发电机氢气系统的运行问题

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关于氢中含氧量的测量问题的建议
实例：广东某厂发电机设备检查，发现新配备的美 国在线热导式氢纯度表指示纯度仅93％，而手工巡 检记录是98%以上，化学人员解释说新仪表未校验， 不准，但新仪表刚出厂应当是校验好的，检查仪器 运行状态正常，进一步追问，承认是向发电机内投 放了灭氧化学药品，氧气转换为某种化合物质，手 工检测时用吸收法测氧气，再以氧气含量换算出氢 气纯度，氧气少了，算出的氢气纯度自然高了。实 际氧气只占空气的五分之一，其余为氮气，灭了氧 气不会因此而减少混入发电机的氮气和杂质，所以 手工检测的氢气纯度是伪数据，而热导式氢纯仪显 示的氢气纯度是准确的，93％已大大超标。 不主张正常运行时高纯度氢气下把含氧量指标列为 监测项目，因为可能误导，更不要投放灭氧药。

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介绍一种新型制氢装置
优点：不需要制氢站、制氢设备占 场地小、氢气品质高、压力稳定、自 动化程度高 缺点：设备投资大

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电力行业产品
HOGENTM 氢气制造机 氢气控制系统
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符合国际安全标准的完全集成化设计
HOGEN制氢机根据NFPA和ISO 氢气安全规范及标准设计，对环 境无害。
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 kW，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。 计算取用的年运行6000h是理想数据，我国600MW 及以上机组实际平均年运行小时数不到5000h，上 网电价各地区也差异很大，因此上面计算的经济效 益数仅作参考。 目前我国在运的氢冷发电机组数量很大，能够长期 保持氢气纯度在额定值以上的却是少数。按平均每 台机每年损失几十万元以上计算，全国每年为此损 失可达数亿元，而且是煤耗上不知不觉的损失。
氢冷发电机氢气系统 运行问题
华北电力科学研究院有限责任公司 白亚民
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为什么要使用氢气？


氢气具有良好的导热性能和流动性，是目前大型 发电机最主要的冷却介质。 600MW及以上汽轮发电机基本上用水冷却定子绕 组，用氢气冷却定子铁心和转子绕组，简称“水 氢氢”。 在发电机给定输出功率和绕组温度时，用氢气代 替空气可以节省大约20％的发电机结构材料。 氢气比空气密度低是另一个优点，在同样的压力 和温度下，氢气的密度不到空气的十四分之一， 因此可以明显减少通风摩擦损耗。

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氢冷发电机的经济运行条件
尽可能接近额定条件运行，特别是氢气压力、氢气 纯度应控制接近额定值。 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，铁心的不变损耗就全有 了。转子带的励磁绕组发热全靠氢气散掉，而目前 没有实时测温手段，低氢压运行很容易使转子绕组 产生严重过热。 维持氢压稳定，可以减少向机内漏油机会，是防止 氢气纯度下降、氢气湿度上升的重要措施之一。 保持高纯氢状态是保证发电机运行效率的重要措施 之一。
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国外发电机的分析研究实例
氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线，kW
氢气纯度，％
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上图曲线的说明
两条曲线分别是400MW和800MW发电机 横坐标从左向右延伸表示纯度从100％下降到91％， 每格1％。 左纵坐标表示经济损失，单位是美元每天 右纵坐标表示发电机风摩损耗，单位是kW 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 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，即氢气纯度对较大的发电机影响 更大。 图示曲线可以查出纯度下降1％对应的风摩损耗。

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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：

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氢气纯度测量上的一些问题和建议

关于机内氧气含量的测量
氢气爆炸的必要条件之一是有氧气参与，所以为防止爆 炸需要对机内氧气含量进行监测。 手工检测氢气纯度，多年沿用的方法，必须先从氢气系 统中取样，实验室用吸收法测出气体样品中氧气含量， 再由氧含量换算出氢气的纯度。所以发电机运行规程还 保留氧气含量的定期检测规定。 在高纯氢气中氧气含量的手工检测误差很大，所以应该 以热导式仪器直接测量氢气纯度为准，正常运行的纯度 远高于85％（紧急停机限），不存在爆炸的可能，没必 要把测量氧气含量作为必要工作，只测氢纯足够。但置 换氢气时必须监测氧气，是为防爆需要。 一定要有在线监测的重要性（张电氢爆实例）

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氢冷发电机漏氢监测的特别关注点
最重要的是内冷水箱漏氢监测，因氢压高于水压， 当内冷水系统出现渗漏故障时，例如开焊、线棒裂 纹、引水管裂纹等，内冷水中氢气含量会出现异常 增高，是可能会进一步发生严重发电机故障的重要 报警信号。 当发生报警以后，首先应当确认报警的正确性，可 以通过手工取样化验比对。 漏氢报警限值和相应处理措施按照GB/T 7064-2008 《隐极同步发电机技术要求》中相关规定。 平时监测仪器的维护和定期校验及注意手工检测对 比，避免仪器误差过大、漏报、误报误导运行。 内冷水箱漏氢监测或检测要防止累积氢误导。
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集成化设计危险性分级
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电厂安装 - 中国浙江省某电厂
现场制氢机 设备地点- 室内
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结束语
谢谢！
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氢气质量对发电机运行和性能的影响
氢气质量在以下三个方面与发电机运行和
Βιβλιοθήκη Baidu
性能密切相关： 纯度直接影响发电机的效率 氢湿度影响发电机内部绕组和金属结构 的寿命 压力的稳定性影响发电机最大输出功率
重点介绍氢气纯度对发电机的影响
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氢气纯度要求的安全提示
600MW汽轮发电机通常都配有氢气在线指示仪表， 有许多发电机还配装了漏氢在线监测仪，重点监测 封闭母线、内冷水箱、端盖等处的漏氢。 氢气监测的标准：GB/T 7064-2008隐极同步发电机 技术要求、有关企业反措 监测的基本功能是要避免出现爆炸事故。 额定氢气纯度是98％，正常运行应95％以上。 纯度降至90%以下并且不可能很快上升，在纯度降 至85%之前应停机并将氢气置换，自动注入二氧化 碳。
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氢气系统运行的基本要求
发电机安全运行首先需要一个稳定的高压氢气源。 传统的氢源是氢气瓶或管道连接至制氢站。采用后者的 电厂近些年越来越多，成本较低、安全性高，特别是置 换氢气时，更易于实现提供高纯度、低露点、压力稳定 的氢气。 氢气属于易燃、易爆气体，必要的安全性措施要求极高。 氢气与空气混合若占4％～74％为爆炸范围，与氧气发 生反应，起爆能量非常小，因此任何情况下不允许与空 气混合，并应严密监测氢气百分比含量。 近几年氢气爆炸事故仍有发生。（大唐、国华、华能） 设计上保证了机壳足以承受氢气爆炸力。按安全规范和 反措使用氢气足以保证运行安全。 3

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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，最终使得 电厂的经济利益受到一定影响。 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。 国外有详细的分析研究，对维持高纯度氢气 运行的要求非常迫切。 美国2003年《电力工程》一篇文章进行了氢 气纯度对发电机影响的量化分析。

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600MW发电机氢气品质运行现状
绝大部分600MW汽轮发电机为我国自己生产，细分 有哈尔滨和上海的优化引进西屋公司技术机型、东 方的日立机型、北重的阿尔斯通机型等等，全部为 氢气冷却。氢压一般为0.4MPa。 进油问题一直是我国发电机的老大难问题。大量的 发电机存在向机内进油现象，同时混入空气，污染 了机内氢气，使得氢气品质难以维持在额定值上。 在略低于纯度额定值1％～3％上运行是普遍现象。 漏氢情况比较好，少数发电机超标，并且易于解决。 基本上配备了比较先进的热导式纯度在线监测仪， 多数是进口产品（如美国Honeywell），测量精度 是比较满意的，但测量方法上存在一些误区。

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kWh电力0.3元上网电价计算，一台机组年运行 6000h，氢气纯度上的节能潜力约为130万元。

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氢气纯度与电厂的经济效益直接挂钩

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国外文献中的所作的经济效益计算
以下原文照译：以800MW汽轮发电机为例 纯度在99％以下时，每下降1％，增加损耗风摩损耗 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