燃机电厂氢冷发电机氮气置换应用

余 亮，赵光锋，张慧军，姚美琴

（浙江浙能常山天然气发电有限公司，浙江衢州 324200）

0 引言

目前，国内氢冷发电机采用二氧化碳（CO2）作为气体置换的中间介质，普遍存在：置换氢气（H2）、置换空气耗时长；二氧化碳在氢冷发电机内长时间停留形成铜绿附着绝缘构件；二氧化碳气瓶使用后瓶体外表结冰、结霜、人工搬运安全风险大等问题；二氧化碳气瓶的置换费用相对较高，置换操作劳动强度大。

某燃机电厂1号发电机为QFR-480-2-21.5 型三相交流隐极式同步发电机，发电机容量125 m3，采用全氢冷的冷却方式；发电机密封油系统采用单流环式，氢侧密封油回流至排氢调节油箱，空侧密封油与发电机轴承润滑油回油汇流至循环密封油箱。近年来随着燃气发电机组发电小时数的下降，该电厂为满足设备长期停运保养的要求，加装了一套600 m3/h 碳分子筛制氮设备，为氢冷发电机置换介质实施氮气（N2）替代创造了有利条件。

1 问题分析

（1）采用二氧化碳瓶进行气体置换时，流量低、连续性差、耗时长、效率低，一方面会占用机组检修时间，另一方面也延长了机组检修恢复时间。二氧化碳在气瓶内为液态形式，气瓶阀组打开后会急剧蒸发吸收大量热量，此时液态二氧化碳的温度和压力迅速降低，气瓶会出现结冻、结霜现象。氢气置换时，二氧化碳气体从气瓶中迅速连续排出，会造成汇流排减压阀组冰绪的情况，导致置换时二氧化碳流量急剧下降，所以采用气瓶无法实现大流量的置换操作。同时，二氧化碳气瓶使用完后需要人工更换，置换过程的连续性受到较大影响。

（2）二氧化碳长时间在机内停留形成铜绿，产生脏污。因为发电机中的微量水和二氧化碳产生碳酸，铜在干燥的空气中很稳定，但在潮湿的空气中表面容易被腐蚀，生成一层绿色的物质（俗称“铜绿”，主要成分是碱式碳酸铜），会使发电机内部脏污。用二氧化碳置换氢气至空气状态时间长达15 h，增加了发电机内部产生“铜绿”的风险。

（3）采用二氧化碳进行气体置换时，劳动强度大，操作频繁且风险高。每次发电机氢气置换前，需要准备足够数量的二氧化碳，由于电厂内不具备生产高纯度二氧化碳的能力，只能采购罐装二氧化碳气瓶（一般情况下二氧化碳置换氢气需要约75 瓶、二氧化碳置换空气需约45 瓶）放置在定置区域。发电机氢气置换时再由操作人员搬运至二氧化碳汇流排，接入二氧化碳置换系统供使用，搬运操作频繁、劳动强度大且二氧化碳气瓶使用后瓶体外表会结冰、结霜，疲劳状态下人工搬运安全风险很大。

2 改进措施

2.1 启用碳分子筛制氮设备

根据《汽轮发电机运行导则》规定：“用氮气作为中间介质时，氮气纯度按容积计不得低于97.5%，水分的含量按质量计不得大于0.1%，并不得含带有腐蚀性的杂质”。电厂为锅炉、汽机发电设备保养配置的一套600 m3/h 碳分子筛制氮设备，制氮纯度≥99.99%、露点≤-60 ℃，制氮设备出口设有粉尘精滤器，制氮设备的氮气品质完全满足发电机气体置换要求。该制氮设备配有两个吸附塔，两个吸附塔交替循环运行，能够连续不断地制出大流量氮气，解决二氧化碳气瓶置换时流量低、连续性差的问题。

2.2 发电机二氧化碳管道接入氮气改造

全厂制氮设备改造时，各主要保养设备区域配套布置了不锈钢氮气管道，只需从距发电机二氧化碳管道最近的充氮母管上增设DN50 不锈钢氮气支路并加装一次隔离阀（J41H-16P DN50 不锈钢截止阀），并在该截止阀后加装不锈钢闷板，发电机氢气运行时封上闷板，确保发电机氢气系统与全厂氮气系统可靠隔绝。

二氧化碳加热器后，DN40 管道经变径与DN50 不锈钢氮气支路通过法兰式阀门对接（图1）。氮气管道改造完后需对氮气支路进行吹扫，吹扫完成后加装法兰连接的阀门（J41H-16P DN50 不锈钢截止阀），防止置换时管道杂质进入发电机内。

图1 氮气支路与发电机二氧化碳管对接

2.3 氮气置换过程控制及置换终点判断

发电机置换氢气前首先启动制氮设备，当氮气纯度达99.99%后制氮设备供气阀自动打开，向氮气系统供应纯度合格的氮气，此时应对进入发电机前氮气管路进行吹扫、排污，当排污口测得氮气露点小于-5 ℃时，允许氮气进入发电机进行氢气置换。

在发电机油氢压差阀自动调节良好，油氢压差值不超过0.085 MPa 前提下，尽量提高氮气流量，采用将机内气压充高后低放的置换形式，达到减少充放次数，节约置换时间的目的。

氮气置换时要保持氢气循环风机运行。置换过程中加强对氢气干燥器、氢气循环风机、发电机绝缘监测装置、汽端漏液探测器、励端漏液探测器处排空及氢气浓度监测。氢气干燥器A、B 塔切换需要切换运行，保证干燥器氢气置换彻底。

（1）氮气置换氢气终点判定。采用氢气纯度仪和氢气检漏仪同时进行确认，当纯度仪测量氢气纯度低于2%（体积比）同时检漏仪低于25%LEL 时，作为判定氮气置换氢气合格的标准。

（2）空气置换氮气终点判定。采用氧气浓度仪进行测量，当氧气浓度仪氧气浓度高于20%，作为判定空气置换氮气合格的标准。

3 效果分析

（1）采用氮气进行置换时，各阶段置换结束检测数据如表1。

表1 发电机各阶段置换结束数据检测

（2）通过氮气支路接入发电机二氧化碳置换管道改造，置换时氮气流量大，大大提升了置换的连续性。

（3）采用氮气置换时，发电机油氢压差阀自动调节品质良好，发电机内气体压力峰谷值上升或下降明显（气体压力可在20～60 kPa 进行快速充放操作，期间油氢压差均未超过0.085 MPa），单位时间内充放次数明显多于二氧化碳置换，大大提高了气体的置换效果，可缩短发电机氢气置换时间8 h（表2）。

表2 改进前后发电机气体置换耗时对比

（4）减少发电机检修成本。二氧化碳置换氢气费用主要为二氧化碳气瓶费用。在第一阶段，气瓶用量75 瓶，气瓶单价60 元，则费用4500 元；而氮气置换费用主要为空压机、冷干机、制氮机耗电费（制氮机功率100 W，可忽略不计），用电707 kW·h，电费按0.495 2 元/（kW·h）计，则费用为350 元。所以，改进后可以节省4150 元。在第二阶段，气瓶用量45 瓶，则费用2700 元；而氮气置换时用电404 kW·h，则费用为200 元。所以，改进后可以节省2500 元。因此，采用氮气置换方式，每次置换全过程可节约置换费用约6650 元。

（5）通过氮气支路接入发电机二氧化碳置换管道硬化，取消二氧化碳汇流排金属软管连接，消除软管接头漏气的安全隐患，保护操作人员的人身安全，同时大大降低了置换时人员搬运、更换二氧化碳气瓶的工作强度，提高劳动效率。

（6）通过氮气置换可降低二氧化碳在发电机内长时间停留形成铜绿的风险。

4 结束语

根据《汽轮发电机运行导则》规定的气体置换基本原则，利用厂内现有的制氮设备及管道，对发电机二氮化碳管道实施氮气支路改造，为发电机置换提供满足置换要求的合格氮气，完成氢冷发电机气体置换介质氮气替代工作。以下结论及建议仅供参考：

（1）作为发电机置换中间介质，氮气满足《汽轮发电机运行导则》中的气体置换要求。在电厂配有制氮设备的情况下，发电机氮气管道接入改造容易操作、置换简单，操作安全性高，劳动强度低，置换过程连续，置换时间少、成本低。

（2）在发电机油氢压差阀自动调节品质良好的情况下，适当提高发电机内气体快速充放压力峰谷值，可以提高气体置换效果，进一步减少氮气置换时间。