燃機電廠氫冷發電機氮氣置換應用

余 亮，趙光鋒，張慧軍，姚美琴

（浙江浙能常山天然氣發電有限公司，浙江衢州 324200）

0 引言

目前，國內氫冷發電機采用二氧化碳（CO2）作為氣體置換的中間介質，普遍存在：置換氫氣（H2）、置換空氣耗時長；二氧化碳在氫冷發電機內長時間停留形成銅綠附著絕緣構件；二氧化碳氣瓶使用后瓶體外表結冰、結霜、人工搬運安全風險大等問題；二氧化碳氣瓶的置換費用相對較高，置換操作勞動強度大。

某燃機電廠1號發電機為QFR-480-2-21.5 型三相交流隱極式同步發電機，發電機容量125 m3，采用全氫冷的冷卻方式；發電機密封油系統采用單流環式，氫側密封油回流至排氫調節油箱，空側密封油與發電機軸承潤滑油回油匯流至循環密封油箱。近年來隨著燃氣發電機組發電小時數的下降，該電廠為滿足設備長期停運保養的要求，加裝了一套600 m3/h 碳分子篩制氮設備，為氫冷發電機置換介質實施氮氣（N2）替代創造了有利條件。

1 問題分析

（1）采用二氧化碳瓶進行氣體置換時，流量低、連續性差、耗時長、效率低，一方面會占用機組檢修時間，另一方面也延長了機組檢修恢復時間。二氧化碳在氣瓶內為液態形式，氣瓶閥組打開后會急劇蒸發吸收大量熱量，此時液態二氧化碳的溫度和壓力迅速降低，氣瓶會出現結凍、結霜現象。氫氣置換時，二氧化碳氣體從氣瓶中迅速連續排出，會造成匯流排減壓閥組冰緒的情況，導致置換時二氧化碳流量急劇下降，所以采用氣瓶無法實現大流量的置換操作。同時，二氧化碳氣瓶使用完后需要人工更換，置換過程的連續性受到較大影響。

（2）二氧化碳長時間在機內停留形成銅綠，產生臟污。因為發電機中的微量水和二氧化碳產生碳酸，銅在干燥的空氣中很穩定，但在潮濕的空氣中表面容易被腐蝕，生成一層綠色的物質（俗稱“銅綠”，主要成分是堿式碳酸銅），會使發電機內部臟污。用二氧化碳置換氫氣至空氣狀態時間長達15 h，增加了發電機內部產生“銅綠”的風險。

（3）采用二氧化碳進行氣體置換時，勞動強度大，操作頻繁且風險高。每次發電機氫氣置換前，需要準備足夠數量的二氧化碳，由于電廠內不具備生產高純度二氧化碳的能力，只能采購罐裝二氧化碳氣瓶（一般情況下二氧化碳置換氫氣需要約75 瓶、二氧化碳置換空氣需約45 瓶）放置在定置區域。發電機氫氣置換時再由操作人員搬運至二氧化碳匯流排，接入二氧化碳置換系統供使用，搬運操作頻繁、勞動強度大且二氧化碳氣瓶使用后瓶體外表會結冰、結霜，疲勞狀態下人工搬運安全風險很大。

2 改進措施

2.1 啟用碳分子篩制氮設備

根據《汽輪發電機運行導則》規定：“用氮氣作為中間介質時，氮氣純度按容積計不得低于97.5%，水分的含量按質量計不得大于0.1%，并不得含帶有腐蝕性的雜質”。電廠為鍋爐、汽機發電設備保養配置的一套600 m3/h 碳分子篩制氮設備，制氮純度≥99.99%、露點≤-60 ℃，制氮設備出口設有粉塵精濾器，制氮設備的氮氣品質完全滿足發電機氣體置換要求。該制氮設備配有兩個吸附塔，兩個吸附塔交替循環運行，能夠連續不斷地制出大流量氮氣，解決二氧化碳氣瓶置換時流量低、連續性差的問題。

2.2 發電機二氧化碳管道接入氮氣改造

全廠制氮設備改造時，各主要保養設備區域配套布置了不銹鋼氮氣管道，只需從距發電機二氧化碳管道最近的充氮母管上增設DN50 不銹鋼氮氣支路并加裝一次隔離閥（J41H-16P DN50 不銹鋼截止閥），并在該截止閥后加裝不銹鋼悶板，發電機氫氣運行時封上悶板，確保發電機氫氣系統與全廠氮氣系統可靠隔絕。

二氧化碳加熱器后，DN40 管道經變徑與DN50 不銹鋼氮氣支路通過法蘭式閥門對接（圖1）。氮氣管道改造完后需對氮氣支路進行吹掃，吹掃完成后加裝法蘭連接的閥門（J41H-16P DN50 不銹鋼截止閥），防止置換時管道雜質進入發電機內。

圖1 氮氣支路與發電機二氧化碳管對接

2.3 氮氣置換過程控制及置換終點判斷

發電機置換氫氣前首先啟動制氮設備，當氮氣純度達99.99%后制氮設備供氣閥自動打開，向氮氣系統供應純度合格的氮氣，此時應對進入發電機前氮氣管路進行吹掃、排污，當排污口測得氮氣露點小于-5 ℃時，允許氮氣進入發電機進行氫氣置換。

在發電機油氫壓差閥自動調節良好，油氫壓差值不超過0.085 MPa 前提下，盡量提高氮氣流量，采用將機內氣壓充高后低放的置換形式，達到減少充放次數，節約置換時間的目的。

氮氣置換時要保持氫氣循環風機運行。置換過程中加強對氫氣干燥器、氫氣循環風機、發電機絕緣監測裝置、汽端漏液探測器、勵端漏液探測器處排空及氫氣濃度監測。氫氣干燥器A、B 塔切換需要切換運行，保證干燥器氫氣置換徹底。

（1）氮氣置換氫氣終點判定。采用氫氣純度儀和氫氣檢漏儀同時進行確認，當純度儀測量氫氣純度低于2%（體積比）同時檢漏儀低于25%LEL 時，作為判定氮氣置換氫氣合格的標準。

（2）空氣置換氮氣終點判定。采用氧氣濃度儀進行測量，當氧氣濃度儀氧氣濃度高于20%，作為判定空氣置換氮氣合格的標準。

3 效果分析

（1）采用氮氣進行置換時，各階段置換結束檢測數據如表1。

表1 發電機各階段置換結束數據檢測

（2）通過氮氣支路接入發電機二氧化碳置換管道改造，置換時氮氣流量大，大大提升了置換的連續性。

（3）采用氮氣置換時，發電機油氫壓差閥自動調節品質良好，發電機內氣體壓力峰谷值上升或下降明顯（氣體壓力可在20～60 kPa 進行快速充放操作，期間油氫壓差均未超過0.085 MPa），單位時間內充放次數明顯多于二氧化碳置換，大大提高了氣體的置換效果，可縮短發電機氫氣置換時間8 h（表2）。

表2 改進前后發電機氣體置換耗時對比

（4）減少發電機檢修成本。二氧化碳置換氫氣費用主要為二氧化碳氣瓶費用。在第一階段，氣瓶用量75 瓶，氣瓶單價60 元，則費用4500 元；而氮氣置換費用主要為空壓機、冷干機、制氮機耗電費（制氮機功率100 W，可忽略不計），用電707 kW·h，電費按0.495 2 元/（kW·h）計，則費用為350 元。所以，改進后可以節省4150 元。在第二階段，氣瓶用量45 瓶，則費用2700 元；而氮氣置換時用電404 kW·h，則費用為200 元。所以，改進后可以節省2500 元。因此，采用氮氣置換方式，每次置換全過程可節約置換費用約6650 元。

（5）通過氮氣支路接入發電機二氧化碳置換管道硬化，取消二氧化碳匯流排金屬軟管連接，消除軟管接頭漏氣的安全隱患，保護操作人員的人身安全，同時大大降低了置換時人員搬運、更換二氧化碳氣瓶的工作強度，提高勞動效率。

（6）通過氮氣置換可降低二氧化碳在發電機內長時間停留形成銅綠的風險。

4 結束語

根據《汽輪發電機運行導則》規定的氣體置換基本原則，利用廠內現有的制氮設備及管道，對發電機二氮化碳管道實施氮氣支路改造，為發電機置換提供滿足置換要求的合格氮氣，完成氫冷發電機氣體置換介質氮氣替代工作。以下結論及建議僅供參考：

（1）作為發電機置換中間介質，氮氣滿足《汽輪發電機運行導則》中的氣體置換要求。在電廠配有制氮設備的情況下，發電機氮氣管道接入改造容易操作、置換簡單，操作安全性高，勞動強度低，置換過程連續，置換時間少、成本低。

（2）在發電機油氫壓差閥自動調節品質良好的情況下，適當提高發電機內氣體快速充放壓力峰谷值，可以提高氣體置換效果，進一步減少氮氣置換時間。