9HA联合循环发电机漏氢监测优化研究

(中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

巴基斯坦赫维利1 230 MW燃气联合循环电站的设计规模为1套“二拖一”燃气蒸汽联合循环机组，额定出力1 230 MW，包括2套9HA.01型燃气轮发电机组、2套三压、再热、自然循环余热锅炉和1套三压、再热纯凝式蒸汽轮发电机组。2018年5月9日，该电站联合循环机组投入商业运行，成为全球第一套投入商业运行的9HA燃机“二拖一”联合循环电站。同时，该电站全厂净效率达到63.04%，成为目前全球50 Hz领域效率最高的联合循环电站。

发电机是保障联合循环机组可靠、高效运行的重要主机之一。氢气是理想的发电机冷却介质，但同时也是易燃易爆的气体，按理论计算，在密闭容器中，当氢气与空气混合，氢的含量为4%～75%时即形成易爆炸的混合气体[1]，即如果氢气在空气中的体积浓度在此范围内时，遇火源就会爆炸。而氢冷发电机氢气泄漏问题是一直以来困扰国内外发电企业的棘手问题。如果发电机发生大量漏氢，不仅会造成氢气压力下降、冷却效果降低、发电机出力下降、机组效率降低，严重时还会导致氢气爆炸和燃烧等事故。

目前部分电厂采用在水氢氢冷却发电机内冷水箱上部装设氢气泄漏报警仪，对发电机内漏入内冷水系统的氢气进行监督，这种办法需要检测氢气逸出至空气中的体积比，受系统干扰大，误报率较高。文献[2]介绍了利用在线溶解氢仪表测定发电机内冷水中溶解氢的方法，文中介绍该方法在国内外尚未广泛应用，尚缺少相关的标准，需要通过更多的应用、更多的数据积累来检验，而且对于联合循环全氢冷发电机运行中的冷却水管道，采用该方法检测溶解氢也具有一定的难度。

目前对联合循环全氢冷发电机有效的氢气监测方法的研究仍不多，而电力行业规范DL/T 5204－2016《发电厂油气管道设计规程》[3]中7.2.9条明确提出：“发电机工作氢压高于冷却水压时，发电机氢气冷却器的水管道上应设置氢气监测器和报警器。”本文以巴基斯坦赫维利项目为依托，对大型氢冷发电机漏氢的途径和危害、9HA联合循环汽轮发电机漏氢监测系统进行研究，并对闭式循环冷却水系统中氢冷器连接管道进行优化设计，以期寻找一种简单实用的漏氢检测方法实时监测管路系统漏氢状况，指导运行和检修，保障机组安全、高效运行。

1 发电机漏氢的途径和危害

发电机漏氢的途径主要有两种，外漏和内漏[4-5]。

1)外漏指的是发电机组本身存在的氢气透过裂缝或者某些密封不严密处(如供氢管道、法兰、密封设备、发电机端盖等)泄漏进入机组外部环境的现象。由于氢气密度仅为空气密度的7%左右，氢气在空气中扩散速度较快，因此这种泄漏引发安全问题的概率相对较小，但仍存在氢气长期泄漏至主厂房进行积聚而发生氢爆的可能，因此，加强厂房的通风换气频率，使泄漏氢气无法集聚显得尤为重要。另外，外漏氢同时会导致氢冷器换热效率降低，对机组效率产生不利影响。

2)内漏指的是发电机内氢气泄漏至发电机油、水系统中或封闭母线外壳内的现象。如氢气与密封瓦空侧的回流油一同进入主油箱，进而在油箱内混合成为具有爆炸能力的混合气体；当发电机冷却水运行压力低于氢冷器氢压时，一旦换热管破损泄漏，氢气会进入到冷却水中，导致氢冷器冷却效果降低。这些内漏现象不但影响机组运行效率，氢气内漏至其他在运的油、水系统，扩大了危险区域的范围，一旦通过系统中的漏点进一步漏至非防爆电气设备或其它可能产生电火花的设备附近时，将可能引发爆炸等事故。

2 9HA联合循环发电机漏氢监测

2.1 9HA联合循环汽轮发电机主要技术参数

赫维利项目9HA联合循环汽轮发电机采用全氢冷发电机，即发电机转子绕组、定子铁芯、定子绕组均采用氢气冷却，主要技术参数见表1。

表1 9HA联合循环汽轮发电机主要技术参数

2.2 氢气泄漏监测站

氢气供应管线上氢气泄漏监测站系统见图1，用于在氢气管路系统发生大量氢气泄漏时，切断进入气体模块的氢气供应。赫维利项目氢气供应来自制氢站，进入氢气泄漏监测站的氢气参数要求见表2。氢气泄漏监测站工作过程是，一旦通过流量计CF001监测到严重的氢气泄漏时，电磁阀关闭，至氢气模块的供应被切断。电磁阀的旁路在向发电机充注氢气或吹扫时打开。

表2 9HA联合循环汽轮发电机氢气来源参数要求

2.3 发电机本体液体检漏仪

发电机本体液体检漏仪系统见图1，可用来收集并指示发电机内可能存在冷却器漏出或冷凝成的任何液体。一旦储液罐上的液位计指示液位达到设定值，表明发电机氢冷器存在较大的泄漏，对发电机安全运行产生了威胁，将在集控室报警，当泄漏更严重时将触发发电机延迟5 s后故障解列。储液罐底部设置有排放阀，用于排出积聚的液体。

2.4 气体模块

1)氢气纯度监测模块

在气体模块中设置有氢气纯度监测模块，能够将氢气纯度实时传输至集控室进行监控，以保证维持氢气最小纯度要求(96%以上)。

2)氢气控制阀组模块

气体模块控制阀组模块入口设置有压力调节阀，用以保障气体模块出口氢气压力稳定在允许的范围内。模块入口、出口以及压力调节阀上各设置一处安全阀，保障调节阀后氢气工作压力在0.5 MPa左右。

气体模块入口处氢气压力通过一组压力变送器进行监控，一旦超过设定值0.1 MPa则触发集控室报警；气体模块出口处氢气压力也通过一组压力变送器进行实时监测，一旦与设定值的偏差超过±10%时触发集控室报警。

气体模块控制阀组还设置有二氧化碳控制阀组，在用二氧化碳吹扫氢气时发挥作用。

3)氢气干燥模块

发电机内循环的氢气在工作过程中会逐渐吸潮，对绕组的绝缘不利。氢气干燥模块用来吸收氢气中的水分，使其保持干燥。在干燥器内，氢气中的水分被干燥剂吸收，干燥器入口设置有湿度监测装置，用于监测氢气中的水分情况，干燥后的氢气返回发电机。

4)氢气排放系统

氢气排放系统是用于火灾、氢气严重泄漏或密封油系统严重故障时迅速通过排放管道排空氢气的系统。采用快速的氢气排放系统可以提高发电机氢冷器运行的安全性。

该系统通过在氢气供应管路和排放管路之间装设的一路旁路来实现快速排放，旁路上设置有电磁快关阀，用于远程操控。该系统能在5～10 min内将发电机内氢气压力快速降低。

3 闭式水系统漏氢监测优化设计

3.1 闭式水系统漏氢监测优化

闭式冷却水系统中发电机氢冷器相关系统流程见图2，来自闭式水供水母管的冷却水经调节阀组、氢冷器入口蝶阀后进入氢冷器，回水管道从氢冷器回水接口接出，经蝶阀后汇总至闭式水回水母管。

为避免冷却水泄漏至氢气侧，影响发电机安全，发电机厂要求氢冷器内冷却水的工作压力小于氢气侧压力，因此在供水母管上设置调节阀组，控制氢冷器内水压不超过0.5 MPa。虽然这种情况下氢侧压力大于水侧压力，发电机相对安全，但是，却增大了氢气泄漏至冷却水侧的风险，即一旦氢冷器发生泄漏，氢气将逐渐渗透至整个冷却水系统，包括冷却水泵等电机附近也可能存在氢气，危险区域将扩大，威胁到主辅机设备的安全。以往工程中缺少此项安全风险的应对措施，本文在闭式冷却水回水母管上优化设计了漏氢监测装置，用于氢气泄漏状况的实时监测和报警，以便及时停机检修，保障了机组安全。

3.2 闭式水系统漏氢监测布置方案

闭式水系统漏氢监测布置方案轴侧图见图3，闭式水回水管道从发电机一侧两个氢冷器回水管接口接出，经蝶阀后汇流，与发电机另一侧氢冷器回水管来的管道合并后一同至闭式冷却水回水母管。从图3中可看出，漏氢监测装置安装在回水管道局部高点处，且进入装置的流向为自下向上，有利于氢气的收集。

3.3 闭式水系统漏氢监测装置设计

漏氢监测装置设计立面结构图见图4，A向视图见图5。该装置安装于循环冷却水管道立管三通处，三通处连接有立式浮球视镜1，浮球视镜内进出口各设一道钢丝网2，钢丝网内设置有浮球，浮球视镜连接管段上装设有就地磁翻板液位计7，浮球视镜出口用堵头3封堵，上部连接排气阀5。

漏氢监测装置的原理是：当冷却水流动时，若发电机氢冷器发生氢气泄漏至冷却水管道，则氢气将在装置处积聚，而磁翻板液位计设置有低液位—低低液位设定值，当液位达低液位时则在集控室报警，达低低液位时需停机，同时输出4～20 mA远传信号至DCS控制系统。运行人员每天可对该装置进行定期巡检，当发现就地磁翻板液位计读数下降(浮球视镜内的浮球下落)时，应微启排气阀，用手持式氢气探测仪进行二次确认是否氢气已经漏至冷却水系统内，若检测到氢气泄漏，则需立即停机检查并消除氢气泄漏点(发电机氢冷器)，同时开启有关门窗、通风风机，迅速排除泄漏至厂房内的氢气，禁止一切动火工作。

需要注意的是，浮球视镜(立式)建议由专业厂家制造供货，立式安装，要求浮球比重小于水，浮球直径应使浮球正常工况能浮于水面，当水位下降时也不会流出浮球视镜。整个漏氢监测装置的设计压力不低于闭式水系统设计压力(1.0 MPa)。

4 对电厂发电机漏氢监测工作的建议

1)大型氢冷发电机漏氢可能威胁到机组的安全运行，同时对机组运行效率、运行经济性产生较大影响，因此建议电厂对发电机漏氢引起足够的重视，加强有关运行规程、检修规程的编制和规范化执行，保障机组安全。

2)建议在主机招标和技术协议阶段，对发电机厂提出严格的进行氢气泄漏监测的要求，保证发电机本体及配套辅机各泄漏点(外漏和内漏)泄漏监测措施、减小外漏的措施到位，进一步减小漏氢量和漏氢率。

3)建议在电厂辅助系统设计时，充分考虑配置泄漏监测、检测装置，包括固定式监测装置和移动式、手持式氢气探测仪等，以确保机组的安全，如本文所述在闭式水侧设置氢气泄漏监测和探测装置，在闭式膨胀水箱、定子水箱(对“水氢氢”发电机)、主油箱等部位设置泄漏监测和探测装置，加强泄漏监视、漏点查找和检修维护工作。

5 结语

本文对大型氢冷发电机漏氢的途径和危害、9HA联合循环汽轮发电机漏氢监测系统配置和功能进行了研究和介绍。对闭式水系统漏氢监测进行了优化，创新设计了漏氢监测装置，能够有效地监测氢冷发电机氢气泄漏，并在集控室报警，进而停机检查并修复问题，提高了系统的安全性，避免因危险区域的扩大而威胁机组安全，保障机组安全、高效运行。满足《发电厂油气管道设计规程》规范的要求。对国内外配置氢冷型发电机的燃气、燃煤发电机组漏氢监测设计均具有较高的借鉴和参考价值。