三門核電發電機內氫氣狀態控制探討

朱程

摘要：發電機內氫氣的純度、壓力和濕度是電廠運行時需要嚴格控制的重要參數，需要通過相關的系統和設備對氫氣狀態進行控制。文章描述了三門核電發電機內氫氣純度、壓力和濕度的控制措施及其特點。

關鍵詞：三門核電；發電機；氫氣狀態控制；純度；壓力；濕度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK321 文章編號：1009-2374（2016）13-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.039

1 概述

正常運行時，發電機由于內部各部件之間的能量轉換、電磁作用和機械轉動摩擦會產生大量熱量，必須采取適當的冷卻方式將這些熱量導出，而采取何種冷卻方式及其冷卻效果將關系到發電機的效率、經濟性和壽命。

氫氣具有導熱系數高，比熱容大，密度小，通風、風摩損耗小等優點，因此被普遍作為發電機內部循環的冷卻介質。三門核電發電機采用整體全封閉、內部氫氣循環、定子繞組水內冷、定子鐵心及端部結構件氫氣表面冷卻、轉子繞組氣隙氫氣內冷的冷卻方式，即采用水-氫-氫的冷卻方式。

發電機氫冷也有一定的缺點。氫氣是易燃易爆氣體，與空氣混合容易發生爆炸，需設置CO2置換設備避免氫氣與空氣的直接接觸。同時為維持發電機內氫氣的高純度，需設置氫氣密封油系統。總體來講，氫冷的缺點相對于增加電機出力，提高電機效率，降低電機溫升來講，利大于弊。所以為保證機組安全經濟運行，需要很好地控制氫氣狀態。三門核電發電機氫氣系統由三菱電機設計，正常運行時要求氫氣純度維持在98%以上，露點維持在+5℃以下，壓力維持在0.53～0.585MPa之間，以保證對發電機的良好冷卻。下文主要介紹正常運行時，三門核電發電機氫氣純度、壓力和濕度的控制措施。

2 氫氣濕度

氫氣濕度過高會使定子繞組的絕緣性能下降造成定子繞組相間短路，并且會使轉子護環發生應力腐蝕，影響其機械強度。

三門核電設置氫氣干燥器來控制發電機內氫氣濕度在+5℃以下。此干燥器為全自動能夠循環連續運行的雙塔干燥器，通過發電機的風扇驅動使氫氣通過干燥器去除氫氣中的水分和濕氣，從而保持發電機的干燥。另一個塔實現再生和除濕功能。

氫氣干燥器對氫氣進行干燥處理的原理是利用活性氧化鋁對水分子具有吸收力特點。高疏松度的活性氧化鋁具有非常大的表面積和強吸濕能力，當其吸收水分達到飽和后，通過干燥器內部的電加熱器加熱來清除干燥劑自身束縛的水分，加熱蒸汽在愛帕爾貼元件進行冷凝除濕，其冷源為通過冷卻風機吹入的外界空氣，冷卻后的氣體經熱交換器對加熱蒸汽進行初步降溫同時作為循環氣體返回干燥器，循環的動力來自再生風機，該風機為磁軛結構可以防止氫氣的泄漏。隨著氣體的不斷循環，干燥器的水分被不斷帶走最終達到再生的目的。

氫氣干燥器由可編程邏輯控制器控制。干燥塔轉換到備用塔是預設的定時器或在線干燥器出口處露點溫度高（大于-5℃）控制的。干燥器同時還裝有一個循環鼓風機，即使在發電機停止或低速運轉時，氫氣也能循環干燥。

3 氫氣純度和壓力

氫氣純度降低意味著混入空氣或水汽等其他氣體，使得發電機內循環氣體密度上升，增加通風和風摩損耗，同時比熱容和導熱系數也都會下降使冷卻效果降低。而氫氣的體積比熱與絕對壓力成正比，壓力不足會使氫氣的散熱性能下降，所以控制好發電機氫氣純度和壓力，對電廠運行具有重要意義。

3.1 氫氣密封油系統

氫冷發電機的轉軸必須穿出發電機端蓋，在轉軸穿出端蓋的部位是氫冷發電機密封的關鍵。三門核電設置氫氣密封油系統為安裝于發電機兩側的軸封密封環提供壓力油，維持氫氣高純度，防止發電機內氫氣泄露以及外部空氣從此處進入。氫氣密封油系統采用雙流環型分為空側密封油子系統和氫側密封油子系統。軸封密封環有兩個環形槽，形成兩個單獨的油回路。空側密封油進入外槽向發電機支座的外側流動，以防止外部空氣進入發電機內；氫側密封油進入內槽向發電機支座的內側流動，以防止發電機內氫氣向外泄露。

為最大程度保持發電機內的氫氣純度和壓力，三門核電的氫氣密封油系統與一般雙流環系統相比具有以下特點：

3.1.1 真空處理單元。目前大部分電廠是控制密封環處的氫側和空側密封油壓相等，但在實際運行中很難做到絕對平衡而導致兩個油路之間相互串油，進而導致氫氣純度惡化、補氫量大。三門核電的設計是控制密封環處氫側油壓稍高于空側（2～5kPa左右），即人為控制密封油的串油方向為氫側向空側。這樣氫側密封油會不斷減少，而空側密封油不斷增加，需要空側向氫側補油以維持氫側密封油量。這樣就造成空側回路中的空氣和水汽進入氫側回路，降低發電機內氫氣純度和壓力，為此三門核電設置有真空處理單元，空側回路向氫側回路的補油先經過真空處理單元，將空側密封油中的空氣和水汽通過真空箱和真空泵去除后再通過一個供油泵向氫側回油調節箱供油，避免空氣和水汽通過氫側密封油進入發電機，能極大程度地提高發電機內的氫氣純度，在系統正常運行時，氫氣純度能維持在98%以上，遠高于設定的90%的報警值。即使真空處理單元故障，氫氣密封油系統就和一般雙流環系統一樣，同樣能保持發電機內足夠的氫氣純度和壓力，而且氫側密封油壓力高于空側密封油壓力，空氣不易從空側到氫側再到發電機內，即使空側回路給氫油回路的補油沒有經過真空處理單元處理，發電機內氫氣純度也可以保持在95%～97%，可以維持機組長期正常運行。

3.1.2 多種備用氫氣壓力控制方式。空側密封油回路油壓正常是保障發電機內氫氣系統正常運行的最低要求，為保持空側回路的油壓采取了一系列備用措施。在系統正常運行時，一臺交流油泵為空側回路提供壓力，通過交流油泵出口的主壓差閥維持空側密封油壓力比發電機內氫氣壓力高85kPa。當空側交流油泵故障使油氫壓差低至60kPa時，備用壓差閥自動打開，從潤滑油主油泵或潤滑油高壓油泵引入油源，使油氫壓差保持在60kPa以上；當備用油源再出問題使油氫壓差低至35kPa時，一臺容量與空側交流油泵同樣大小的備用直流油泵自動啟動，使油氫壓差能重新維持在85kPa。通過這一系列的措施，使得氫氣密封油系統能為發電機內氫氣純度和壓力的控制提供完善的保障。

3.1.3 軸封浮動油。由于氫側回路壓力略高于空側回路，發電機內氫氣會對密封油產生外推的作用力，需要在密封環外側和密封環支架之間通入浮動油，抵消氫氣向外的推力，并形成油膜潤滑軸封，保證了密封環在較高的壓力下能自由浮動，防止因密封環卡澀而引起發電機轉軸過大的振動。三門核電氫氣密封油系統與一般雙流環系統的不同的是為浮動油路單獨設置了一臺浮動油泵，為浮動油路提供壓力，更好地保護密封環不會發生卡澀以及氫氣密封油系統的正常運行。密封環結構及其油路如圖1所示。

3.2 發電機定子冷卻水系統

發電機定子冷卻水系統為定子線圈的空心導線提供經過冷卻、過濾、除鹽的冷卻水，帶走定子線圈電阻損耗產生的熱量。定子冷卻水回路壓力低于發電機內氫氣壓力，定子冷卻水箱采用氫氣加壓，泄漏到定子冷卻水中的氫氣在水箱中釋放并在頂部積聚，水箱頂部的自動排氫閥根據壓力設定值自動開啟（50kPa）和關閉（30kPa）。氫氣加壓不僅可以抑制氧氣在定子冷卻水中的溶解，而且自動排氫閥的動作頻率也是監視氫氣是否向定子冷卻水泄漏的最有效手段。

3.3 發電機氣密性試驗

除了從密封環處的泄漏，氫氣還有可能從發電機氫氣系統和發電機本體的法蘭、閥門等設備的連接處泄漏，因此需要對發電機整體進行氣密性試驗，根據設計要求需要在調試階段分別使用空氣和氫氣對發電機整體以及氫氣系統進行兩次氣密性試驗，允許泄漏率分別為1Nm3/天和4Nm3/天，在調試階段就通過試驗消除發電機氫氣系統和發電機本體存在的泄漏點，確保整個發電機氫氣系統和發電機本體的嚴密性。正常運行時允許的氫氣消耗率為14Nm3/天（Nm3代表標準立方米，是指在0℃、1個標準大氣壓下的氣體體積）。

3.4 自動補氫

在氫氣二氧化碳系統的供氫單元上設置有并列的兩個自動補氫閥，當發電機內氫氣壓力發生下降，這兩個閥門可以自動為發電機補充氫氣，以維持發電機內額定壓力。

4 結語

通過以上分析可以看出，三門核電采取了一系列獨特的措施，實現發電機內氫氣純度、壓力和濕度的要求，保證電廠安全穩定地運行。

參考文獻

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（責任編輯：王 波）