氢气品质对氢冷发电机运行的影响

      【摘 要】氢气具有导热性高、流动性强、密度小、不助燃等优点，是目前大型汽轮发电机主要采用的冷却介质。但同时氢气又是一种可燃气体，因此，控制好运行机组的氢气品质是确保氢冷发电机安全经济运行的重要前提。本文主要阐述了氢冷发电机氢气纯度、湿度、压力、温度对发电机安全、经济运行的影响及注意事项，重点论述了氢气纯度对发电机效率的影响，指出了提高氢气纯度在节能排方面的重要意义。
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      【关键词】氢气纯度；湿度；压力；温度；效率
      1 氢冷发电机对氢气品质的基本要求
      1.1 氢气纯度直接影响发电机的安全和效率
      氢气与空气混合占4%～74%为爆炸范围，起爆能量非常小，因此任何情况下应严密监测氢气纯度，避开爆炸范围。正常运行时氢气纯度应保证在95%以上，补氢用的新鲜氢气纯度为99%以上。
      1.2 氢气湿度影响发电机绕组和金属结构的寿命
      氢气湿度一般用露点来表示，正常运行时发电机内氢气露点应维持在-25～-5℃之间，补氢用的新鲜氢气在常压下的允许露点≤-25℃。
      1.3 氢气压力影响发电机安全和输出功率
      氢气压力大小直接影响氢气的冷却效率，同时压力的变化也可以反应机组是否存在漏氢现象。600MW机组正常运行时的额定氢压应保持在0.4±0.02MPa，且必须略高于定子内冷水压力。
      1.4 冷氢温度影响冷却效果及发电机绝缘安全
      发电机冷氢温度正常维持在额定值45±1℃，一般不得超过48℃。且应略低于定冷水温度。
      2 氢气纯度对发电机效率的影响
      氢气纯度下降则气体密度增加，可引起通风损耗增加，即发电机的效率下降，当氢气纯度从额定值下降一个很小的百分数时，对发电机的安全性应不存在任何不利影响，但对经济性的影响则是不可忽视的，最终使得电厂的经济效益受到一定影响。
      2.1 国外就氢气纯度对发电机影响的量化分析研究实例
      图1 氢气纯度与发电机风摩损耗关系曲线
      说明：
      1）两条曲线分别是400MW和800MW发电机。
      2）横坐标从左向右延伸表示纯度从100%下降到91%，每格1%。
      3）左纵坐标表示经济损失，单位是美元/每天。
      4）右纵坐标表示发电机风摩损耗，单位是kW。
      5）在氢气纯度低于99%左右时，风摩损耗就开始随纯度降低而呈反比线性增加。
      6）发电机容量越大，风摩损耗随氢气纯度下降而增大的变化斜率越大，即氢气纯度对容量较大的发电机影响更大。
      7）图示曲线可以查出纯度下降1%对应的风摩损耗。
      2.2 经济效益计算
      以800MW汽轮发电机为例：纯度在99%以下时，每下降1%，增加风摩损耗366kW；换句话说，氢气纯度从95%每向上增加1%，相应就增加发电机输出功率366kW；如果发电机氢气纯度从95%升到98%，上升3%，在燃料消耗没有任何变化的情况下，发电机组增加了超过1MW的输出功率。按每kWh电价0.04美元计算，纯度上升3%，按年运行8000h考虑，则每年可节约资金32万美元，电厂如果有4台机组，则一年因氢气纯度的节能潜力为128万美元，经济效益相当可观。
      照图估算到国内600MW发电机的情况：从图中曲线可以得出800MW和400MW发电机的风摩损耗与纯度的关系：
      ？ 800MW发电机，纯度下降1%，损耗增加366kW
      ？ 400MW发电机，纯度下降1%，损耗增加107kW
      只要算出曲线的斜率就可以求出所求数值。用曲线插值法很容易得出600MW发电机风摩损耗与纯度的关系：
      ？ 600MW发电机纯度下降1%，损耗增加240kW
      按照国外文献的算法，纯度从额定的98%下降到95%，下降3%，燃料消耗不变但发电机损耗增加了720kW，按0.4元/kWh上网电价计算，一台机组年运行6000h，氢气纯度上的节能潜力约为170万元。
      电厂通常有多台600MW发电机，如果氢气纯度都常年在95%～96%运行，与损耗开始增加的99%纯度比较，差了3%～4%，安全方面绝对没有任何问题，但在燃料消耗一样的情况下，损失电功率至少几千千瓦，而且完全是在不知不觉之中失去的，表现在煤耗略有增加，很容易被人们忽略。目前我国在运行的600MW发电机组约有300多台，能够长期保持氢气纯度在额定值以上的是少数。按平均每台机每年损失170万元计算，全国每年为此损失约5亿元，而且是不知不觉的损失。
      3 氢气湿度超标对发电机的危害
      3.1 氢气湿度超标造成发电机定子线圈端部短路事故
      氢气湿度越高，氢气中水分越高，气体的介电强度越低，定子绕组受潮，降低绝缘电阻，从而降低了绝缘表面放电电压，容易发生闪络和绝缘击穿，造成短路事故。
      3.2 氢气湿度超标造成发电机转子护环产生应力腐蚀
      氢气湿度高，将对其接触的金属产生应力腐蚀，而应力腐蚀与金属氢脆相互起到催化作用。据有关资料介绍，对非18Cr18Mn材料的护环，氢气相对湿度在50%以上时，对其应力腐蚀将急剧加速，即使是采用18Cr18Mn材料的护环，氢气相对湿度在80%以上时，同样会使发电机转子护环产生应力腐蚀。由于应力腐蚀使护环产生裂纹；同时绝缘瓦松动，引起绝缘瓦同护环端部转子线圈摩擦，引起转子线圈接地或短路。
      3.3 氢气湿度超标影响发电机的运行效率
      由于氢气中湿度大，水分高，使气体密度增大，增加了发电机通风损耗，降低了发电机的运行效率。
      3.4 氢气湿度过低
      氢气湿度过低，氢气过于干燥，久而久之，发电机内绝缘材料将会产生龟裂现象，定子端部垫块的收缩和支撑环也会产生裂纹，因此，当氢气湿度过低时，应及时停止氢气干燥器运行。
      4 氢气压力的影响
      氢压越高，氢气密度越大，其导热能力越高。因此，在保证发电机各部分温升不变的条件下，能够散发出更多的热量；这样，发电机的效率就可以相应提高。
      氢气压力低，说明发电机内部氢气量不足，不能对发电机的定子铁芯和转子起到充分的冷却作用，容易导致发电机定子和转子绕组温度过高而不能正常接待负荷；会导致转子铁芯过热，发生热弯曲，造成机组振动过大；氢气压力过低，还会使得密封油系统的压差阀和平衡阀不能正常工作，氢气容易泄漏，造成火灾；还会使得密封油回油不畅通，导致密封油箱满油，造成发电机内部进油。
      任何情况下发电机不允许低氢压运行，即使空载、轻载也不行，尤其是带较大无功时，因为氢气主要是冷却定子铁心和转子，而只要建立了电压，铁心的不变损耗就存在了。转子励磁绕组发热全靠氢气冷却，而目前转子没有实时测温手段，低氢压很容易使转子绕组和铁芯过热。
      对于水内冷发电机，应特别注意维持发电机定子水压力低于氢压一定值，因为若发电机定子水压力高于氢气压力，则在发电机内定子水系统有泄漏时，水会漏入发电机内，造成发电机定子接地，给发电机安全运行带来威胁。
      氢气压力下降一般是因为泄漏造成，漏氢遇火则会发生氢爆或火灾。因此，一旦发现氢压降低，应立即查明原因及时处理。
      5 氢气温度的影响
      发电机入口风温过高，将使发电机出口风温随之升高。因为发电机出口风温等于入口风温加温升，当温升不变且等于规定的温升时，入口风温超过上限，则发电机出口风温将超过规定，使定子线圈温度、铁芯温度相应升高，绝缘发生脆化，丧失机械强度，发电机寿命缩短。
      发电机入口风温应低于定冷水温度，如果发电机定子绕组的冷却水温度比绕组外面氢气温度低，定子绕组外表面就会结露，即定子绕组绝缘表面变得很潮，降低绝缘能力，造成定子绕组绝缘被破坏，从而造成定子绕组局部放电，威胁发电机的安全。
      【参考文献】
      [1]DLT 651-1998 氢冷发电机氢气湿度的技术要求[S].
      [2]汽轮发电机运行规程[S].
      [责任编辑：丁艳]