水氢氢发电机定子线圈内漏监测现状及改进建议

2019-07-27吕嘉琛顾范华王展宏

山东电力技术 2019年7期

吕嘉琛，顾范华，金泱，王展宏，鲁竞

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江杭州 311121；2.浙江浙能电力股份有限公司，浙江杭州 310007）

0 引言

水氢氢发电机在设计时即考虑运行时发电机内氢气压力高于定子冷却水压力，避免发生运行过程中定子线棒渗漏，定子冷却水进入发电机内的情况。在氢压高于水压的前提下，若运行时定子线棒产生漏点，机内氢气会在压力的作用下，通过定子冷却水回路，最后汇集到定子冷却水箱。此时，在定子冷却水箱安装氢气监测装置，便能监测到水箱内氢气含量存在异常，及时对发电机线棒渗漏做出预警。这就是定子冷却水箱安装漏氢监测装置的设计理念。

但在实际生产现场，往往出现漏氢监测装置显示水箱内氢气含量超标，但停机检查发电机定子冷却水回路无渗漏的情况［1］。定子冷却水箱氢气浓度监测装置不能可靠地反映运行时发电机内的线棒是否有渗漏情况。

需要说明的是，在发电机正常运行时，机内氢压高于定子冷却水压，氢气分子会透过绝缘引水管或其他材料元件进入到定子冷却水中。因此定子冷却水中氢气泄漏量总是存在的，但很少［1］。

1 有关定子冷却水箱漏氢的规定

相关国家和行业标准中有关发电机定子冷却水箱漏氢的规定有：

1）GB／T 7064—2008《隐极同步发电机技术要求》规定：“如氢压高于冷却器或定子绕组中水压，氢气会漏入水系统并离开发电机。当内冷水系统中漏氢量大于0.3 m3／d时可在计划停机时安排消缺；若漏氢量大于5 m3／d时应立即停机处理。另一种方法，当内冷水系统中含氢（体积分数）超过2%应加强对电机的监视，若超过10%应立即停机处理。”

2）《防止电力生产事故的二十五项重点要求》［3］规定：“内冷水箱中含氢（体积分数）超过2%应加强对发电机的监视，超过10%应立即停机消缺。内冷水系统中漏氢量达到0.3 m3／d时应在计划停机时安排消缺，漏氢量大于5 m3／d时应立即停机处理。”

3）GB／T 7064—2017《隐极同步发电机技术要求》规定：“如氢压高于冷却器或定子绕组中水压，氢气会漏入水系统并离开发电机。这时要检查水系统以寻找氢气消耗量大的原因。”

以上相关规定按时间顺序可以看出，有关发电机定子冷却水箱氢气含量的规定最早是由GB／T 7064—2008提出的，但是在GB／T 7064—2017中，将有关判断数据标准删除，仅以要求查找耗氢量大的原因来替代，表明在实际现场中，利用水箱中氢气含量数据来判断运行时发电机定子线棒是否漏氢的可靠性不高。

2 定子冷却水箱的分类

水氢氢发电机定子冷却水箱按照密闭方式和排氢方式可分为充氮式水箱和不充氮式水箱。不充氮式水箱又可分为敞口式水箱和U型水封（安全阀）水箱。充氮式水箱见图1，是在水箱上部空间充以氮气，使水与空气隔绝，防止水箱和管道内壁被氧气及渗入的二氧化碳腐蚀的水箱。敞口水箱是指水箱直接对空，或通过排空管道将氢气排到厂房外的水箱。U型水封（安全阀）水箱是指水箱排气回路中安装有U型水封或安全阀的水箱，当水箱中压力超过水封压力或安全阀设定的压力时，气体才通过排气管道排出。

图2为敞开式水箱示意。测氢探头同样单独安装，水箱排气回路无U型水封或安全阀，排气直接经过燃气表后排空。

图3为U型水封水箱示意，不充氮。图3中①为单独安装的测氢探头；②为U型水封，当水箱排气压力大于水封压力时才能排空。图4为安全阀水箱，不充氮。图4中①为水箱顶部单独安装的测氢探头；②为水箱排气回路上的安全阀；③为燃气表。

各电厂定子冷却水箱测氢回路布置不尽相同，但基本布置都不超出图1～4所示范围。此外未安装测氢探头的水箱不做具体图例说明。

图1 充氮式水箱

图2 敞开式水箱

图3 U型水封水箱

图4 安全阀水箱

3 定子冷却水箱漏氢监测问题分析

目前水氢氢发电机定子冷却水箱漏氢监测的不足之处有：

1）定子冷却水箱测氢探头均单独安装在水箱顶部或排气管道高点，由于气体无法及时流通，造成取样管道内部积聚氢气，导致检测数值超标报警。同时遇到水箱内补水或水位波动时因水箱内气体空间挤压也易发生误报现象［5］。

2）排气管道上的安全阀、燃气表、水箱测氢探头等元件长期未校验，无法正确动作或正确显示［6］。

3）现场使用的燃气表的量程参数普遍偏大，灵敏度不足，表计数据无人记录，燃气表读数长期无变化，且燃气表仅能记录水箱的排气量，无法测出具体的排氢量。依据导则推荐的0.3 m3／d和5 m3／d排氢量折算，即 0.012 5 m3／h 和 0.208 3 m3／h。多个电厂现场使用的燃气表，其最小流量为0.04 m3／h，无法在线棒发生渗漏的初期准确记录数据，及时反映漏氢情况［7］。

4）排气回路安全阀长期无动作情况，导致水箱无法通过安全阀和燃气表进行排气。

5）部分氢气监测回路在基建时期未按照要求正确安装。部分机组未设计安装水箱测氢探头或燃气表。

6）专业协同问题。水箱氢气监测数据超标问题早在十几年前就已提出，但由于监测装置归属仪控专业管辖，管路、水箱及整个定子冷却水系统归属汽机专业管辖，而装置数据及其功能作用最后为发电机，为电气专业服务，属于典型的多专业交叉范畴。电气专业想改造但插不了手，汽机、仪控专业则不关心该装置能否正确工作。十几年来，三个专业相互推诿，以至于该问题一直无法得到有效解决。

4 发电机定子线棒渗漏案例

某厂3号发电机为QFSN-660-2-22C型隐极式发电机，采用水氢氢冷却方式，定子冷却水箱充氮运行。

2018年1月19日，运行人员依照惯例对定子冷却水箱充氮至20 kPa后停止，后发现定子冷却水箱压力曲线波动异常，上升至40 kPa（正常情况充氮至20 kPa后，水箱内气体压力会缓慢下降，当压力下降至5 kPa时，再次进行充氮）。手动对定子冷却水箱泄压排气，对排出气体使用便携式氢气检漏仪检测发现氢气含量已超最大量程。水箱排气管路安全阀（设计动作值分别为50 kPa和35 kPa）未动作，燃气表示数无变化。整机补氢量无明显变大。

2018年1月27日开始，为进一步分析判断发电机漏氢情况，撤销定子冷却水箱氮气密封，并排空水箱内气体至2 kPa，持续观察24 h，压力上升至30 kPa。手动泄压排气，对排出气体使用便携式氢气检漏仪检测发现氢气含量均已超最大量程。连续3天，每天定子冷却水箱气体压力变化量均为30 kPa左右。对水箱容积、水位、气体压力变化量数据进行估算，3号发电机定子冷却水箱日漏氢量约为 0.6 m3／d，超出了 GB／T 7064—2008导则推荐的0.3 m3／d 的要求。

机组进行停机检查，对定子水回路进行水压试验，同时进行定子端部手包绝缘电位外移试验，发现汽端22，23槽手包绝缘处泄漏电流严重超标，22槽有可见滴水现象。铲除3号发电机定子汽端22槽线棒手包绝缘后，冲氮（0.6 MPa）绑压并使用专用检漏剂检查确认22槽上层线棒水盒子与线棒空心导线处存在渗漏现象。

更换22槽上层线棒，发现该线棒R型渐开线处一根空心导线断裂，一根实心导线断裂，另有一根实心导线有裂纹。确认3号发电机定子线棒存在漏点，见图5。

图5 22号故障线棒导线断裂情况

图6 3号发电机定子冷却水箱系统回路

图7 定子冷却水箱氢气检测回路改造前系统

5 发电机定子冷却水箱氢气检测回路改造案例

某厂一期为4台600 MW（后增容至630 MW）亚临界燃煤机组。发电机均为QFSN-600-2型发电机，采用水氢氢的冷却方式。定子冷却水箱正常时充氮运行，防止二氧化碳进入定子冷却水系统导致水质恶化。

电厂为了让定子冷却水箱的氢气检测传感器能较为准确地测量出定子冷却水箱内氢气的含量，对原系统回路（见图7）进行了改造优化。主要的改造思路是让原传感器安装空间内的积聚氢气流动起来，通过测量总的排出水箱的气体量（包括氢气和氮气）和排出气体中氢气的含量，计算出排出水箱的氢气量，大致约等于发电机内冷水系统的漏氢量。应满足文献［3］中“内冷水系统中漏氢量达到0.3 m3／d时应在计划停机时安排消缺，漏氢量大于5 m3／d时应立即停机处理”的测量要求。

具体的改造部位主要有3处（见图8）。第1处取消了原来水箱顶部的氢气检测传感器（见图9），增加了一根管路使水箱顶部的氢气可以向后面流动。第2处增加了一条带有U形水封的旁路，让水箱内的气体绕过原来的安全阀，水封压力设定为3.5 kPa，保证水箱充氮的密封性。第3处将原来配置的燃气表换成既能测量氢气浓度，又能测量总的排气量，最后计算出排氢量的智能型氢气检测装置。并能将测量和计算的结果上传到集控画面，便于运行人员实时监视。