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发电机氢气系统详解

2020-08-04 09:10:34        0

一、系统流程及作用

     流程: 发电机内的氢气在发电机端部风扇的驱动下,以闭式循环方式在发电机内作强制循环流动,使发电机的铁芯和转子绕组得到冷却。其间,氢气流经位于发电机四角处的氢气冷却器,经氢冷器冷却后的氢气又重新进入铁芯和转子绕组作反复循环。氢冷器的冷却水来自闭式循环冷却水系统。

     汽轮发电机的冷却方式为整体全封闭,内部氢气循环,定子绕组水内冷,定子铁芯及端部结构件氢气表面冷却,转子绕组气隙取气氢内冷的冷却方式。

作用:发电机的氢气系统是为汽轮发电机组提供干燥、安全、可靠的氢气,用以冷却发电机的定子铁芯及转子。一般选择氮气作为氢气与空气置换的中间介质。氢气冷却器是将氢气从发电机内吸取的热量通过闭式水带走,氢气干燥器是将氢气中的水分吸出,保证发电机内的氢气干燥,防止发电机内结露,保证发电机在允许的温度下正常运行

二,发电机氢气系统的通用技术要求。

    (1) 发电机氢冷系统及气体置换装置能满足发电机充氢、自动补氢、排氢及中间气体介质置换工作的要求,能自动监测和保持氢气的额定压力、规定纯度及冷氢温度、湿度、CO2纯度等。

    (2) 发电机氢冷系统为闭式氢气循环系统,热氢通过发电机的氢气冷却器由冷却水冷却。

    (3) 发电机氢气冷却器采用高性能散热形式。

    (4) 发电机设置氢气干燥器,除了监测发电机内氢气露点用的氢气湿度在线监测仪外,氢气干燥器的出口处也装设具有远传在线信号的非水银氢气湿度仪。干燥装置能保证发电机在额定条件下机内氢气露点不高于-5℃同时又不低于-25℃。氢气干燥器设有循环风机。

    (5) 发电机氢冷系统及氢气控制装置的所有管道、阀门、有关的设备装置及其正反法兰附件布置应便于运行操作,监视和维护检修。氢气系统的阀门全部采用(1Cr18Ni9或0Cr18Ni9)不锈钢波纹管截止阀。氢系统密封阀均为无填料密封阀门。

   (6) 氢系统氢气纯度、压力、湿度,除设有防爆型就地指示和报警装置外,还应设置输出模拟量到远方DCS显示参数及报警输出接点。

   (7)  发电机冷氢温度最高不超过49.5℃。氢冷却器冷却水设计温度为38℃。

   (8) 氢气纯度不低于95%时,不影响发电机的保证出力。当计算和测定发电机效率时的基准氢气的纯度应为98%。

  (9) 发电机机壳和端盖,能承受压力为2倍额定氢压时历时15分钟的水压试验,以保证运行时内部氢爆不危及人身安全。

   (10) 采用闭式循环冷却水系统,水源为化学除盐水,氢气冷却器水侧设计压力为1.0MPa,试验水压为1.5MPa。但供给氢气冷却器的水压不得高于0.4MPa。

   (11) 氢气冷却器的设计能在一个冷却器因故停止使用时,至少能承担发电机80%额定容量连续运行,且发电机不超过允许温升。

  (12) 发电机在额定转速、额定氢压和标准状态下漏氢量不大于:  12Nm3/24h  (注:标准气压下,氢气的密度是0.09千克/立方米)



   三、氢气系统的组成。

      氢冷系统主要由氢气汇流排(供氢系统)、二氧化碳汇流排(供二氧化碳系统)、二氧化碳蒸发器(加热器)、氢气控制装置、氢气干燥器(氢气去湿装置)、循环风机、发电机绝缘过热监测装置(发电机工况监测装置)、发电机漏液检测装置和发电机漏氢检测装置(气体巡回检测仪)组成 。

  四、氢气系统的功能及优缺点。

    氢气系统的功能是利用干燥的氢气对发电机转子绕组和定子铁芯进行冷却;在机组起动前或停止运行后利用中间介质置换机内气体。其作用为:

    提供对发电机安全充、排氢的措施和设备,用二氧化碳作为中间置换介质;

    维持机内正常运行时所需气体压力;

    监测补充氢气的流量;

    在线监测机内气体的压力、纯度及湿度;

    干燥氢气,排去可能从密封油进入机内的水汽;

    监测漏入机内的液体(油或水);

    监测机内绝缘部件是否过热;

    在线监测发电机的局部漏氢。

氢冷汽轮发电机的优缺点如下:

(1)、电机内维持氢的纯度为97%时,其密度只有空气的十分之一,所以电机的通风损耗及转子表面对气体的摩擦损耗都大大减小。

(2)、氢的导热系数为空气的6.69倍,它可以使绝缘内间隙及其它间隙的导热能力改善,从而有利于加强发电机的冷却。

(3)、由于氢气的表面散热能力强(纯度为97%的氢气表面散热系数约为空气的1.35倍),发电机的损耗可由氢气很快带走。因此,能使发电机的出入口风温差降低10~15℃左右。增加氢压还可使散热能力按压力的0.8次方增加。

(4)、经过严格处理的冷却用氢气可以保证发电机内部清洁,通风散热效果稳定,而且不会产生由于脏污引起的事故。

(5)、氢气中含氧量很少,低于2%,不助燃,即使发电机内部发生短路故障,也不会有着火的危险,从而可使故障损坏程度大为减轻。

(6)、在氢气中,噪音较小,而且绝缘材料不易受氧化和电晕的损害。

(7)、最大的缺点是一旦于空气混合后在一定比例内(4%~74.2%)具有强烈的爆炸特性,所以发电机外壳都设计成防爆型,气体置换采用C02作为中间介质。

五、氢气系统主要设备及功能。

    发电机氢气系统主要由氢气汇流排(供氢系统)、二氧化碳汇流排(供二氧化碳系统)、二氧化碳蒸发器(加热器)、氢气控制装置、氢气干燥器(氢气去湿装置)、循环风机、发电机绝缘过热监测装置(发电机工况监测装置)、发电机漏液检测装置和发电机漏氢检测装置(气体巡回检测仪)组成。

    各部分功能如下:

1)、 氢气汇流排

发电机产生的热量通过氢气耗散,氢气的散热能力相当于空气的8倍。为了获得更加有效的冷却效果,发电机中的氢气是加压的。

氢气来自中央制氢站,通过软管与汇流排连接。减压阀将氢压减至所需压力,然后送到氢气控制装置再减压至发电机所需的压力。

2) 二氧化碳汇流排

    为了防止氢气和空气混合成爆炸性的气体,在向发电机充入氢气之前,必须要用二氧化碳将发电机内的空气置换干净。同理,在发电机停机排氢后,也要用二氧化碳将发电机内的氢气置换干净 。

3) 、二氧化碳加热器。

     由于二氧化碳在大多数情况下是以液体形式储存在气瓶内,二氧化碳加热器用于将来之二氧化碳汇流排的液态二氧化碳加热成气体,所需的气化热来自电加热。

4)、氢气干燥器系统。

       氢气干燥器用于干燥发电机内的氢气,以防机内水分过高时,对发电机的高压绝缘件或高应力金属结构件产生危害。

      干燥器由二个干燥塔组成,塔内装填有高性能干燥剂和加热元件,一个工作时,另一个加热再生。每个塔内都装有一台循环风机,连续工作。工作塔内的风机用以加大气体循环量并使气体在干燥剂内分布均匀;再生塔内的风机用以循环再生气体,迫使再生气体经过冷凝器、气水分离器等,使干燥剂内吸附的水分分离出来。氢气干燥器的工作和再生过程由内建PLC控制,完全自动进行。由于是闭式循环,所以不消耗氢气,也不会引入空气。为提高可靠性,干燥器从氢气中分离出出来的水分需人工排放。

5)、发电机氢气检漏装置。

    发电机  漏液检测装置用以检测发电机水冷定子线圈或氢气冷却器因泄漏而积累在发电机底部的液体,同时也用以检测渗漏到发电机内的密封油或轴承油 。

6)、发电机绝缘过热监测装置

     发电机绝缘过热监测装置用以监测发电机内部绝缘材料是否有过热现象,以便在早期及时采取必要的措施,防止酿成大事故。

     工作原理:

           在发电机正常工作时,流经装置的干净气体导致装置产生一定的微电流,此电流经处理后,在装置上显示出来。当发电机内绝缘有过热现象时,绝缘材料因过热而挥发出过热粒子,这些粒子随氢气进入到监测装置后,将引起装置的电流减少。当电流减少到一定程度时,装置经自检确认装置本身无误后将发出报警信号,提示发电机内绝缘部件有过热现象。

7)、循环风机

     循环风机主要用于氢冷发电机冷凝式氢气去湿装置的除湿系统中,在发电机停机或盘车状态下,开启循环风机,使氢气去湿装置能正常工作。

8)、氢气纯度分析仪

       可实时监测氢气、CO2的纯度。气体置换时主要通过气体纯度监测装置的样气进口来监控气体纯度;量程气进口只在置换时用,可实时调看供氢纯度或供CO2纯度。参比空气进口为调试时用。纯度仪回气排空

工作原理:

      仪器由特殊设计的风机,压差交送器及压差计组成,实际则是风机产生的压差,但由于此压差值与气体的密度有关,而气体密度又直接与气体的成分成比例,故只要测出风机压差就等于测出了气体密度,实际上两只压差计是直接按密度和纯度标注的。

纯度要求:

        氢气是易燃易爆性气体。在密闭容器中,当氢气与空气混合,氢的含量为4%~75%,即形成易爆炸的混合气体。我国发电机运行规程规定:“一般要求发电机内氢气纯度保持在96%以上。低于此值时,应进行排污”

      大容量氢冷发电机内要求保持高纯度的氧气,其主要目的是提高发电的效率,从经济方面考虑。因为氢气混入空气或纯度下降时,混合气体的密度随氢气纯度的下降而增大,使发电机的通风摩擦损耗也随着氢气纯度的下降而上升。据美国GE企业先容,一台运行氢压为0.5MPa、容量为907MW的氢冷发电机,其氢气纯度从98%降到95%时,摩擦相和通风损耗大约增加32%,即相当于损失685kW。一般情况下,当机壳内的氢气压力不变时,氢气纯度每降低1%,其通风摩擦损耗约增加11%。

9)、湿度仪(露点仪)

氢气露点仪装在发电机氢气干燥器的进氢管路上,

对发电机内的氢气的温度和湿度进行在线监测,氢气露

点仪的工作电源为交流220V,并有4~20mA的输出信

号。

       露点:是指气体在水蒸气含量和气压不变条件下,

冷却到水汽饱和(出现结露)时的温度。气体中的水蒸气

含量愈少,使其饱和而结露所要求的温度越低。反之,

水蒸气含量愈多,降温不多就可出现结露。因此,露点

的高低是衡量气体中水蒸气含量的一个尺度。

六、氢气湿度过高的影响及原因。

1、影响:

     机内氢气湿度过高时,一方面会降低氢气纯度,使通风摩擦损耗增大。效率降低:另一方面,不仅会降低绕组绝缘的电气强度(特别是达到结露时),而且还会加速转子护环的应力腐蚀。特别是在较高的工作温度下,湿度又很大时,应力腐蚀会使转子护环出现裂纹,而且会很快地发展。

2、机内氢气湿度过高的主要原因有以下2种:

     1  可能是制氢站出口的氢气湿度过高;

     2  可能是氢气冷却器漏水;

     3  对于水氢氢冷却方式或水水氢冷却方式的发电机,还有可能是定、转子绕组的直接冷却系统漏水。

     4  密封油的含水量过大或氢侧回油量过大。如果轴封系统中氢侧回油量大,再加上油中含水量大(要求含水量控制在500ppm以下),从密封瓦的氢侧回油中出来的水蒸气就会严重影响机壳内氢气的湿度。

七、运行注意事项

     发电机正常运行时机内氢压应保持在250~350kPa(就地控制盘指示)之间,高于350kPa 或低于260kPa,将发出报警。氢压过高时可开启排气阀来排去部分H2,降压到正常值,发电机内氢压必须高于定子冷却水压,氢压低于265kPa(LCD指示),应向发电机内补氢,最大补氢率10m3/天,超过此限值,应进行检漏。

    发电机运行中H2纯度最低限值96%,露点温度0℃,纯度、湿度不合格时应进行排污,并向机内补充H2,来提高纯度,减小湿度。

    发机正常运行中应投入H2去湿装置运行。

    发电机正常运行时,要使氢冷系统良好运行,必须保持密封油系统正常运行,应特别注意密封油压恒定地大于机内H2压力36~76kPa(LCD指示)。

    发电机正常运行,四台氢冷却器全部投入运行,一台氢冷器退出运行,发电机负荷限制为80%额定负荷。

    正常运行中,必须保证发电机进氢温度低于发电机定子冷却水入口温度,保持氢冷器出口所有温度测点均低于发电机定子冷却水入口温度。

    氢冷器出口温度测点中任一测点偏差大时,及时联系检修人员处理。

    发电机氢冷器出口测点中任一测点温度高于发电机定子冷却水入口温度,应及时检查并调节氢温或定子冷却水温度至正常范围。若为测点指示不准引起,应及时联系检修人员处理。

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