隨著大容量氫冷發電機組的增多,近年來，全國發生了多起大型氫冷發電機組氫氣爆炸事故,事故輕則導致密封油系統管道、發電機內風擋損壞,重則導致發電機定子、轉子線圈損壞或人身傷亡事故,對設備、系統、人身都造成巨大的損失。因此對于大型氫冷發電機內冷所用的介質———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電機停運狀態下發生的,也有的是在發電機運轉過程中發生的,故無論氫冷發電機運行與否,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

當在一定空間內部如一容器中的氫氣含量處于爆炸極限內時,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,在極短的時間內完成燃燒,同時引燃周圍混合氣體燃燒,空間內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，觸發觸發氫氣著火溫度不小585度，最低引爆能量僅為0.02Mj.

3.  氫氣爆炸的實質

氫爆發生的主要條件是氫氣與空氣(實質上是氫氣與氧氣)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點的同時,必須充分考慮到其缺點,對氫冷系統的維護要合理地進行。

二、 發電機內氫氣純度不合格原因分析

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

1.    氫氣純度在線監測裝置和取樣點

該裝置是消除發電機內氫爆的關鍵。目前所制造的氫冷發電機組,均配置有氫氣取樣點和氫氣純度在線監測裝置,使用這套系統可隨時、連續監測到機內氫氣系統的純度值,前提是保證這套系統真實地反映機內的氫氣純度。一般地說,發電機內氫氣純度取樣點設計在距本體底部約150 mm高的位置,這樣可保證取到發電機內部較低位置的氫氣,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而將其堵塞。

2.   發電機的充氫過程

a.在發電機大、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,所充氣體不能將發電機內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.在發電機充氫過程中,位置較低的死區,如發電機三相出線區、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,使局部區域氫氣純度不合格。

c.充入二氧化碳與充入氫氣管道系統使用錯誤,不能有效地將發電機內的空氣排出。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從發電機底部緩慢充入,空氣從發電機頂部逐漸排出,CO2的取樣點在機頂部,檢測發電機內CO2純度達98%后,確認機內空氣排凈,允許充入氫氣。氫氣是從發電機頂部緩慢補入,二氧化碳—空氣混合氣體從發電機底部逐步排出,當發電機氫氣取樣系統所取樣純度達98%時,可認為置換結束。如在此置換過程中,充入CO2與充入氫氣系統閥門切換不正確、排空氣與CO2系統閥門切換不正確,均會影響發電機內氫氣純度值。

3.  發電機運行中氫系統受到污染

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

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

c.密封油含水量較高(來自潤滑油系統)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,而氫側密封油壓高于發電機內氫壓,這使油內的水份等氣體物質逐步緩慢蒸發,散發至發電機內,引起發電機內氫氣純度降低。

d.在發電機停運后,氫冷器內的冷卻水系統未停運,導致氫冷器氣側結露,結出的水受熱后緩慢蒸發與氫氣混在一起,不但增大了氫氣濕度,同時也降低了氫氣純度。

e.發電機氫側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,導致密封瓦內的油溫升高,使得氫側密封油內的油、水蒸發進入發電機內,污染發電機內部氫氣。機組運行中,若發現環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,必要時對其進行調整。

三、 防止發電機氫爆措施

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

1.  凡在氫冷發電機氫氣系統中有檢查、檢修工作,在其排氫后,要關閉嚴密補氫門,在補氫門后加裝鋼制堵板,使之徹底與氫氣母管隔離。對發電機內、外可能存在死區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,防止轉盤車局部摩擦而產生火花,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%。發電機內充入及排出CO2最好在6 h內完成,最多不得超過24 h,主要是防止氣態CO2在發電機內產生結露,降低線圈絕緣。

4.   發電機內送入的壓縮空氣,必須經干燥器除去水份,并保持機內空氣絕對濕度低于15g/m3。

5.  在發電機充入氫氣置換CO2時,必須遵從以下規定:①確信通向發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在發電機內氫氣純度高于98%、空氣含量低于1.5%時,方可認為氫氣、CO2置換結束,停止排出混合氣體,提高氫氣壓力至要求的數值,在提升氫壓過程中,應加強監視和調整密封油壓與氫壓的對應關系,防止因氫、油差壓閥故障造成漏氫或發電機進油。

6. 氫氣系統閥門的開關盡量用手操作,特殊情況下,要用門鉤操作時必須用銅制門鉤進行;進入氫區工作的操作人員不得穿帶鐵釘的鞋。這2項都是為防止產生火花而規定的。

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

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

9.  在發電機由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。氫氣置換結束后,打開干燥器氫氣入口門,開啟其放水門稍許,排出其內部的混合氣體,排氣5 min后,對排出的氣體取樣分析,當化驗分析合格后,方可關閉放水門,再投入干燥器運行。

10.  氫冷發電機密封油系統及氫氣系統一經投入運行,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、油系統的有關參數檢查、記錄1次。

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

12.  每周對主油箱內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,應及時調整密封油運行情況。

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

14.  發電機、勵磁機碳刷冷卻風道小門必須關閉,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.  發電機周圍氫區、密封油系統區域,嚴禁有明火、摩擦起火或產生靜電火花的作業,如確須動火工作,必須在發電機排氫、工作點含氫量經測試合格、辦理相應的動火工作票、安全措施布置完善及在有關監護人、消防人員均到位后方可開工。