隨著大容量氫冷發(fā)電機組的增多,近年來，全國發(fā)生了多起大型氫冷發(fā)電機組氫氣爆炸事故,事故輕則導致密封油系統(tǒng)管道、發(fā)電機內(nèi)風擋損壞,重則導致發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子線圈損壞或人身傷亡事故,對設備、系統(tǒng)、人身都造成巨大的損失。因此對于大型氫冷發(fā)電機內(nèi)冷所用的介質(zhì)———氫氣,作為1個重要課題來研究實屬當務之急。 

有的氫氣爆炸是在發(fā)電機停運狀態(tài)下發(fā)生的,也有的是在發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生的,故無論氫冷發(fā)電機運行與否,都必須引起各級工作人員的高度重視。

一、 氫氣爆炸原理

1.  氫氣爆炸的過程

當在一定空間內(nèi)部如一容器中的氫氣含量處于爆炸極限內(nèi)時,遇到明火,局部首先著火,并放出大量的熱量,使生成的水蒸汽體積膨脹,壓力急劇增大,在極短的時間內(nèi)完成燃燒,同時引燃周圍混合氣體燃燒,空間內(nèi)的壓力猛然急劇增大,這就形成了爆炸。

2.   氫氣爆炸的條件

a.混合氣體必須充放在一定的容器中;

b.氫氣在空氣中的體積含量為4%~75%,或氫氣占氧氣中體積含量的4.65%時，便形成一種易爆性的混合物。

c. 有明火，觸發(fā)觸發(fā)氫氣著火溫度不小585度，最低引爆能量僅為0.02Mj.

3.  氫氣爆炸的實質(zhì)

氫爆發(fā)生的主要條件是氫氣與空氣(實質(zhì)上是氫氣與氧氣)的混合氣體中氫氣的體積含量達到4%~75%時,在明火的作用下,極易迅速發(fā)生化學反應,該反應同時釋放出大量的熱量、引燃周圍同樣夠條件的氣體,生成物急劇膨脹,并形成連鎖反應,直至所有混合氣體全部反應結(jié)束為止。在氫氣混合物中,之所以要求氫含量要有一定的限定,是因為氫含量低于某一限度時,少量的氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生反應所生成的熱量彌補不了散失的熱量,不能使周圍的混合氣體達到著火溫度;反之,若混合氣體中的氫氣含量高于75%時,則因缺氧而無法燃燒,形不成爆炸。氫氣混合物爆炸的威力相當大,故在利用氫氣比熱較大優(yōu)點的同時,必須充分考慮到其缺點,對氫冷系統(tǒng)的維護要合理地進行。

二、 發(fā)電機內(nèi)氫氣純度不合格原因分析

從以上案例可見,發(fā)電機氫爆十分可怕,其損失也相當嚴重,而避免發(fā)電機氫氣系統(tǒng)爆炸,則必須嚴格控制形成氫爆2個條件的各種因素。

1.    氫氣純度在線監(jiān)測裝置和取樣點

該裝置是消除發(fā)電機內(nèi)氫爆的關(guān)鍵。目前所制造的氫冷發(fā)電機組,均配置有氫氣取樣點和氫氣純度在線監(jiān)測裝置,使用這套系統(tǒng)可隨時、連續(xù)監(jiān)測到機內(nèi)氫氣系統(tǒng)的純度值,前提是保證這套系統(tǒng)真實地反映機內(nèi)的氫氣純度。一般地說,發(fā)電機內(nèi)氫氣純度取樣點設計在距本體底部約150 mm高的位置,這樣可保證取到發(fā)電機內(nèi)部較低位置的氫氣,使所取氫樣盡可能具有代表性,另外,這樣設計可避免油污進入取樣系統(tǒng)而將其堵塞。

2.   發(fā)電機的充氫過程

a.在發(fā)電機大、小修后充氫即由二氧化碳置換空氣、氫氣置換二氧化碳的過程中,充排放氣體速度過快,所充氣體不能將發(fā)電機內(nèi)部異種氣體逐層排凈,使得氫氣中混雜其它氣體而變得純度較低。

b.在發(fā)電機充氫過程中,位置較低的死區(qū),如發(fā)電機三相出線區(qū)、氫氣干燥器等位置較低部位,未進行排放,將有部分比重較大的異種氣體存留在機內(nèi),使局部區(qū)域氫氣純度不合格。

c.充入二氧化碳與充入氫氣管道系統(tǒng)使用錯誤,不能有效地將發(fā)電機內(nèi)的空氣排出。正常情況下,因CO2比重較空氣比重稍大,在CO2置換空氣過程中,CO2從發(fā)電機底部緩慢充入,空氣從發(fā)電機頂部逐漸排出,CO2的取樣點在機頂部,檢測發(fā)電機內(nèi)CO2純度達98%后,確認機內(nèi)空氣排凈,允許充入氫氣。氫氣是從發(fā)電機頂部緩慢補入,二氧化碳—空氣混合氣體從發(fā)電機底部逐步排出,當發(fā)電機氫氣取樣系統(tǒng)所取樣純度達98%時,可認為置換結(jié)束。如在此置換過程中,充入CO2與充入氫氣系統(tǒng)閥門切換不正確、排空氣與CO2系統(tǒng)閥門切換不正確,均會影響發(fā)電機內(nèi)氫氣純度值。

3.  發(fā)電機運行中氫系統(tǒng)受到污染

a.在某些具有真空除氫的密封油系統(tǒng)中,真空系統(tǒng)漏空,空氣與所回收的氫氣一起返回發(fā)電機內(nèi),污染了整個氫氣系統(tǒng)。

b.在雙流環(huán)式密封油系統(tǒng)中,氫、空側(cè)密封油壓調(diào)整不當,氫側(cè)油壓高出空側(cè)油壓較多,大量的氫側(cè)油漏入空側(cè)油中,這樣就不斷地有含大量空氣的空側(cè)油補入氫側(cè)密封油中,含空氣的油在去沫器內(nèi)釋放出空氣,此后與氫氣返回至發(fā)電機內(nèi),致使發(fā)電機內(nèi)異種氣體增多,污染了發(fā)電機內(nèi)的氫氣。

c.密封油含水量較高(來自潤滑油系統(tǒng))時,尤其在夏季,因通過密封油冷卻器的冷卻水溫較高,導致密封油溫也較高,而氫側(cè)密封油壓高于發(fā)電機內(nèi)氫壓,這使油內(nèi)的水份等氣體物質(zhì)逐步緩慢蒸發(fā),散發(fā)至發(fā)電機內(nèi),引起發(fā)電機內(nèi)氫氣純度降低。

d.在發(fā)電機停運后,氫冷器內(nèi)的冷卻水系統(tǒng)未停運,導致氫冷器氣側(cè)結(jié)露,結(jié)出的水受熱后緩慢蒸發(fā)與氫氣混在一起,不但增大了氫氣濕度,同時也降低了氫氣純度。

e.發(fā)電機氫側(cè)密封油密封瓦與大軸間的間隙過小,這樣通過密封瓦間的油量較少,導致密封瓦內(nèi)的油溫升高,使得氫側(cè)密封油內(nèi)的油、水蒸發(fā)進入發(fā)電機內(nèi),污染發(fā)電機內(nèi)部氫氣。機組運行中,若發(fā)現(xiàn)環(huán)式密封瓦的回油溫度較高或回油量較少,應停機對密封瓦進行檢查,必要時對其進行調(diào)整。

三、 防止發(fā)電機氫爆措施

為防止發(fā)電機氫爆,必須嚴格從控制氫氣純度和明火2方面出發(fā),做好有關(guān)控制措施,對發(fā)電機充氫、運行、排氫及隔離實施全過程管理。

1.  凡在氫冷發(fā)電機氫氣系統(tǒng)中有檢查、檢修工作,在其排氫后,要關(guān)閉嚴密補氫門,在補氫門后加裝鋼制堵板,使之徹底與氫氣母管隔離。對發(fā)電機內(nèi)、外可能存在死區(qū)的部位用干燥空氣吹掃,并用氫氣檢漏儀測量無氫含量時,方可允許開工。在工作過程中,也要定期進行測量、吹掃。

2.  充氫或排氫過程中,盤車不得運行,防止轉(zhuǎn)盤車局部摩擦而產(chǎn)生火花,引起混合氣體爆炸。

3. 用二氧化碳氣體作為中間介質(zhì)進行充、排氫時,CO2的含量按容積算不得低于98%,水份含量按重量計不得高于0.1%。發(fā)電機內(nèi)充入及排出CO2最好在6 h內(nèi)完成,最多不得超過24 h,主要是防止氣態(tài)CO2在發(fā)電機內(nèi)產(chǎn)生結(jié)露,降低線圈絕緣。

4.   發(fā)電機內(nèi)送入的壓縮空氣,必須經(jīng)干燥器除去水份,并保持機內(nèi)空氣絕對濕度低于15g/m3。

5.  在發(fā)電機充入氫氣置換CO2時,必須遵從以下規(guī)定:①確信通向發(fā)電機的所有空氣管道、閥門隔離;②在排氣管處取樣的氫氣純度高于90%時,方可投入氣體分析器;③在發(fā)電機內(nèi)氫氣純度高于98%、空氣含量低于1.5%時,方可認為氫氣、CO2置換結(jié)束,停止排出混合氣體,提高氫氣壓力至要求的數(shù)值,在提升氫壓過程中,應加強監(jiān)視和調(diào)整密封油壓與氫壓的對應關(guān)系,防止因氫、油差壓閥故障造成漏氫或發(fā)電機進油。

6. 氫氣系統(tǒng)閥門的開關(guān)盡量用手操作,特殊情況下,要用門鉤操作時必須用銅制門鉤進行;進入氫區(qū)工作的操作人員不得穿帶鐵釘?shù)男?。這2項都是為防止產(chǎn)生火花而規(guī)定的。

7. 向發(fā)電機內(nèi)充入的氫氣,其純度不得低于99.5%,含氧量按容積計不得高于0.4%。

8. 發(fā)電機氫置換過程中,嚴格按規(guī)程要求進行,防止置換速度過快,導致高速氫氣流摩擦發(fā)生爆炸,且整個置換過程要連續(xù)、緩慢進行,并保持充、排氣體壓力穩(wěn)定。

9.  在發(fā)電機由CO2置換空氣、氫氣置換CO2全過程中,氫氣干燥器必須保持在備用狀態(tài)。氫氣置換結(jié)束后,打開干燥器氫氣入口門,開啟其放水門稍許,排出其內(nèi)部的混合氣體,排氣5 min后,對排出的氣體取樣分析,當化驗分析合格后,方可關(guān)閉放水門,再投入干燥器運行。

10.  氫冷發(fā)電機密封油系統(tǒng)及氫氣系統(tǒng)一經(jīng)投入運行,就必須象對待整臺機組正常運行一樣進行正常的巡回檢查和維護,每小時對氫、油系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)檢查、記錄1次。

11.  氫冷發(fā)電機組沖車啟動后,就必須每小時對冷氫、熱氫溫度記錄1次,以監(jiān)視發(fā)電機內(nèi)部的運行情況。

12.  每周對主油箱內(nèi)排出的氣體取樣化驗1次,以鑒定是否含氫,如氣體中含有氫,應及時調(diào)整密封油運行情況。

13.  每月進行1次空側(cè)、氫側(cè)直流密封油泵聯(lián)鎖試驗,以保證事故情況下,直流密封油泵能自動聯(lián)起供給充足的油量,確保密封油不中斷運行。

14.  發(fā)電機、勵磁機碳刷冷卻風道小門必須關(guān)閉,以便保持良好的冷卻氣流吹掃,及時將可能殘存的氫氣吹走,防止因碳刷冒火花,導致氫氣、空氣混合氣體爆炸。

15.  發(fā)電機周圍氫區(qū)、密封油系統(tǒng)區(qū)域,嚴禁有明火、摩擦起火或產(chǎn)生靜電火花的作業(yè),如確須動火工作,必須在發(fā)電機排氫、工作點含氫量經(jīng)測試合格、辦理相應的動火工作票、安全措施布置完善及在有關(guān)監(jiān)護人、消防人員均到位后方可開工。