漏氢量。

3.1 在线漏氢及漏氢量监测系统设计

图1所示为本项目设计的在线漏氢量监测系统流程图，整个测量系统由发电机励端入口水样、发电机汽端出口水样、内冷水系统、溶解氢监测、水样排放口、DCS组成。

图1 在线漏氢及漏氢量监测系统流程图

图2 发电机在线漏氢及漏氢量监测系统图

图3 发电机在线漏氢及漏氢量监测系统显示图

3.2 在线漏氢及漏氢量监测设备运行调试

仪器安装调试包括以下内容：

（1）通水：通过通水试验可以鉴定一下仪器整体工作的状况，各个部件位置安装的合理性，以及进行部件的合理调整，从而使仪器达到最佳的运行状态；

（2）流速稳定试实验：在流速稳定不变的情况下，进行长时间的运行考核，观察仪器的稳定性，找出最佳的运行值；

（3）仪器的整体标定：仪器的整体标定很重要，通过对仪器的标定，制定一套简便可行的标定程序，并提供给使用者使用，使经校验后的仪器达到统一标准，达到仪器部件的互换使用时，都在误差范围内。

3.3 在线漏氢及漏氢量监测设备系统应用研究

本项目研制的溶解氢在线漏氢及漏氢量监测设备已成功应用于国内某电厂600WM机组发电机内冷水漏氢量的在线监测上，测量数据真实地反映了机组运行期间发电机内冷水的漏氢量状态。

从图4和图5历史曲线分析，这台机组发电机内冷水漏氢含量无论是入口还是出口示值都非常小，趋势平稳，这台机组的漏氢量为0.004m3/d表明这台机组非常严密。

图4 机组发电机内冷水漏氢量运行曲线1

图5 机组发电机内冷水漏氢运行曲线2

4 结语

（1）本项目开发研制的发电机内冷水在线漏氢量监测设备，其漏氢量量分辨率达到0.001m3/d，可以准确测量火力发电厂发电机内冷水中漏氢量；

（2）发电机内冷水在线漏氢量监测设备在国内某600MW机组电厂的应用研究表明，当发电机内冷水有漏氢发生时，可以快速、准确判断发电机内冷水漏氢信息；

（3）发电机内冷水在线漏氢量监测设备有效排除水位变化、保护气体、水中溶解氧等因素干扰；

（4）通过监测发电机内冷水漏氢量变化趋势，可以实时监控发电机运行状况；防止发电机损坏事故发生，保障发电机安全运行。