三门核电发电机内氢气状态控制探讨

朱程

摘要：发电机内氢气的纯度、压力和湿度是电厂运行时需要严格控制的重要参数，需要通过相关的系统和设备对氢气状态进行控制。文章描述了三门核电发电机内氢气纯度、压力和湿度的控制措施及其特点。

关键词：三门核电；发电机；氢气状态控制；纯度；压力；湿度 文献标识码：A

中图分类号：TK321 文章编号：1009-2374（2016）13-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.039

1 概述

正常运行时，发电机由于内部各部件之间的能量转换、电磁作用和机械转动摩擦会产生大量热量，必须采取适当的冷却方式将这些热量导出，而采取何种冷却方式及其冷却效果将关系到发电机的效率、经济性和寿命。

氢气具有导热系数高，比热容大，密度小，通风、风摩损耗小等优点，因此被普遍作为发电机内部循环的冷却介质。三门核电发电机采用整体全封闭、内部氢气循环、定子绕组水内冷、定子铁心及端部结构件氢气表面冷却、转子绕组气隙氢气内冷的冷却方式，即采用水-氢-氢的冷却方式。

发电机氢冷也有一定的缺点。氢气是易燃易爆气体，与空气混合容易发生爆炸，需设置CO2置换设备避免氢气与空气的直接接触。同时为维持发电机内氢气的高纯度，需设置氢气密封油系统。总体来讲，氢冷的缺点相对于增加电机出力，提高电机效率，降低电机温升来讲，利大于弊。所以为保证机组安全经济运行，需要很好地控制氢气状态。三门核电发电机氢气系统由三菱电机设计，正常运行时要求氢气纯度维持在98%以上，露点维持在+5℃以下，压力维持在0.53～0.585MPa之间，以保证对发电机的良好冷却。下文主要介绍正常运行时，三门核电发电机氢气纯度、压力和湿度的控制措施。

2 氢气湿度

氢气湿度过高会使定子绕组的绝缘性能下降造成定子绕组相间短路，并且会使转子护环发生应力腐蚀，影响其机械强度。

三门核电设置氢气干燥器来控制发电机内氢气湿度在+5℃以下。此干燥器为全自动能够循环连续运行的双塔干燥器，通过发电机的风扇驱动使氢气通过干燥器去除氢气中的水分和湿气，从而保持发电机的干燥。另一个塔实现再生和除湿功能。

氢气干燥器对氢气进行干燥处理的原理是利用活性氧化铝对水分子具有吸收力特点。高疏松度的活性氧化铝具有非常大的表面积和强吸湿能力，当其吸收水分达到饱和后，通过干燥器内部的电加热器加热来清除干燥剂自身束缚的水分，加热蒸汽在爱帕尔贴元件进行冷凝除湿，其冷源为通过冷却风机吹入的外界空气，冷却后的气体经热交换器对加热蒸汽进行初步降温同时作为循环气体返回干燥器，循环的动力来自再生风机，该风机为磁轭结构可以防止氢气的泄漏。随着气体的不断循环，干燥器的水分被不断带走最终达到再生的目的。

氢气干燥器由可编程逻辑控制器控制。干燥塔转换到备用塔是预设的定时器或在线干燥器出口处露点温度高（大于-5℃）控制的。干燥器同时还装有一个循环鼓风机，即使在发电机停止或低速运转时，氢气也能循环干燥。

3 氢气纯度和压力

氢气纯度降低意味着混入空气或水汽等其他气体，使得发电机内循环气体密度上升，增加通风和风摩损耗，同时比热容和导热系数也都会下降使冷却效果降低。而氢气的体积比热与绝对压力成正比，压力不足会使氢气的散热性能下降，所以控制好发电机氢气纯度和压力，对电厂运行具有重要意义。

3.1 氢气密封油系统

氢冷发电机的转轴必须穿出发电机端盖，在转轴穿出端盖的部位是氢冷发电机密封的关键。三门核电设置氢气密封油系统为安装于发电机两侧的轴封密封环提供压力油，维持氢气高纯度，防止发电机内氢气泄露以及外部空气从此处进入。氢气密封油系统采用双流环型分为空侧密封油子系统和氢侧密封油子系统。轴封密封环有两个环形槽，形成两个单独的油回路。空侧密封油进入外槽向发电机支座的外侧流动，以防止外部空气进入发电机内；氢侧密封油进入内槽向发电机支座的内侧流动，以防止发电机内氢气向外泄露。

为最大程度保持发电机内的氢气纯度和压力，三门核电的氢气密封油系统与一般双流环系统相比具有以下特点：

3.1.1 真空处理单元。目前大部分电厂是控制密封环处的氢侧和空侧密封油压相等，但在实际运行中很难做到绝对平衡而导致两个油路之间相互串油，进而导致氢气纯度恶化、补氢量大。三门核电的设计是控制密封环处氢侧油压稍高于空侧（2～5kPa左右），即人为控制密封油的串油方向为氢侧向空侧。这样氢侧密封油会不断减少，而空侧密封油不断增加，需要空侧向氢侧补油以维持氢侧密封油量。这样就造成空侧回路中的空气和水汽进入氢侧回路，降低发电机内氢气纯度和压力，为此三门核电设置有真空处理单元，空侧回路向氢侧回路的补油先经过真空处理单元，将空侧密封油中的空气和水汽通过真空箱和真空泵去除后再通过一个供油泵向氢侧回油调节箱供油，避免空气和水汽通过氢侧密封油进入发电机，能极大程度地提高发电机内的氢气纯度，在系统正常运行时，氢气纯度能维持在98%以上，远高于设定的90%的报警值。即使真空处理单元故障，氢气密封油系统就和一般双流环系统一样，同样能保持发电机内足够的氢气纯度和压力，而且氢侧密封油压力高于空侧密封油压力，空气不易从空侧到氢侧再到发电机内，即使空侧回路给氢油回路的补油没有经过真空处理单元处理，发电机内氢气纯度也可以保持在95%～97%，可以维持机组长期正常运行。

3.1.2 多种备用氢气压力控制方式。空侧密封油回路油压正常是保障发电机内氢气系统正常运行的最低要求，为保持空侧回路的油压采取了一系列备用措施。在系统正常运行时，一台交流油泵為空侧回路提供压力，通过交流油泵出口的主压差阀维持空侧密封油压力比发电机内氢气压力高85kPa。当空侧交流油泵故障使油氢压差低至60kPa时，备用压差阀自动打开，从润滑油主油泵或润滑油高压油泵引入油源，使油氢压差保持在60kPa以上；当备用油源再出问题使油氢压差低至35kPa时，一台容量与空侧交流油泵同样大小的备用直流油泵自动启动，使油氢压差能重新维持在85kPa。通过这一系列的措施，使得氢气密封油系统能为发电机内氢气纯度和压力的控制提供完善的保障。

3.1.3 轴封浮动油。由于氢侧回路压力略高于空侧回路，发电机内氢气会对密封油产生外推的作用力，需要在密封环外侧和密封环支架之间通入浮动油，抵消氢气向外的推力，并形成油膜润滑轴封，保证了密封环在较高的压力下能自由浮动，防止因密封环卡涩而引起发电机转轴过大的振动。三门核电氢气密封油系统与一般双流环系统的不同的是为浮动油路单独设置了一台浮动油泵，为浮动油路提供压力，更好地保护密封环不会发生卡涩以及氢气密封油系统的正常运行。密封环结构及其油路如图1所示。

3.2 发电机定子冷却水系统

发电机定子冷却水系统为定子线圈的空心导线提供经过冷却、过滤、除盐的冷却水，带走定子线圈电阻损耗产生的热量。定子冷却水回路压力低于发电机内氢气压力，定子冷却水箱采用氢气加压，泄漏到定子冷却水中的氢气在水箱中释放并在顶部积聚，水箱顶部的自动排氢阀根据压力设定值自动开启（50kPa）和关闭（30kPa）。氢气加压不仅可以抑制氧气在定子冷却水中的溶解，而且自动排氢阀的动作频率也是监视氢气是否向定子冷却水泄漏的最有效手段。

3.3 发电机气密性试验

除了从密封环处的泄漏，氢气还有可能从发电机氢气系统和发电机本体的法兰、阀门等设备的连接处泄漏，因此需要对发电机整体进行气密性试验，根据设计要求需要在调试阶段分别使用空气和氢气对发电机整体以及氢气系统进行两次气密性试验，允许泄漏率分别为1Nm3/天和4Nm3/天，在调试阶段就通过试验消除发电机氢气系统和发电机本体存在的泄漏点，确保整个发电机氢气系统和发电机本体的严密性。正常运行时允许的氢气消耗率为14Nm3/天（Nm3代表标准立方米，是指在0℃、1个标准大气压下的气体体积）。

3.4 自动补氢

在氢气二氧化碳系统的供氢单元上设置有并列的两个自动补氢阀，当发电机内氢气压力发生下降，这两个阀门可以自动为发电机补充氢气，以维持发电机内额定压力。

4 结语

通过以上分析可以看出，三门核电采取了一系列独特的措施，实现发电机内氢气纯度、压力和湿度的要求，保证电厂安全稳定地运行。

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（责任编辑：王 波）