9HA聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測優(yōu)化研究

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

0 引言

巴基斯坦赫維利1 230 MW燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站的設(shè)計(jì)規(guī)模為1套“二拖一”燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，額定出力1 230 MW，包括2套9HA.01型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)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(jī)組。2018年5月9日，該電站聯(lián)合循環(huán)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，成為全球第一套投入商業(yè)運(yùn)行的9HA燃機(jī)“二拖一”聯(lián)合循環(huán)電站。同時(shí)，該電站全廠凈效率達(dá)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(jī)是保障聯(lián)合循環(huán)機(jī)組可靠、高效運(yùn)行的重要主機(jī)之一。氫氣是理想的發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)，但同時(shí)也是易燃易爆的氣體，按理論計(jì)算，在密閉容器中，當(dāng)氫氣與空氣混合，氫的含量為4%～75%時(shí)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(shí)，遇火源就會(huì)爆炸。而氫冷發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)生大量漏氫，不僅會(huì)造成氫氣壓力下降、冷卻效果降低、發(fā)電機(jī)出力下降、機(jī)組效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(jī)內(nèi)冷水箱上部裝設(shè)氫氣泄漏報(bào)警儀，對發(fā)電機(jī)內(nèi)漏入內(nèi)冷水系統(tǒng)的氫氣進(jìn)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(bào)率較高。文獻(xiàn)[2]介紹了利用在線溶解氫儀表測定發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，需要通過更多的應(yīng)用、更多的數(shù)據(jù)積累來檢驗(yàn)，而且對于聯(lián)合循環(huán)全氫冷發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jī)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(jì)規(guī)程》[3]中7.2.9條明確提出：“發(fā)電機(jī)工作氫壓高于冷卻水壓時(shí)，發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器的水管道上應(yīng)設(shè)置氫氣監(jiān)測器和報(bào)警器。”本文以巴基斯坦赫維利項(xiàng)目為依托，對大型氫冷發(fā)電機(jī)漏氫的途徑和危害、9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期尋找一種簡單實(shí)用的漏氫檢測方法實(shí)時(shí)監(jiān)測管路系統(tǒng)漏氫狀況，指導(dǎo)運(yùn)行和檢修，保障機(jī)組安全、高效運(yùn)行。

1 發(fā)電機(jī)漏氫的途徑和危害

發(fā)電機(jī)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(jī)組本身存在的氫氣透過裂縫或者某些密封不嚴(yán)密處(如供氫管道、法蘭、密封設(shè)備、發(fā)電機(jī)端蓋等)泄漏進(jìn)入機(jī)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(kuò)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(jìn)行積聚而發(fā)生氫爆的可能，因此，加強(qiáng)廠房的通風(fēng)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(shí)會(huì)導(dǎo)致氫冷器換熱效率降低，對機(jī)組效率產(chǎn)生不利影響。

2)內(nèi)漏指的是發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣泄漏至發(fā)電機(jī)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(jìn)入主油箱，進(jìn)而在油箱內(nèi)混合成為具有爆炸能力的混合氣體；當(dāng)發(fā)電機(jī)冷卻水運(yùn)行壓力低于氫冷器氫壓時(shí)，一旦換熱管破損泄漏，氫氣會(huì)進(jìn)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(jī)組運(yùn)行效率，氫氣內(nèi)漏至其他在運(yùn)的油、水系統(tǒng)，擴(kuò)大了危險(xiǎn)區(qū)域的范圍，一旦通過系統(tǒng)中的漏點(diǎn)進(jìn)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(shí)，將可能引發(fā)爆炸等事故。

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

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

赫維利項(xiàng)目9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)采用全氫冷發(fā)電機(jī)，即發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)，切斷進(jìn)入氣體模塊的氫氣供應(yīng)。赫維利項(xiàng)目氫氣供應(yīng)來自制氫站，進(jìn)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(jì)CF001監(jiān)測到嚴(yán)重的氫氣泄漏時(shí)，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(jī)充注氫氣或吹掃時(shí)打開。

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

2.3 發(fā)電機(jī)本體液體檢漏儀

發(fā)電機(jī)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(jī)內(nèi)可能存在冷卻器漏出或冷凝成的任何液體。一旦儲(chǔ)液罐上的液位計(jì)指示液位達(dá)到設(shè)定值，表明發(fā)電機(jī)氫冷器存在較大的泄漏，對發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行產(chǎn)生了威脅，將在集控室報(bào)警，當(dāng)泄漏更嚴(yán)重時(shí)將觸發(fā)發(fā)電機(jī)延遲5 s后故障解列。儲(chǔ)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?shí)時(shí)傳輸至集控室進(jìn)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(jìn)行監(jiān)控，一旦超過設(shè)定值0.1 MPa則觸發(fā)集控室報(bào)警；氣體模塊出口處氫氣壓力也通過一組壓力變送器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦與設(shè)定值的偏差超過±10%時(shí)觸發(fā)集控室報(bào)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(shí)發(fā)揮作用。

3)氫氣干燥模塊

發(fā)電機(jī)內(nèi)循環(huán)的氫氣在工作過程中會(huì)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(jī)。

4)氫氣排放系統(tǒng)

氫氣排放系統(tǒng)是用于火災(zāi)、氫氣嚴(yán)重泄漏或密封油系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)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(jī)氫冷器運(yùn)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(shí)現(xiàn)快速排放，旁路上設(shè)置有電磁快關(guān)閥，用于遠(yuǎn)程操控。該系統(tǒng)能在5～10 min內(nèi)將發(fā)電機(jī)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(jì)

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(jī)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(jìn)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(jī)安全，發(fā)電機(jī)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(jī)相對安全，但是，卻增大了氫氣泄漏至冷卻水側(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，即一旦氫冷器發(fā)生泄漏，氫氣將逐漸滲透至整個(gè)冷卻水系統(tǒng)，包括冷卻水泵等電機(jī)附近也可能存在氫氣，危險(xiǎn)區(qū)域?qū)U(kuò)大，威脅到主輔機(jī)設(shè)備的安全。以往工程中缺少此項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)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(jì)了漏氫監(jiān)測裝置，用于氫氣泄漏狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警，以便及時(shí)停機(jī)檢修，保障了機(jī)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(jī)一側(cè)兩個(gè)氫冷器回水管接口接出，經(jīng)蝶閥后匯流，與發(fā)電機(jī)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(diǎn)處，且進(jìn)入裝置的流向?yàn)樽韵孪蛏希欣跉錃獾氖占?/p>

3.3 閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

漏氫監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(dāng)冷卻水流動(dòng)時(shí)，若發(fā)電機(jī)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(jì)設(shè)置有低液位—低低液位設(shè)定值，當(dāng)液位達(dá)低液位時(shí)則在集控室報(bào)警，達(dá)低低液位時(shí)需停機(jī)，同時(shí)輸出4～20 mA遠(yuǎn)傳信號(hào)至DCS控制系統(tǒng)。運(yùn)行人員每天可對該裝置進(jìn)行定期巡檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)就地磁翻板液位計(jì)讀數(shù)下降(浮球視鏡內(nèi)的浮球下落)時(shí)，應(yīng)微啟排氣閥，用手持式氫氣探測儀進(jìn)行二次確認(rèn)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(jī)檢查并消除氫氣泄漏點(diǎn)(發(fā)電機(jī)氫冷器)，同時(shí)開啟有關(guān)門窗、通風(fēng)風(fēng)機(jī)，迅速排除泄漏至廠房內(nèi)的氫氣，禁止一切動(dòng)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(dāng)水位下降時(shí)也不會(huì)流出浮球視鏡。整個(gè)漏氫監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)壓力不低于閉式水系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力(1.0 MPa)。

4 對電廠發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測工作的建議

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

2)建議在主機(jī)招標(biāo)和技術(shù)協(xié)議階段，對發(fā)電機(jī)廠提出嚴(yán)格的進(jìn)行氫氣泄漏監(jiān)測的要求，保證發(fā)電機(jī)本體及配套輔機(jī)各泄漏點(diǎn)(外漏和內(nèi)漏)泄漏監(jiān)測措施、減小外漏的措施到位，進(jìn)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(jì)時(shí)，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(dòng)式、手持式氫氣探測儀等，以確保機(jī)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(jī))、主油箱等部位設(shè)置泄漏監(jiān)測和探測裝置，加強(qiáng)泄漏監(jiān)視、漏點(diǎn)查找和檢修維護(hù)工作。

5 結(jié)語

本文對大型氫冷發(fā)電機(jī)漏氫的途徑和危害、9HA聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測系統(tǒng)配置和功能進(jìn)行了研究和介紹。對閉式水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測進(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了漏氫監(jiān)測裝置，能夠有效地監(jiān)測氫冷發(fā)電機(jī)氫氣泄漏，并在集控室報(bào)警，進(jìn)而停機(jī)檢查并修復(fù)問題，提高了系統(tǒng)的安全性，避免因危險(xiǎn)區(qū)域的擴(kuò)大而威脅機(jī)組安全，保障機(jī)組安全、高效運(yùn)行。滿足《發(fā)電廠油氣管道設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)范的要求。對國內(nèi)外配置氫冷型發(fā)電機(jī)的燃?xì)狻⑷济喊l(fā)電機(jī)組漏氫監(jiān)測設(shè)計(jì)均具有較高的借鑒和參考價(jià)值。