(中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

巴基斯坦赫維利1 230 MW燃氣聯(lián)合循環(huán)電站的設(shè)計規(guī)模為1套“二拖一”燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，額定出力1 230 MW，包括2套9HA.01型燃氣輪發(fā)電機組、2套三壓、再熱、自然循環(huán)余熱鍋爐和1套三壓、再熱純凝式蒸汽輪發(fā)電機組。2018年5月9日，該電站聯(lián)合循環(huán)機組投入商業(yè)運行，成為全球第一套投入商業(yè)運行的9HA燃機“二拖一”聯(lián)合循環(huán)電站。同時，該電站全廠凈效率達到63.04%，成為目前全球50 Hz領(lǐng)域效率最高的聯(lián)合循環(huán)電站。

發(fā)電機是保障聯(lián)合循環(huán)機組可靠、高效運行的重要主機之一。氫氣是理想的發(fā)電機冷卻介質(zhì)，但同時也是易燃易爆的氣體，按理論計算，在密閉容器中，當氫氣與空氣混合，氫的含量為4%～75%時即形成易爆炸的混合氣體[1]，即如果氫氣在空氣中的體積濃度在此范圍內(nèi)時，遇火源就會爆炸。而氫冷發(fā)電機氫氣泄漏問題是一直以來困擾國內(nèi)外發(fā)電企業(yè)的棘手問題。如果發(fā)電機發(fā)生大量漏氫，不僅會造成氫氣壓力下降、冷卻效果降低、發(fā)電機出力下降、機組效率降低，嚴重時還會導(dǎo)致氫氣爆炸和燃燒等事故。

目前部分電廠采用在水氫氫冷卻發(fā)電機內(nèi)冷水箱上部裝設(shè)氫氣泄漏報警儀，對發(fā)電機內(nèi)漏入內(nèi)冷水系統(tǒng)的氫氣進行監(jiān)督，這種辦法需要檢測氫氣逸出至空氣中的體積比，受系統(tǒng)干擾大，誤報率較高。文獻[2]介紹了利用在線溶解氫儀表測定發(fā)電機內(nèi)冷水中溶解氫的方法，文中介紹該方法在國內(nèi)外尚未廣泛應(yīng)用，尚缺少相關(guān)的標準，需要通過更多的應(yīng)用、更多的數(shù)據(jù)積累來檢驗，而且對于聯(lián)合循環(huán)全氫冷發(fā)電機運行中的冷卻水管道，采用該方法檢測溶解氫也具有一定的難度。

目前對聯(lián)合循環(huán)全氫冷發(fā)電機有效的氫氣監(jiān)測方法的研究仍不多，而電力行業(yè)規(guī)范DL/T 5204－2016《發(fā)電廠油氣管道設(shè)計規(guī)程》[3]中7.2.9條明確提出：“發(fā)電機工作氫壓高于冷卻水壓時，發(fā)電機氫氣冷卻器的水管道上應(yīng)設(shè)置氫氣監(jiān)測器和報警器?！北疚囊园突固购站S利項目為依托，對大型氫冷發(fā)電機漏氫的途徑和危害、9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機漏氫監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，并對閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中氫冷器連接管道進行優(yōu)化設(shè)計，以期尋找一種簡單實用的漏氫檢測方法實時監(jiān)測管路系統(tǒng)漏氫狀況，指導(dǎo)運行和檢修，保障機組安全、高效運行。

1 發(fā)電機漏氫的途徑和危害

發(fā)電機漏氫的途徑主要有兩種，外漏和內(nèi)漏[4-5]。

1)外漏指的是發(fā)電機組本身存在的氫氣透過裂縫或者某些密封不嚴密處(如供氫管道、法蘭、密封設(shè)備、發(fā)電機端蓋等)泄漏進入機組外部環(huán)境的現(xiàn)象。由于氫氣密度僅為空氣密度的7%左右，氫氣在空氣中擴散速度較快，因此這種泄漏引發(fā)安全問題的概率相對較小，但仍存在氫氣長期泄漏至主廠房進行積聚而發(fā)生氫爆的可能，因此，加強廠房的通風換氣頻率，使泄漏氫氣無法集聚顯得尤為重要。另外，外漏氫同時會導(dǎo)致氫冷器換熱效率降低，對機組效率產(chǎn)生不利影響。

2)內(nèi)漏指的是發(fā)電機內(nèi)氫氣泄漏至發(fā)電機油、水系統(tǒng)中或封閉母線外殼內(nèi)的現(xiàn)象。如氫氣與密封瓦空側(cè)的回流油一同進入主油箱，進而在油箱內(nèi)混合成為具有爆炸能力的混合氣體；當發(fā)電機冷卻水運行壓力低于氫冷器氫壓時，一旦換熱管破損泄漏，氫氣會進入到冷卻水中，導(dǎo)致氫冷器冷卻效果降低。這些內(nèi)漏現(xiàn)象不但影響機組運行效率，氫氣內(nèi)漏至其他在運的油、水系統(tǒng)，擴大了危險區(qū)域的范圍，一旦通過系統(tǒng)中的漏點進一步漏至非防爆電氣設(shè)備或其它可能產(chǎn)生電火花的設(shè)備附近時，將可能引發(fā)爆炸等事故。

2 9HA聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機漏氫監(jiān)測

2.1 9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

赫維利項目9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機采用全氫冷發(fā)電機，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯、定子繞組均采用氫氣冷卻，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

2.2 氫氣泄漏監(jiān)測站

氫氣供應(yīng)管線上氫氣泄漏監(jiān)測站系統(tǒng)見圖1，用于在氫氣管路系統(tǒng)發(fā)生大量氫氣泄漏時，切斷進入氣體模塊的氫氣供應(yīng)。赫維利項目氫氣供應(yīng)來自制氫站，進入氫氣泄漏監(jiān)測站的氫氣參數(shù)要求見表2。氫氣泄漏監(jiān)測站工作過程是，一旦通過流量計CF001監(jiān)測到嚴重的氫氣泄漏時，電磁閥關(guān)閉，至氫氣模塊的供應(yīng)被切斷。電磁閥的旁路在向發(fā)電機充注氫氣或吹掃時打開。

表2 9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機氫氣來源參數(shù)要求

2.3 發(fā)電機本體液體檢漏儀

發(fā)電機本體液體檢漏儀系統(tǒng)見圖1，可用來收集并指示發(fā)電機內(nèi)可能存在冷卻器漏出或冷凝成的任何液體。一旦儲液罐上的液位計指示液位達到設(shè)定值，表明發(fā)電機氫冷器存在較大的泄漏，對發(fā)電機安全運行產(chǎn)生了威脅，將在集控室報警，當泄漏更嚴重時將觸發(fā)發(fā)電機延遲5 s后故障解列。儲液罐底部設(shè)置有排放閥，用于排出積聚的液體。

2.4 氣體模塊

1)氫氣純度監(jiān)測模塊

在氣體模塊中設(shè)置有氫氣純度監(jiān)測模塊，能夠?qū)錃饧兌葘崟r傳輸至集控室進行監(jiān)控，以保證維持氫氣最小純度要求(96%以上)。

2)氫氣控制閥組模塊

氣體模塊控制閥組模塊入口設(shè)置有壓力調(diào)節(jié)閥，用以保障氣體模塊出口氫氣壓力穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)。模塊入口、出口以及壓力調(diào)節(jié)閥上各設(shè)置一處安全閥，保障調(diào)節(jié)閥后氫氣工作壓力在0.5 MPa左右。

氣體模塊入口處氫氣壓力通過一組壓力變送器進行監(jiān)控，一旦超過設(shè)定值0.1 MPa則觸發(fā)集控室報警；氣體模塊出口處氫氣壓力也通過一組壓力變送器進行實時監(jiān)測，一旦與設(shè)定值的偏差超過±10%時觸發(fā)集控室報警。

氣體模塊控制閥組還設(shè)置有二氧化碳控制閥組，在用二氧化碳吹掃氫氣時發(fā)揮作用。

3)氫氣干燥模塊

發(fā)電機內(nèi)循環(huán)的氫氣在工作過程中會逐漸吸潮，對繞組的絕緣不利。氫氣干燥模塊用來吸收氫氣中的水分，使其保持干燥。在干燥器內(nèi)，氫氣中的水分被干燥劑吸收，干燥器入口設(shè)置有濕度監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測氫氣中的水分情況，干燥后的氫氣返回發(fā)電機。

4)氫氣排放系統(tǒng)

氫氣排放系統(tǒng)是用于火災(zāi)、氫氣嚴重泄漏或密封油系統(tǒng)嚴重故障時迅速通過排放管道排空氫氣的系統(tǒng)。采用快速的氫氣排放系統(tǒng)可以提高發(fā)電機氫冷器運行的安全性。

該系統(tǒng)通過在氫氣供應(yīng)管路和排放管路之間裝設(shè)的一路旁路來實現(xiàn)快速排放，旁路上設(shè)置有電磁快關(guān)閥，用于遠程操控。該系統(tǒng)能在5～10 min內(nèi)將發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力快速降低。

3 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計

3.1 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測優(yōu)化

閉式冷卻水系統(tǒng)中發(fā)電機氫冷器相關(guān)系統(tǒng)流程見圖2，來自閉式水供水母管的冷卻水經(jīng)調(diào)節(jié)閥組、氫冷器入口蝶閥后進入氫冷器，回水管道從氫冷器回水接口接出，經(jīng)蝶閥后匯總至閉式水回水母管。

為避免冷卻水泄漏至氫氣側(cè)，影響發(fā)電機安全，發(fā)電機廠要求氫冷器內(nèi)冷卻水的工作壓力小于氫氣側(cè)壓力，因此在供水母管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥組，控制氫冷器內(nèi)水壓不超過0.5 MPa。雖然這種情況下氫側(cè)壓力大于水側(cè)壓力，發(fā)電機相對安全，但是，卻增大了氫氣泄漏至冷卻水側(cè)的風險，即一旦氫冷器發(fā)生泄漏，氫氣將逐漸滲透至整個冷卻水系統(tǒng)，包括冷卻水泵等電機附近也可能存在氫氣，危險區(qū)域?qū)U大，威脅到主輔機設(shè)備的安全。以往工程中缺少此項安全風險的應(yīng)對措施，本文在閉式冷卻水回水母管上優(yōu)化設(shè)計了漏氫監(jiān)測裝置，用于氫氣泄漏狀況的實時監(jiān)測和報警，以便及時停機檢修，保障了機組安全。

3.2 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測布置方案

閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測布置方案軸側(cè)圖見圖3，閉式水回水管道從發(fā)電機一側(cè)兩個氫冷器回水管接口接出，經(jīng)蝶閥后匯流，與發(fā)電機另一側(cè)氫冷器回水管來的管道合并后一同至閉式冷卻水回水母管。從圖3中可看出，漏氫監(jiān)測裝置安裝在回水管道局部高點處，且進入裝置的流向為自下向上，有利于氫氣的收集。

3.3 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測裝置設(shè)計

漏氫監(jiān)測裝置設(shè)計立面結(jié)構(gòu)圖見圖4，A向視圖見圖5。該裝置安裝于循環(huán)冷卻水管道立管三通處，三通處連接有立式浮球視鏡1，浮球視鏡內(nèi)進出口各設(shè)一道鋼絲網(wǎng)2，鋼絲網(wǎng)內(nèi)設(shè)置有浮球，浮球視鏡連接管段上裝設(shè)有就地磁翻板液位計7，浮球視鏡出口用堵頭3封堵，上部連接排氣閥5。

漏氫監(jiān)測裝置的原理是：當冷卻水流動時，若發(fā)電機氫冷器發(fā)生氫氣泄漏至冷卻水管道，則氫氣將在裝置處積聚，而磁翻板液位計設(shè)置有低液位—低低液位設(shè)定值，當液位達低液位時則在集控室報警，達低低液位時需停機，同時輸出4～20 mA遠傳信號至DCS控制系統(tǒng)。運行人員每天可對該裝置進行定期巡檢，當發(fā)現(xiàn)就地磁翻板液位計讀數(shù)下降(浮球視鏡內(nèi)的浮球下落)時，應(yīng)微啟排氣閥，用手持式氫氣探測儀進行二次確認是否氫氣已經(jīng)漏至冷卻水系統(tǒng)內(nèi)，若檢測到氫氣泄漏，則需立即停機檢查并消除氫氣泄漏點(發(fā)電機氫冷器)，同時開啟有關(guān)門窗、通風風機，迅速排除泄漏至廠房內(nèi)的氫氣，禁止一切動火工作。

需要注意的是，浮球視鏡(立式)建議由專業(yè)廠家制造供貨，立式安裝，要求浮球比重小于水，浮球直徑應(yīng)使浮球正常工況能浮于水面，當水位下降時也不會流出浮球視鏡。整個漏氫監(jiān)測裝置的設(shè)計壓力不低于閉式水系統(tǒng)設(shè)計壓力(1.0 MPa)。

4 對電廠發(fā)電機漏氫監(jiān)測工作的建議

1)大型氫冷發(fā)電機漏氫可能威脅到機組的安全運行，同時對機組運行效率、運行經(jīng)濟性產(chǎn)生較大影響，因此建議電廠對發(fā)電機漏氫引起足夠的重視，加強有關(guān)運行規(guī)程、檢修規(guī)程的編制和規(guī)范化執(zhí)行，保障機組安全。

2)建議在主機招標和技術(shù)協(xié)議階段，對發(fā)電機廠提出嚴格的進行氫氣泄漏監(jiān)測的要求，保證發(fā)電機本體及配套輔機各泄漏點(外漏和內(nèi)漏)泄漏監(jiān)測措施、減小外漏的措施到位，進一步減小漏氫量和漏氫率。

3)建議在電廠輔助系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮配置泄漏監(jiān)測、檢測裝置，包括固定式監(jiān)測裝置和移動式、手持式氫氣探測儀等，以確保機組的安全，如本文所述在閉式水側(cè)設(shè)置氫氣泄漏監(jiān)測和探測裝置，在閉式膨脹水箱、定子水箱(對“水氫氫”發(fā)電機)、主油箱等部位設(shè)置泄漏監(jiān)測和探測裝置，加強泄漏監(jiān)視、漏點查找和檢修維護工作。

5 結(jié)語

本文對大型氫冷發(fā)電機漏氫的途徑和危害、9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機漏氫監(jiān)測系統(tǒng)配置和功能進行了研究和介紹。對閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測進行了優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計了漏氫監(jiān)測裝置，能夠有效地監(jiān)測氫冷發(fā)電機氫氣泄漏，并在集控室報警，進而停機檢查并修復(fù)問題，提高了系統(tǒng)的安全性，避免因危險區(qū)域的擴大而威脅機組安全，保障機組安全、高效運行。滿足《發(fā)電廠油氣管道設(shè)計規(guī)程》規(guī)范的要求。對國內(nèi)外配置氫冷型發(fā)電機的燃氣、燃煤發(fā)電機組漏氫監(jiān)測設(shè)計均具有較高的借鑒和參考價值。