330 MW氢冷发电机氢气置换耗时计算

朱卫兵，卢晨堂，高慧芳，赵丽娟

（1.华能济宁运河发电有限公司，山东 济宁 272100；2.华能沾化热电有限公司，山东 沾化 256800）

0 引言

华能济宁运河发电有限公司5号、6号2×330 MW机组发电机为上海电机厂制造，型号为QFSN－330－2，冷却方式为水－氢－氢。H2作为发电机的冷却介质，一旦与少量的氧气或空气混合，就有爆炸的危险。氢冷发电机在启动前、停机后要进行两项重要操作—对发电机充、排H2，为了安全起见，通常用中间气体（CO2）进行置换。该电厂两台机组自投产以来，每次H2置换（充、排）操作所需时间都长短不一，且差别很大。为了进一步规范电厂氢冷发电机H2置换操作，使各步操作符合相关技术管理的要求，减少安全隐患，对充、排H2过程所需时间进行计算。

1 发电机氢气置换系统构成

运河电厂330 MW发电机组的体外氢气系统如图1所示，在制氢站内设有4个氢罐，每个氢罐容积为13.9 m3，采取单个氢罐在线运行的方式向外提供H2；从制氢站到汽机房0 m层调节阀前的管路（下称气源管路）材质为不锈钢，D22 mm×3 mm（内直径16 mm，截面积 2×10－4m2），设计工作压力 0.6 MPa；汽机房0 m层补氢调节阀后到汽机6 m层U型接头之间的管路（下称中段充氢细管）材质和规格与气源管相同；发电机下部的管路 （下称发电机下部充氢粗管）材质为不锈钢，D48 mm×3.5 mm （内直径41 mm，截面积1.319×10－3m2）；发电机下部排气粗管材质和规格与发电机下部充氢粗管相同，发电机腔室容积为68.8 m3。

2 相关计算

2.1 H2计算

在工程估算中，H2可视为理想气体［1］。 对于1kmol H2，由 pV＝nRT，得

式中：p 为气压（绝对压力），Pa；V 为体积，m3；T 为温度，K。

在标准状态（0 ℃，101.325 kPa）下，1 kmol的 H2体积 22.4 m3，质量 2 kg，密度 0.089 3 kg／m3。

2.2 氢罐计量方法

制氢站中的氢罐对外提供H2，单只氢罐容积Vc＝13.9 m3，设提供H2过程中温度T不变，供氢之前氢罐中H2量为n1kmol，气压为p1；供氢之后氢罐中H2量为n2kmol，气压为p2。状态方程

由此得氢罐供H2量为

图1 330 MW发电机组体外氢气系统

将供H2量换算为标准状态 （0℃，101.325 kPa）下的体积

式中：Δp＝p1－p2，为氢罐供 H2前后的压降，MPa；T 为环境温度，K。

在一个标准大气压（101.325 kPa）、环境温度T下，气体体积

3 发电机充H2及H2升压过程

新机组或大修后的机组，机壳内是空气，要充H2必须排净空气。用CO2置换时，应先将CO2从发电机底部通入，将空气从上部排出。由排出口取样化验CO2纯度达85%以上，压力大于50 kPa时，停止充CO2，关闭排气门，开始充入H2，打开发电机底部排污门，将CO2排出，待H2纯度达96%时，即为合格，关闭底部排污门，继续充H2升压至规定值，充H2工作结束。

3.1 发电机充CO2置换空气过程

发电机腔室68.8 m3，充CO2过程按照设计要求1.5倍的用气量可达到CO2纯度95%。发电机充CO2暂定发电机内在35 kPa、10℃的定压等温情况下进行，按此计算，需要 CO2量 103.2 m3，由 CO2气体特性可知，在CO2加热器投运良好的情况下，充CO2时间受季节影响很大，主要取决于瓶的更换和连接管结冰情况。一般，充CO2置换空气可控制在5～6 h，再考虑到排死角、稳定30 min测量纯度等需1.5 h，则充CO2置换空气合格需要7.5 h。

3.2 发电机充H2置换CO2过程

自制氢站至主厂房的氢气管道的汽压维持0.6MPa（设计值），由制氢站人员负责减压阀后的压力调整。单只氢罐压力下降速度控制由制氢站人员观察，联系集控人员调整汽机0 m处的调节阀，用该调节阀控制充H2速度。此调节阀处流动速度最大，只要控制阀后中段充氢细管内在氢压0.1～3.0 MPa时，流速不超过 25 m／s［2］，其他各管段内的 H2流速就不会超限，以下以此处的流速为计算依据。

充H2过程按照设计要求2.5倍的用气量可达到H2纯度95%。发电机充H2暂定发电机内在35 kPa、20℃（密度0.110 8 kg／m3）的定压等温情况下进行，按此计算，需要H2体积172 m3，质量为19.057 6 kg。换算到1个大气压、20℃状态下，体积229.057 m3。

表1 H2置换CO2的过程中段充氢细管在不同流速下的计算

由表1可知，若以“中段充氢细管”的流速不超过25 m／s来控制，H2置换CO2的过程约需要9.5 h，再考虑到排死角和稳定30 min测量纯度需要1.5 h，则H2置换CO2合格耗时约11 h，单只氢罐压力下降速度应控制在3 kPa／min。

3.3 发电机内H2升压过程

发电机内H2置换结束后的状态为：35 kPa（表压力）、20℃，H2质量为 7.623 kg。 H2升压后要达到310 kPa（表压力）、20 ℃，质量为 19.539 kg。 因此，升压过程需要增加的H2质量为11.916 kg。 换算到310 kPa（表压力）、20℃状态下，H2体积为 36.285 m3；换算到 35 kPa（表压力）、20℃状态下，H2体积为107.54 m3。

由表2可知，若以“中段充氢细管”的流速不超过25 m／s来控制，随着升压过程进展，逐渐提高单氢罐压力下降速度，升压过程可按4 h控制。 具体为：起初，由于发电机内压力35 kPa较低，单氢罐压力下降速度按2.91 kPa／min，然后逐渐提高；在升压接近结束时（即执行4 h），单氢罐压力下降速度达到8.63 kPa／min。

综上所述，由空气置换为H2并升至额定压力所耗时约为22.5 h。

4 发电机排H2过程

停机检修前或事故紧急停机后，须进行排H2。排H2与充H2升压过程相反，打开发电机排氢门，待发电机氢压降至35 kPa，再接入CO2，将CO2从底部通入将H2置换排出，经化验CO2纯度大于95%时，停止充气关闭进空气门，排H2结束。

4.1 发电机排H2泄压过程

发电机排H2泄压是发电机腔室内自310 kPa、20℃，H2量为19.539 kg降到 35 kPa、20℃，氢气量为7.623 kg的状态。需要排放的H2量为11.916 kg。换算到 310 kPa、20℃状态下，H2体积为 36.285 m3；35 kPa、20 ℃状态下，H2体积为 107.54 m3；1 个大气压、20℃状态下，H2体积为 143.22 m3。

由表3可知，若按排H2管节流门后大气状态的等流速20 m／s控制，发电机自工作压力降到35 kPa，需要1.5 h，发电机内降压速度3 kPa／min控制。

表2 升氢压过程中段充氢细管在不同流速下的计算

表3 发电机下部排气粗管在一定流速下的计算

4.2 发电机用CO2置换H2过程

排气管道管径较粗，因此该段时间主要取决于充CO2的操作。在CO2加热器投运良好的情况下，充CO2时间主要取决于瓶的更换和连接管结冰情况，与季节有关。

一般，充CO2置换H2可控制在5～6 h，再考虑到排死角、稳定30 min测量纯度等需1.5 h，则用CO2置换H2合格需要7.5 h。

综上所述，发电机内由额定氢压置换为CO2的所用时间约为9 h。

5 结语

分析了氢冷发电机各充氢管段的构造，详细计算了各管段的气体流速。 通过分析计算，得出了在正常情况下氢气置换过程所需时长，此算法已经在电厂实际生产中得到应用，效果良好，有效地指导了电厂运行人员的过程操作。

［1］沈维道，童钧耕.工程热力学（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］GB50177—2005 氢气站设计规范［S］.

［3］火力发电职业技能培训教材编委会.电气设备运行［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［4］林建忠，阮晓东.流体力学［M］.北京：清华大学出版社，2005.