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1、第十三章汽轮发电机的氢 冷却及制氢系统,第一节 汽轮发电机的冷却方式,一、外冷式汽轮发电机外冷式又称表面冷却式，其冷却介质为气体（空气或氢气），气体在绕组导线和铁芯的表面流过时与发热体接触，吸收发热体表面的热量后随流动的气流带走。二、内冷式汽轮发电机它是将定子和转子的绕组导线做成中空式，让氢气或水通入导线内部直接将热量带出。而定子和转子的铁芯内冷则是利用开孔或开沟槽，将冷却气体用风扇压入各个被冷却部位，以提高冷却效果。防城港电厂的汽轮发电机采取的是“水氢氢”的冷却方式，即定子绕组导线是中空水冷，转子绕组导线和铁芯是氢冷却。,第二节 氢冷发电机的氢气系统,氢冷发电机的氢气系统主要由气体分配系统，
2、净化设备系统，测量、控制和信号系统及安全消防系统组成。,一、气体分配系统1氢气分配系统氢气分配系统主要由制氢系统、储氢系统、阀门和管路组成。氢冷发电机的氢气来自厂内制氢站。为了使制氢站在故障或正常检修时仍能正常供氢，必须备有足够储氢罐。全部储氢罐的有效容积应能满足10天运行的补氢量和置换最大机组一次用氢量的需要。2空气分配系统氢冷发电机正常时不允许空气作为冷却介质，但在气体置换或风压试验时可用空气为冷却介质。因此，系统中应安装压缩空气系统，以保证有可靠的压缩空气来源。使用前，压缩空气应先经空气干燥器干燥后方可进入系统。发电机充空气后应将系统与氢管路隔绝开，防止氢气漏入机内与空气形成爆炸性气体而
3、发生事故。,二、气体净化设备1氢干燥器在运行过程中，氢气吸收进入机内的湿气会发生强烈的潮湿现象。氢气受潮对设备的危害较大，因此氢系统加了氢干燥器。氢干燥器利用发电机风扇前后的压差作为动力进行循环，除去氢气中的水分。常用的氢干燥器有半导体式和吸附式两种。2空气干燥器为了避免将水分带入机内，压缩空气进入机内前须进行干燥处理。目前主要采用添加吸附剂的循环干燥器进行除湿。,第三节 氢气的理化性质与传热性能,一、氢气的理化性质氢气最轻，相对原子质量1.008，是同体积空气1/14.5，自然界中含1%，无色、无嗅、无味、无毒、可燃用氢气作发电机的冷却介质时，其通风损耗可减少到空气冷却时通风损耗的6.96，
4、使温升减少，发电效率提高。在气体中，氢气的导热能力最好，其导热导数是空气的6.69倍；氢气具有很大的扩散速度，在距离漏点0.25m处氢气基本上已完全扩散。用氢气代替空气作发电机的冷却介质时，既可提高绝缘材料本身的导热能力，又能提高绝缘层间隙中的导热能力，从而提高发电机的冷却效果。氢气的表面散热系数大，是空气的1.5倍。表面散热系数越大，在相同温差下所散发的热量越多，这有利于降低表面温度差，提高冷却效果。氢气常温下化学性质不太活泼，在高温、光照及催化剂存在下，氢气是非常好的还原剂，它能将许多高价氧化物还原为低价氧化物甚至金属。,二、氢气的传热性能氢气是一种优良的冷却介质。主要优点有：（1）可以将
5、发电机的通风损耗降至最小程度。纯度为96%98%的氢气可使发电机的通风损耗降至10.7%8.9%，如果容量不变，氢冷发电机的效率可提高0.8%1.15%。（2）纯氢的表面散热系统是空气的1.5倍，由于表面散热能力的提高，发电机的损耗所产生的热量很快被带走，从而有效地减低了发电机出入口温差。（3）氢气的热导率为空气的6.69倍，在氢气作为冷却介质时使绝缘材料及绝缘内部间隙的导热能力得以改善。,（4）采用氢气冷却的发电机运行噪声较小，而且绝缘材料不易受氧化和电晕的损害。缺点氢气还有很强的渗透性和扩散性。随着温度和压力升高，其渗透能力增大。在一定的温度和压力下，它可渗入钢铁晶格内部，并与晶格间的碳元
6、素反应生成甲烷气体，产生内应力和裂纹，使钢铁的机械性能降低，严重时可引起“氢脆”。氢气的扩散性强、速度快，当氢气系统有泄漏时，只要距泄漏点0.25m以外，就难以找到准确的泄漏点。用氢气作发电机的冷却介质时，也有一定的缺点，就是氢气与空气或氧气容易形成爆炸性气体。,第四节 氢气的监督,一、氢气质量的监督1氢气的质量（1）氢气纯度。氢气与空气（或氧气）按一定的比例形成混合气体，在密闭的容器内受明火触发，会发生爆炸。高纯度的氢气中助燃气很少，一般不会发生燃烧，更不会发生爆炸。氢气不纯，会使气体的密度增加，通风损耗也相应增加。氢气的纯度需要根据设备的安全性、经济性进行综合考虑。发电机运行中氢气纯度会逐
7、渐下降，其中被氢侧回油带入机内的空气量是影响机内氢气纯度的主要因素。因此，在满足密封和冷却的前提下，尽量减小氢侧回油量。此外，气体置换时残存的氮气、机内湿度等都是机内氢气纯度降低的原因。,(2).氢气中含氧量。氧气是氢气燃烧的助燃气，是氢气中的杂质。混合气中氢气、氧气含量达到一定比例后有发生爆炸的危险。同时，含氧量高、氢气纯度低会增加发电机的通风损耗。因此，氢气中含氧量不宜太高。(3).氢气湿度。氢气湿度是指氢气中水蒸气含量。机内氢气湿度高会使氢纯度降低，导致通风损耗增加、效率降低，使铁芯表面生锈，定、转子绕组受潮，绝缘电阻降低甚至造成事故。因此，在氢冷发电机的运行中，氢气湿度的监督是必不可必
8、少的。机内氢气湿度高的原因主要是补氢系统将水分带入机内、气体冷却器漏水、定子和转子绕组的冷却系统漏水及密封油的氢侧回油量大、油中含水量高等。,2氢气监督项目、标准及监督周期执照发电机运行规程、DL/T6511998氢冷发电机氢气湿度的技术要求对氢气质量的监督的规定,二、氢气置换和监督在发电机气体置换时，首要考虑的问题是氢气的爆炸问题。为避免氢气与氧气直接接触，一般采取通过中间介质的间接置换或真空置换方式进行。间接置换方式在电力系统应用广泛。它用性能稳定的CO2气体或N2作为中间介质，以达到把机内的氢气换为空气，或者把空气换为氢气的目的。1发电机充氢时的监督用氮气排出空气时在二氧化碳母管的取样门
9、取样，分析氮气纯度达95%以上，含氧量小于2%时开始充氢，氢气纯度达96%以上时，充氢合格。,2发电机排氢时的监督用氮气置换氢气时在氢母管的取样门取样，分析氮气纯度达95%以上、氮气中含氢量小于3%时，排氢结束。由于发电机不允许氮气长时间运行，因此需用压缩空气排出发电机内的氮气，当机内空气含量大于90%时，充空气结束。发电机的气体置换是一项非常重要的操作，它关系到设备和人身的安全。在监督中应安排2名有经验的化验员进行分析，并且需要进行平行试验以保证分析的准确性。,三、发电机漏氢氢气是最轻、渗透性和扩散性很强，因此容易造成漏泄。1发电机的漏氢途径.机壳内的氢气通过机上的漏泄点漏到机壳外的空气中，
10、成为外漏。由于其扩散速度快，一般危险性较小。.由于密封系统的平衡阀性能不好，使氢侧油窜入空侧而被空侧回油带入主油箱，在主油箱内形成爆炸气体，这属于内漏。运行中应定期分析主油箱的排烟机的含氢量。.在水氢氢式发电机中，定子绕组的内冷水压低于机内氢压。当冷却系统严密性遭到破坏时，氢气就会进入定子绕组，这也是内漏。此时通过分析发电机内冷水箱的含氢量可发现此类漏氢情况。,2发电机找漏氢气找漏的方法主要有肥皂水找漏和仪器找漏两种。.肥皂水找漏。它是一种简单易行、效果良好的方法，主要用于停机后的找漏。.微量氢测定仪找漏。运行中常采用微量氢测定仪进行找漏。根据表计指示的氢气浓度，能大致地判断出漏氢的严重程度。
11、微量氢检测仪主要是由气敏电阻组成，它是一种由氧化亚锡构成的多微孔状物质，当遇到还原性气体（如：氢气），半导体的电导率增加，阻值下降。微量氢检测仪是电力系统常用的检测仪器，它的准确性将直接影响设备和人身的安全。因此，在使用时应严格按说明书操作并按要求定期进行灵敏度和准确性检定。,四、氢爆问题1氢爆概念氢气的着火、燃烧和爆炸是氢气的主要特性。氢的燃烧性能好，氢氧焰可达3400K的高温。纯氢的火焰无色，氢燃烧的产物是水，不污染环境。氢气的着火温度较高，但其着火能量很小。当氢气空气混合物中氢气纯度为30%时，就很容易着火。甚至化学纤维织物产生的静电能量也比氢气着火能量大几部。因此，在接触氢气的环境中，
12、应尽量减少和防止静电的积聚。氢气的燃烧过程由于密闭、引燃的状况和气体成分的不同，可成为爆燃和爆轰这两种燃烧反应之一。,2发生氢爆的条件（1）氢气在其与空气（氧气）的混合气体中的含量达到一定的比例：当氢气在空气中的体积含量为4.0%75.0%，或氢气在氧气中的体积含量为4.65%94.0%，才形成易爆性气体。其中4.0%与4.65%为爆炸下限、75.0%与94%为爆炸上限。（2）混合气体处于密闭的容器内。（3）有明火触发。,3氢气着火氢气是一种能自燃的可燃性气体。常温下，氢气的化学性质不十分活泼，但在明火引燃或触媒剂的作用下，与氧气发生反应。氢气着火的部位都是漏氢的地方，尤其是运行中温度较高的地
13、方或氢气急剧漏出的地方，如引出线套管铜棒处、氢母管等。由于机内或管内氢压高，氢气着火时火焰一般只向外喷。因此，应设法切断氢源或用二氧化碳进行灭火。,第五节电解水制氢原理,电解水制氢的原理：电解是指电解质溶液在直流电流的作用下所发生的一种化学反应过程。电解质水产生21的H2和O2。电解反应为：阴极反应：2 H2O2e H22OH-阳极反应：4OH-4e O22H2O 总反应：2H2O 2H2O2 由于纯水的电阻率很大，电流很小，产气率很低。因此生产实践中通常加入某种电解质，增加水溶液的导电性能，以提高产气率。同时考虑到电解槽和电极板的防腐和盐类沉积，大都加入KOH。,第六节CNDQ5103.2系
14、列制氢装置,一、CNDQ5103.2系列制氢装置概述电解水制氢装置即在电解液中浸没一对电极，电极中间隔以防止气体渗透的隔膜构成水电解池，当电极通过一定电压的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。水电解制氢装置所采用的电解液为KOH（或NaOH）溶液，溶液中的KOH（或NaOH）起催化剂的作用，并不参与电解反应，故理论上并不消耗。电解槽是一体化水电解制氢装置中的核心设备，它由若干水电解池组合而成，每个水电解池我们称之为一个电解小室。由电解槽所产生的氢气还含有少量的水分等杂质，必须将氢气进行干燥、过滤等处理才能得到满足要求的氢气。,制氢装置工艺流程方块图,三、CNDQ5103.2系
15、列制氢装置的构成 本装置由框架(制氢框架)、框架（气体分配框架）、框架（水碱箱框架）、整流装置、控制柜、配电装置、计算机管理系统及除盐水冷却装置组成。1.框架(1000)框架由电解槽、氢、氧分离器、氢洗涤器、循环泵、碱液过滤器、干燥器、冷却器、气水分离器、氢气过滤器等组成。电解槽为压滤式双极性结构,一端下部有进液管,另一端上部有氢、氧气液出口，中间极板为直流电的正极,两端极板为负极。给电解槽加上一定的直流电压，电解槽内部就会发生电解反应产生氢气和氧气，氢气经分离和洗涤后送入干燥塔吸附所含的水分。,电解槽外形图,2.框架(1200)装置，其进口与框架相连，出口分别与储氢罐和发电机组供氢管道相连接
16、。该框架可以将框架输出的成品氢气送入各储罐储存，在发电机组需要补氢时，将储罐内储存的氢气减压后送入补氢管道。3.框架(1600)框架包括水箱、碱箱和加水泵。用于碱液的配制和储存、原料水的储存以及为制氢装置提供原料水及碱液。4.整流装置 整流装置由整流变压器、整流柜组成，用于供给电解所需直流电源。,5.控制柜及计算机管理系统控制柜由PLC、电磁阀、安全栅、测量及控制仪表组成，计算机管理系统主要由上位机及打印机组成。控制系统通过PLC及相关的检测仪表来实现自动控制、自动检测、自动调节、自动充罐、显示、故障报警、连锁、自动开机及停机等功能，同时PLC通过通讯电缆将相关数据和信息送上位机进行显示和记录
17、。6.配电装置 配电装置一般由配电柜和MCC柜组成，用于为制氢系统所有动力装置的提供电源，并接受来自控制柜的控制信号实现循环泵、加水泵、整流装置及风机等设备的自动启停。,7.除盐水冷却装置除盐水冷却装置由除盐水箱、两台循环水泵、换热器及控制箱构成，该装置将用户提供的除盐水储存于除盐水箱，同时由除盐水箱、循环水泵、换热器及各用水设备构成闭式循环用于为制氢系统提供冷却水，除盐水循环所带出的热量在换热器中与外接工业冷却水进行交换，从而保证除盐水温度满足制氢设备的要求。该装置的控制系统自成一体，可以保证装置的独立使用，同时也可接受来自控制柜或其它设备的远操信号。,四、制氢装置工艺流程由电解水制氢装置的
18、工艺流程图可知，由电解槽电解出来的氢气经分离洗涤器进行洗涤和冷却后，经过洗涤器顶部除去雾滴后，经调节阀送入储存罐。电解槽电解出来的氧气经分离洗涤器，分离后的氧气经过调节阀排放。由氢、氧分离洗涤器出来的碱液经过过滤和冷却后，由循环泵送回电解槽。电解槽的碱液也由循环泵注入，而纯水则由专用水泵送入氢、氧分离洗涤器。,1.氢气系统从电解槽各小电解室阴极分解出来的氢气汇合后，与携带的碱液一起由碱液循环泵送入氢气分离器。在重力作用下，氢气与碱液分离，分离出的氢气进入洗涤器进行洗涤和冷却，然后经过洗涤器顶部除去液滴后，经氢气调节阀，进入干燥装置除湿后进入储存系统备用。即流程为：电解槽 氢气分离器 氢气洗涤器
19、 调节门 干燥装置 氢气储罐,2氧气系统从电解槽的各小电解室阳极分解出来的氧气汇合后，与携带的碱液一起由碱液循环泵送入氧气分离器。在重力作用下，氧气与碱液分离，经气动薄膜调节阀后放空。即流程为：电解槽 氧气分离器 调节门 放空,3电解液循环系统从电解槽的阴极和阳格各小室电解出来的氢气或氧气，都携带有一部分碱液，分别在氢气分离洗涤器和氧气分离器中依靠重力作用进行气、液分离，碱液在分离器底部的连通管中汇合，经碱液过滤器除去机械杂质，再经碱液冷却器冷却降温后进入碱液循环泵，经泵加压后输回电解槽，完成一个循环。即流程为：,4.补充水系统在电解过程中，随着氢气和氧气的生成，原料水不断被消耗，为此必须向电
20、解系统供应符合一定要求的原料水(电导率5s/cm，氯含量2mg/L，悬浮物1mg/L)。补充水由纯水箱供给，纯水箱中的水通过补水泵送入氢气分离洗涤器，或送至碱液循环泵入口，与循环碱液一起输入电解槽。补充水系统的流程为纯水箱 补水泵 氢气洗涤器 氢气分离器 碱液循环系统,5.碱液补充水电解过程中，碱起到增加电导作用，理论上不消耗，正常运行中一般不需补充碱。如确需补充碱时，可在碱箱中配置少量碱液（浓度可稍高一些），然后启动加水泵经过止回阀、球阀直接注入氧分离器中。碱液补入完毕后，可再补入一些原料水以清洗管道，然后将阀门切至氢洗涤器侧。,6冷却水系统冷却水分为四路：第一路：进入整流柜以冷却可控硅整流
21、元件，使整流柜能正常工作。第二路：经过冷却水调节阀TV1001进入氢、氧分离器内部蛇形管，以冷却循环碱液，从而达到控制系统工作温度的目的。第三路：经过球阀Q1102进入氢气冷却器，以冷却进入干燥系统的氢气。第四路：经过球阀Q1704进入水封，此冷却水为常流水，由球阀Q1704调节流量。,7排污系统在电解槽底部、碱液过滤器底部、气体冷却器底部以及水泵、原料水箱、碱液箱底部都装有专门的排污口，用以排出各种污物和残液、杂质等。第一路：框架的排污口（排污阀Q1008）。用于拆洗过滤器时排出过滤器内的液体。第二路：气水分离器底部的气动球阀QZ1101排出的水；以及通过氢气冷却器底部的气动球阀QZ1102排出的冷凝水，二者进入积液罐中。积液罐中的水由气动球阀QZ1103排出。第三路：框架的排污阀Q1303、Q1304分别供清洗水、碱箱时排污用。,8贮气系统与控制系统氢气可通过框架进入氢气贮罐，也可直接引至汽机房。控制系统主要由控制柜及在框架上安装的一次仪表及变送器组成。9气体排空系统电解制氢装置刚开车时，氢气纯度达不到标准，一般是排空，待纯度合格后再充氢，由微机控制氢气纯度。当故障时，也可打开排空阀排空。,氢气分离洗涤器,氢气冷却器,氧气分离器图,电解液过滤器,
