摘要：氢气作为发电机的换热介质，其纯度控制极为重要。本文从安全性、经济性和高效性角度，详细论述运行期间提高发电机氢气纯度的必要性，同时结合电站实际经验，给出氢气纯度控制合适范围，对同类机组运行控制有一定借鉴意义。
关键词：核电汽轮发电机；氢气纯度；控制方案
1、选题的背景和意义
以某一核电厂发电机采用QFSN型、额定容量范围为1100MW等级水氢核电汽轮发电机为例，氢气冷却定子铁心和转子绕组，GRV系统SDM要求氢气纯度正常运行时机内氢气纯度不低于95%，机内最小氢气纯度为90%。查询同类型核电汽轮发电机组正常运行程序对于氢气纯度的要求也为不低于95%，与我们正常机组运行时氢气提纯到98%以上的要求不同。
《电业安全工作规程》、《电力设备典型消防规程》、《汽轮发电机运行规程》等都对氢冷发电机内氢气纯度有明确的规定。综合各规程的规定，氢冷发电机内氢气应满足以下要求：当氢气纯度小于96％，或氧气含量超过1.2％时，应立即进行处理；氢气纯度低于90％时，应立即停机。
发电机组在运行过程中，发电机内氢气纯度每下降1%，通风损耗及转子摩擦损耗将增加11%。为保证机组安全、稳定、经济运行，发电机氢气纯度须在95%～98%。通常电站常通过不断补、排氢气等方式严格控制发电机内氢气纯度。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。
2、研究的主要问题
根据GB/T 7064-2008《隐极同步发电机技术要求》，氢冷电机的机内氢气纯度不低于95%时，应能在额度条件下发出额定功率，但计算和测定效率时的基准氢气的纯度应为98%。
分析氢气中杂质含量在氢气生产过程中占有很重要的地位，它不仅关系到气体的质量，而且关系到氢气生产甚至整个工厂的安全。运行中氢冷发电机的氢气质量分析结果是否正确，直接影响到发电机的安全发电和经济指标；置换过程中的氢气质量分析也尤为重要，发生误差会有爆炸混合气体的存在，在检修过程中，就有可能发生爆炸，严重威胁设备和人身安全。为此，只有严格进行氢气生产过程中氢气纯度及发电机氢气纯度的分析监督，才能绝对保证氢气生产过程及发电机设备的安全运行。本文正是基于上述问题，对机组运行时提高氢气纯度必要性的分析。
3、研究方法和可行性
该核电厂发电机采用氢气冷却定子铁心和转子绕组，GRV系统SDM要求氢气纯度正常运行时机内氢气纯度不低于95%，机内最小氢气纯度为90%。当发电机在额定氢压520kPa下运行，保证漏氢量每天不大于18m3（常压下的体积），总装后机内的气体容量约为133m3。
提高氢气纯度的要求主要从安全性、经济性和高效性这三个方面分析。
4、研究过程
4.1 安全性
氢气是一种极易爆炸的危险品。当空气中的氢气含量在4.1%~74.2%之间时，混合气体为爆炸性气体，当氢气含量接近4.1%或74.2%附近时，也应视为危险气体；当氢气含量为32%时，爆炸力达到高峰，约为混合气体压力的6~7倍，局部爆炸压力可能达到数十倍混合气体的压力。氢气爆炸过程是瞬时完成的，会对工作人员和设备造成巨大伤害，因此必须杜绝氢爆。
氢气在空气中的着火点温度是585℃，仅需要给它能量仅为20μJ着火点，就非常容易着火。化学纤维所产生的静电火花的能量，都比20μJ大好几倍，所经常意想不到的情况下就可能引起氢气的燃烧，而且压力和温度高时更容易着火。图1和图2分别表示在不同温度和不同压力下氢气在空气中爆炸界限。
图1 不同温度下氢气在空气中的爆炸界限
图2 不同压力下氢气和空气混合后的爆炸界限
如果运行期间空气进入发电机内，将使氢气纯度下降，正常情况下不会发生爆炸，但发电机运行时为发热体， 当达到一定温度或发电机内因电晕等原因出现电火花时，氢气与较低含量氧气也有可能发生燃烧， 燃烧后热量增加从而形成氢爆，严重影响氢冷发电机组的运行安全。
因此机组正常运行期间，需提高对氢气纯度控制要求，提升运行安全裕度，即使出现空氢侧密封油交换及密封渗漏影响导致氢气纯度异常降低，也不会落入到氢爆纯度范围，确保发电机运行安全性。
4.2 经济性
当氢气纯度下降快时，会增加通风损耗，造成发电机效率下降。原因为当发电机内氢气纯度下降时，其杂质气体成分主要有CO2、水蒸气、空气和气态油等，其中H2分子量为2、CO2分子量为44、空气分子量约为29。根据阿伏伽德罗定律的推论，在相同温度、压力下，任何气体的密度比等于分子质量比。当混合气体中含有95%的氢气和5%空气时，其密度计算公式如下：
ρ混合=0.95×ρ氢气＋0.05×ρ空气，其中：ρ氢气=0.00561、ρ空气=0.08071
经计算ρ混合为0.009365，远大于纯氢的密度ρ氢气。所以，无论何种杂质的比率提高，机内混合气体的密度都会提高，从而引起通风损耗增加，发电机效率将随之下降。因此，发电机氢气供应系统（GRV系统）在设计时针对杂质气体成分（主要是水蒸气、空气和气态油等）也增加了具体的设备装置，如氢气干燥器油水分离器将氢气中的油蒸汽、灰尘等杂质一次性滤除干净；双塔型吸附式氢气干燥器除去发电机内部氢气中含有的水汽、控制氢气露点，从而确保发电机中氢气保持高纯度。
2003年美国《电力工程》杂志曾刊登通过对氢气纯度进行量化分析的详细报道，如下图3：氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线。
（左纵坐标表示经济损失，单位是美元/天；右纵坐标表示发电机风摩损耗，单位是kW；横坐标表示机内氢气纯度，单位是%）
图3：氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线
根据上图的研究曲线可以看出，1）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；2）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。
根据相关文献介绍，发电机氢气纯度降低会影响其冷却效果，氢气纯度每下降1%，其通风损耗及转子摩擦损耗就会增加11%。因此，若使发电机正常运行的话，通常要求机内的氢气纯度不低于95%。
综上，提高运行期间发电机氢气纯度，有利于降低风磨损耗，提高发电机效率。同时兼顾氢纯度较高时，进一步提纯操作所需耗氢气量较大，通常提高氢气纯度运行在95%-98%合适范围，对机组运行较为经济。
4.3 高效性
氢气导热系数是空气的7倍，传热系数是空气的1.4~1.5倍，其密度仅为空气的1/14，用其作为冷媒，通风散热损耗仅为空气的1/10。氢气纯度越高，其冷却效果越好。
如果氢气纯度降低，机内混合气体的热容量和导热性都将降低（氢压保持稳定时），而密度却显著上升。当其他条件相同时，热容量和导热性能的降低，导致气体温度和发电机本体温度的上升；反之则有利于提高氢气的热容量和发电机气体导热效率，提高发电机冷却效率。
5、论与分析
通过上述分析，核电厂发电机正常运行时机内氢气纯度不低于95%，机内最小氢气纯度为90%是有必要的：
（1）根据安全性分析，发电机状态变化时具有较大的现实考虑价值。
（2）根据经济性分析，发电机组在氢气纯度低值区域长期运行是极不经济的。
（3）根据高效性分析，发电机氢气纯度降低将导致传热气体的热容量和导热性能下降，不利于提高发电机气体冷却效率。
因此，对于发电机氢气纯度控制在设计已经考虑高效性的前提下，对气体置换需要保证绝对安全的情况下进行，同时机组运行时需要兼顾经济性。
6、指导意义
本文主要从安全性、经济性和高效性这三个方面分析提高氢气纯度的要求的合理性，结合发电机设计、运行经验以及国内外相关资料，剖析氢气纯度对发电机安全高效运行的影响。通过分析，帮助运行人员更好地对发电机运行参数进行理解，为后续控制机组参数提供有效的技术参考。
参考文献
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[5]BLX42EOM010S40C45SS《QFSN-1100-4 型1100MW 级核电汽轮发电机产品说明书》，CFC.A版.
论文作者:李国强 徐守新
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月43期
论文发表时间:2019/9/27
标签：氢气论文; 纯度论文; 发电机论文; 气体论文; 机组论文; 空气论文; 高效论文; 《知识-力量》2019年10月43期论文;