水电解制氢原理运行与监督1.docx

1、水电解制氢原理运行与监督1第一章 汽轮发电机的冷却 第一节 汽轮发电机的发热与冷却汽轮发电机在运行过程中，存在着能量损耗。这些能量损耗最终都会转化为热能，使发电机的转子和静子等部件发热；如果不及时把这些热量带走，发电机的温度会升高，影响发电机的正常安全运行和寿命。因此，在运行时必须把发电机的温度控制在正常范围内。为保证发电机的运行温度控制在允许温度内，大型汽轮发电机都是密闭式的，冷却介质在密闭系统内带走热量，再和冷却器中的另一冷却介质进行热交换，这样热量就被带到发电机系统外，使发电机的运行温度维持在一正常范围。 一、发电机的能量损耗种类1、定子绕组和转子绕组的电阻损耗定子绕组和转子绕组所用导线

2、材料为纯铜线或银铜线。汽轮发电机在运行时，定子绕组和转子绕组导线内有电流通过，绕组导线的电阻作用下而产生电阻热，电能转化为热能形成能量损耗。2、定子和转子的铁心损耗定子和转子铁芯在发电机交变磁场作用下会发热，这部分发热会提高发电机运行时的温度。由于是铁芯在交变磁场作用下产生的热量，因此其实质是电能转化为热能的形式的能量损失。3、机械损耗转子本体与冷却气体的摩擦会产生热量；冷却气体在风扇作用下摩擦会产生热量；发电机轴承摩擦会产生热量；其它形式的摩擦生热还包括滑环电刷和冷却水摩擦时产生的热量。这些热量都是由机械能转化为热能而产生的热量。上述在发电机内产生的废热如不及时排出发电机外部，机体温度会逐渐

3、升高而产生一系列问题，这些问题会影响发电机的正常、安全运行。二、发电机温升及其影响发电机机体内部产生的热量逐渐累积，机体内部的温度会逐渐升高。温升对发电机内的绝缘材料和金属材料会产生很大影响。温度升高后，对绝缘材料主要的影响是绝缘性能和使用寿命；金属材料在温度升高后主要的一影响是金属强度和硬度，一般来说，发电机内应用最广的铜及合金材料的强度和硬度都是随温度升高而降低。因此，为了保证发电机能正常运行，必须使发电机机体温度维持在合理范围内，发电机在设计和运行中都明确了温升限值和运行温度要求。第二节 发电机冷却方式与介质现代大型汽轮发电机机体内部冷却按照冷却介质分类主要包括两种：一种是水冷却，一种是

4、氢气冷却。水冷却主要是用于定子绕组或转子绕组的直接冷却，也称为水内冷。氢气冷却主要用于定子、转子线圈的直接冷却和发电机机体内部的气隙通风冷却。冷却介质（水或氢气）在其流道内循环，然后和冷却器另一侧的冷却水进行热交换，这样冷却介质被冷却，发电机机体的热量不断被带走。不同型号、不同生产厂家的汽轮发电机组内部的冷却方式的技术特点各不相同，但其基本原理相同。一、氢气的性质氢元素是宇宙中分布最广的一种元素，在地球上主要以化合状态存在于化合物中，如水、煤、天然气、石油、各种生物的组成中。以单质形态氢气为存在形式的量很少，只有在100公里以上高空的主要成分才是氢气。但是在地球上要制取单质态的氢气却不是一件困

5、难的事情。氢气的主要特性和性质如下：（1）氢气物理性质无色、无嗅、无味，不溶于水；粘度在气体中最小；在标准状态下，密度为0.0697g/L,大约为同状态空气的1/14。是气体中最轻的一种。导热能力强，其导热率为空气的6.7倍。上述两种特性使之适合成为发电机的冷却介质。氢气具有很强的扩散性和渗透性，在一定的温度和压力下，能渗透进入金属材料引起材料脆化。氢气是窒息气体，可使肺部缺氧致动物死亡。当空气中的含量达50%时即有明显反应，到75%时即可致死。（2）氢气的化学性质氢气的化学性质主要体现为还原性质，最主要的是和氧的反应。而和氧的反应主要体现为燃烧和爆炸性能。氢的燃烧性能见下表：氢气燃烧和爆炸的

6、主要性能在空气中的燃烧范围（体积%）4.075.0着火能（微焦）20在空气中的爆轰范围（体积%）18.059.0燃烧热（Kcal/g.mol）68在氧气中的燃烧范围（体积%）4.6594火焰温度（）2045在氧气中的爆轰范围（体积%）18.358.9空气中的着火温度()585上述数据表明，氢气的燃烧性能主要特点是：着火能很低，只有20微焦，所以很容易着火，甚至化学纤维物质摩擦所产生的静电放电的能量已比氢气的着火能大几倍，当遇到空气中有合适的含量时，放电足以点燃。因此，在含氢的区域应有放静电的措施。燃烧热值和火焰温度高；氢气浓度在适当含量时，在空气或氧气中能燃烧或爆轰，爆轰可简单理解为爆炸。在氢

7、气工作区域，尤其是气体流通不畅的位置必须检测氢气浓度。二、氢气冷却介质的特点1、导热系数为空气的7倍，在同一温度的流速下，相对传热系数系数为空气的1.5倍；2、纯氢的密度为空气的1/14，若纯度为96%,其密度为空气的1/10，通风损耗仅为空气的1/10。3、氢气在加压后的温升成反比减小。4、氢气在机体内通风冷却时不会产生有害于绝缘的臭氧和氮氧化物。5、氢不助燃，有利于防火。6、需增加供氢和控制设备，结构复杂，投资维修大。7、在非正常条件下，会发生爆炸。三、水冷却介质的特点水具有很大的比热和导热系数、无毒、不助燃、粘度小，是很好的冷却介质。作为发电机的冷却介质，水的电导率是一项非常重要的指标，

8、为了保证水在冷却时具有合格的电绝缘性，使泄漏电流很小。因此，必须使水具有极低的电导率，同时兼顾防止导线腐蚀的要求，还要使水具有合格的pH值。四、定子冷却水的技术要求与控制根据GB/T12145-1999火力发电机组及蒸汽动力设备水质量的要求和DL/T801-2002大型发电机内冷水质及系统技术要求规定，要求内冷水的pH为7.09.0，电导率2S/cm（25，双水内冷机组为3.0s/cm），铜离子10g/L（双水内冷机组为40g/L）。但在常见的内冷水处理的设计中，内冷水只进行旁流混床处理，内冷水系统的pH值往往偏低，铜含量较大，电导偏高。华北电科院开发的NLS-01型发电机内冷水优化处理装置能

9、将系统出水pH值控制在8.09.0的范围内，此时内冷水系统的电导率一般能稳定在1.02.0s/cm（25，双水内冷机组为3.0s/cm），符合DL/T8012002要求，冷却水中的铜离子含量可维持在10g/L（双水内冷机组为40g/L）以下，彻底解决发电机内冷水铜导线腐蚀问题。其主要原理是在内冷水的循环流程中加入了微量加碱程序，这样通过微量加碱调整内冷水的pH值，通过混床的旁流处理维持内冷水的电导率。整个装置的运行完全自动控制，现在该装置已在在现场广泛应用。以下为该装置在某厂的运行情况，投运以来，各项指标均在理想的状态下运行，内冷水水质为：PH=8.0-8.7，DD=1.0-1.6us/cm,

10、Cu2+一般在5ug/L以下。下面的数据为该厂化学专业的查定数据：分析日期Cu2+(ug/L)DD(us/cm)6月13日3.21.256月20日14.21.266月29日1.00.977月5日3.31.137月12日1.01.407月18日1.01.148月2日1.01.098月9日1.01.078月16日1.01.108月21日1.00.95该装置运行后，内冷水成为无限接近氢氧化钠和水的理想混合物。这样一来，内冷水的电导率和pH值依据物理化学定律存在定量关系。其关系计算如下：设氢氧化钠的浓度为A摩尔/升 ，有如下电离反应： 根据电中性条件，可得如下等式：因为 远小于故可令： （=50.1欧

11、姆厘米2/摩尔，=197.6欧姆厘米2/摩尔，分别为钠离子和氢氧根离子的当量电导） 微姆/厘米 (1)pH =14+ 将氢氧化钠的浓度转化为钠含量计量时，可得到（表示钠的浓度，单位为ppb）(2) .(3)（1）式、（2）式和（3）式即为氢氧化钠浓度与电导率和pH的关系。举例：pH分别为8.5、8.6、8.7、8.8、9.0时，水中含量(以含钠量表示)、电导率、pH值的计算结果如下表。钠离子的浓度与pH、DD计算值pH8.58.68.78.89.0DD（S/cm）0.780.981.231.52.45Na（ppb）7391115145230依据上述计算结果，可以检查内冷水系统电导表和pH表的准

12、确性，并监督内冷水系统的运行情况。第三节 发电机冷却的相关系统在实际应用中，一般有如下三种冷却系统：（1）定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢冷的水-氢-氢冷却系统。（2）定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、铁芯氢冷的水-水-氢冷却系统。（3）定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、铁芯空冷的水-水-空冷却系统（双水内冷）。600MW机组的大型汽轮发电机组多采用第（1）种冷却系统，它包括发电机定子线圈内冷水系统、发电机转子内冷及铁芯冷却氢气系统和发电机的密封油系统。下面以这种方式为对象说明发电机冷却的相关系统。一、发电机定子冷却水系统1、系统概述 定子线圈冷却水系统是一个组装式的闭式循环系统，原理系统图

13、如下：运行时依靠水泵为动力在以此进入冷却器、过滤器、定子线圈的进口、定子线圈、定子线圈出口、水箱。在循环过程中热量不断从定子线圈中带出，在冷却器中带走。系统中的水泵、冷却器和过滤器为双路并列设置，互为备用以提高系统的可靠性。水箱中设有蒸汽加热装置用来加热冷却水以防止发电机低温天气启动时定子线圈结露。本系统的功能有：采用冷却水通过定子线圈空心导线，将定子线圈损耗产生的热量带出发电机。用冷却器带走冷却水从定子线圈吸取的热量。系统中设有过滤器以除去水中的杂质。用旁路式离子交换器对冷却水进行除盐，控制其电导率；实际应用中如前所述多采用优化装置在控制电导率的同时，同时控制定子水的pH值。使用检测仪表及报

14、警器件等设备对冷却水的电导率、流量、压力及温度等进行连续的监控。具有定子线圈反冲洗功能，提高定子线圈冲洗效果。水系统中的所有管道及与线圈冷却水接触的元器件均采用抗腐蚀材料。 （8）监测发电机定子线圈可能产生的泄漏。2、发电机线圈冷却水路系统定子线圈冷却水通过外部进水管进入发电机励端定子机座内的环形总进水管，其中一路通过聚四氟乙烯绝缘水管流入定子线棒中的空心导线，然后从线圈的另一端经绝缘引水管汇入环形出水管；另一路经绝缘引水管流入定子线圈主引线，出主引线后经绝缘引水管汇入安置在出线盒的出水管，然后也经外管道汇入汽端环形出水管。双路水流最后从汽端机座上部流出发电机，经总出水管返回到水箱。环形进水管

15、和出水管的顶部通过一根排气管相互连接，排气管直接和水箱相通，用以排除定子线圈中的气体。该排气管还可在水系统断水时起防止虹吸的作用。总进、出水管之间装有压差表计和一系列压差开关，用于指示冷却水通过定子线圈的水流压降，并对不正常的压降发出报警信号。外部总进、出水管上各装有一个测温元件和一个温度开关，用于进、出水管的监测和报警。此外，总进水管上还装有锥形过滤器，用于防止较大尺寸的杂质进入定子空心导线。总进水管上装有压力表用于指示进水压力。在总进水管和发电机定子机座之间还装有压差开关。压差开关的高压端接至定子机座内部（氢压），低压端与总进水管（水压）相连。正常运行时，发电机内的氢压应高于定子线圈进水压

16、力。当发电机内氢压下降到仅高于进水水压35kPa时，该压差开关将动作并发出“氢水压差低”报警信号。3、水箱水箱是闭路循环水系统中的一个储水容器。定子线圈的出水首先进入水箱，回水中如含有微量的氢气可在水箱内释放。当水箱内气压高于一定值时，可通过水箱上安全阀自动排气。水箱装有液位开关，用于自动控制补水以保持箱内正常的液位水平及对过高或过低的液位发出报警。水箱上还配有液位计，用以观察水箱液位。由于少量高压氢气可渗过聚四氟乙烯绝缘引水管而进入定子水系统中，最终汇集于水箱上部。因此，在发电机运行时，水箱上部聚有氢气是正常的现象。机组初运行是因机内氢气湿度可能偏高，同时定子线圈内部循环水温度又可能过低，为

17、防止定子线圈表面结露，水箱内还装有蒸汽加热装置，以便在机组升压和投入运行之前对定子线圈内部的循环水进行加热，从而杜绝线圈表面结露现象的发生。4、水泵定子水系统中装有两台并联的离心式水泵，两台水泵互为备用。二台水泵通常具有联动功能，即一台水泵退出运行时，备用水泵能立即自动启动。5、水冷却器水系统中装有两台并联的水冷却器，每台冷却器可承担发电机100所需要的热交换功率。正常情况下一台运行，另一台备用。6、水过滤器定子水系统中装有两台并联的水过滤器，正常情况下一台运行，另一台备用。过滤器的作用是为防止杂物进入定子线圈的通道内，整个定子水系统的的垫片均应采用聚四氟材料，而不能采用橡胶垫片。因为橡胶垫片

18、容易随时间和温度变化而老化，老化后会变成碎末，有进入系统的危险。7、内冷水的水质控制水系统的功能是保持进入定子线圈的冷却水处于合适的低电导率值，这是因为定子绝缘引水管须承受定子线圈对地电压。水系统运行时，从冷却水路中旁路一小部分的冷却水，使水流经一台混床式离子交换器来实现冷却水的低电导率。大型发电机内冷却水质及系统技术要求DL/T801-2002中规定的水质要求如下：水质要求见表1。表1 水质要求pH值（25）电导率（25）S/cm硬度mol/L含铜量g/L溶氨量g/L溶氧量g/L7.09.02.02.04030030a.全密闭式内冷却水系统在实际应中单一采用离子交换混床方式通常不能达到上述水

19、质要求采用内冷水处理优化装置能满足低电导率和pH值的控制要求。8、氮气压力系统水系统水箱是密闭的。在水箱液位以上的空间应充有一定压力的氮气，以隔离空气对水质的不良影响。氮气来自供氮气装置，冲入水箱的氮气压力，由氮气减压器自动稳定在14KPa。当发电机内充有氢气时，此时少量氢气可通过聚四氟乙烯绝缘引水管渗入冷却水并在水箱内释放。为防止水箱内压力过高，水箱上装有开启值为35KPa的安全阀。当水箱内不充氮气时，水系统仍可运行。9、补充水系统水系统的补充水来自于锅炉的凝结水系统或除盐水系统。补充水依序通过补水过滤器、减压阀、电磁阀（或旁路阀）、流量开关和离子交换器，然后进入水箱。电磁阀的开闭由位于水箱

20、上的液位开关控制。为了防止补充水进水压力过高，进水管道上还装有安全阀。10、气表定子水箱排气管道上装有气表，用以监视并记录从水箱中排出气体的数量。在正常运行情况下，每天约有50150升的氢气通过绝缘引水管汇集到水箱。当流过气表的流量明显增大并伴有发电机补氢量增加时，提示定子内冷水路可能泄有漏。二、发电机氢气系统1、概述氢气系统包括支持氢气在发电机内的密闭循环的相关系统。包括供氢系统、供二氧化碳装置、气体监测装置、气体干燥装置、发电机漏水漏油监测装置。氢气在发电机内循环完全完全密闭，因而相对独立，不在说明介绍。氢气系统的主要功能有：提供对发电机安全充氢和排氢的设备，用二氧化碳作置换介质。维持机内

21、气体压力为所需值。在线显示机内氢压、纯度及湿度。干燥氢气排去可能从密封油进入机内的水汽。对漏入机内的液体(油或水)及时发出信号。2、供气装置氢气供气装置提供必需的阀门、压力表、调节器和其它设备将氢气送进发电机内，它还提供用以调节机内氢气压力的压力调节器，或者借助于压力调节器手动调节发电机内所需的氢气压力。二氧化碳供气装置在气体置换期间将二氧化充入发电机内。无论是氢气还是二氧化碳，都通过设置在发电机内顶部和底部的汇流管道，均匀地分布到发电机内各个地方。3、氢气干燥器氢气干燥器用来降低机内氢气的湿度，有循环吸附式和冷凝式两种。循环吸附氢气干燥器循环吸附式氢气干燥器采用分子筛硅胶作为吸附材料，通过外

22、配磁力驱动防爆氢风机，对发电机内氢气进行机外循环吸附干燥，降低发电机内氢气露点(湿度)。自动控制干燥器双筒的切换及干燥或再生，从而把发电机内的氢气露点控制在要求的范围内。冷凝式氢气干燥器冷凝式氢气干燥器采用冷凝的原理，发电机内风扇压差迫使氢气通过制冷装置流动，含有水分的热氢气遇到冷管壁时，水分在管壁上结露而析出，从而达到干燥氢气的目的。一般配置二台冷凝式氢气干燥器，可以一台干燥运行，一台化霜，也可以互为备用。4、漏液检测器漏液检测器是指装在发电机和主出线盒下面的浮子开关，其可指示出发电机内可能存在的任何液体。在机壳的底部最可能积液的地方设有开口，将积聚的液体排到漏液检测器，每一个漏液检测器装有

23、一根回气管通到机壳，使得来自发电机机壳的排液管能够气流畅通。回气管和排液管都装有截止阀。另外为了能排除积聚的液体，漏液检测器的底部还装有积液排放阀。5、气体纯度及压力监测装置气体纯度仪是利用气体的传导式原理来在线测量发电机机内氢气或二氧化碳气体的纯度。气体纯度仪提供了发电机在不同工况下的气体纯度，即充二氧化碳置换空气时的二氧化碳纯度、正常运行时的氢气纯度、充氢排二氧化碳时的氢气纯度或充二氧化碳排氢气时的二氧化碳纯度。压力监测装置也具有就地指示报警功能。在正常运行中，发电机内氢气压力过高或低时，发出报警。6、氢气温度报警(冷氢气温度)发电机里设有氢气温度开关，当发电机内的冷氢气温度过高时能发出报

24、警。7、氢压控制装置氢压控制装置由压力开关、氢压调节阀、阀门和压力表等组成。该装置的顶部表计平时指示机内氢气压力，当调整氢压调节阀的输出压力时，则用于指示此时整定压力值。装置的底部表计指示氢源压力。氢源侧装有一个压力开关，当供氢压力低于整定值时发出报警。8、电机绝缘过热监测装置该装置能诊断发电机内绝缘局部过热故障，经机内气体采样进行质谱分析以后，能区分发电机定子线棒、铁芯和转子绕组不同部位绝缘过热故障，该装置安装于发电机下部，并有输出信号。注意：此仪器不能有油或水进入。9、发电机内气体的置换气体置换应在发电机静止或盘车时进行，同时密封油系统应投入运行。 (1) 气体置换 发电机的充氢和排氢工作

25、均应借助中间介质（二氧化碳或氮气）来进行。不允许使用真空法置换。置换时气体系统的压力应保持在最低允许值。在置换过程中，应定期取出气体混合物试样进行分析，直到气体含量合格为止。 用二氧化碳作为中间介质时，二氧化碳气体的纯度按容积计不得低于98%，水分的含量按重量计不得大于0.1%。用氮气作为中间介质时，氮气的纯度按容积计不得低于97.5%，水分的含量按重量计不得大于0.1%，并不得含有带腐蚀性的杂质。 向机内充氢时，新鲜氢气的纯度按容积计不得低于99.5%，氧气和其它气体的含量按容积计不大于0.5%。新鲜氢气在常压下的湿度为露点温度不高于25。 气体置换一般在转子静止状态下进行，也可在盘车状态下

26、进行，但不得在启动过程中进行。 氢冷发电机通过中间介质置换气体的步骤如下： 由空气置换为氢气时： a) 用二氧化碳气体或氮气充满气体系统，以驱出空气。 b) 用氢气充满气体系统，以驱出二氧化碳气体或氮气。 由氢气置换为空气时： a) 用二氧化碳气体或氮气充满气体系统，以驱出氢气。 b) 用空气充满气体系统，以驱出二氧化碳气体或氮气。 置换时：从气体系统中切断差压表、氢气气体分析器及其操作电源，并将自动补氢装置停用。各个阀门的操作顺序和相应的开闭状态，应在现场规程中明确规定。 置换发电机内的空气（以二氧化碳为例）：在置换过程中，发电机应处于停机或盘车状态。而且密封油系统必须投入运行。通过发电机底

27、部的二氧化碳输送管通入二氧化碳，空气通过氢气入口管排放到大气中，发电机内部二氧化碳的压力维持在1030kPa的范围内。从氢气入口管和气体不易流动的死区(如氢气分离器的箱里)取样，用二氧化碳分析仪检测二氧化碳含量均达85%则排除空气工作结束。当置换管路中的二氧化碳的纯度达到85以后，方可向发电机内充氢气。氢气通过氢气汇流管进入发电机顶部，二氧化碳和空气的混合物通过二氧化碳入口管排放到大气中。在排放二氧化碳与空气混合物的过程中，发电机内的氢气压力维持在1030kPa范围内。当发电机处于充氢气状态时，用氢气-二氧化碳纯度分析仪检测氢气在混合气体中的百分含量（从二氧化碳排出管和气体不易流动的死区取样）

28、，百分含量均达到95以上且发电机内氢气纯度高于置换出来的气体纯度，则充氢工作结束。 当发电机内氢气在混合气体中的纯度达到95时所需的氢气体积大约为发电机容积的2倍， 置换发电机内的氢气在置换氢气的过程中，发电机应处于停机或盘车状态，并且保证密封油系统投入运行，管道中的阀门开启状态应与二氧化碳置换空气时的阀门状态一致。维持发电机内气体压力在1030kPa范围内，切实保证二氧化碳在发电机内部的气体纯度在90以上。用二氧化碳置换发电机内氢气的体积大约为发电机容积的2倍，排氢气过程要求充氢气阀门关闭并有效隔离，保证氢气不得进入发电机。氢气排放完成后,在发电机内部进行处理或者焊接以及切割连接管路之前，要

29、用干燥的空气置换二氧化碳。二氧化碳置换完成后，要对发电机内部进行氧含量的安全检测。如气体混合物中空气的含量达到90%时，则认为空气充满气体系统的工作结束。发电机充氢氢冷发电机在正常运行时，氢气纯度应在95%或以上。发电机静止情况下，从发电机顶部汇流管充氢，需加入2.5倍发电机容积的氢气，发电机内的氢气纯度就能达到95%，此时取样管路接通到机座的底部汇流管。发电机运行时补氢氢冷发电机在正常运行期间，当氢侧密封油泵运行时，氢气纯度通常保持在95%或以上，当氢侧密封油泵关闭时，氢气纯度通常保持在90%或以上，必须补氢的原因是：氢气的泄漏，这就需要以补氢来维持氢气压力（称漏补）。空气的渗入，因此要求以

30、补氢来维持氢气纯度（称纯补）。对于双流密封瓦密封系统，氢侧密封油压跟踪空侧密封油压并基本保持相等。理论上，氢侧密封油和空侧密封油之间不能互相交换，但是由于两个油源之间压力上的变化，在双流密封瓦处将发生一些油量交换。进入空侧回油中的氢气，在空侧回油箱内由排烟装置排除，进入氢侧回油的空气逸出汇入机内氢气中，时间一长将导致氢压和纯度下降，为了保持纯度必须纯补。发电机排氢发电机的排氢，是通过在机座底部汇流管充入二氧化碳，使氢气从机座顶部汇流管排出去，为了使机内混合气体中的氢气含量降到5%，应充入足够的二氧化碳，排氢应在发电机静止或盘车时进行，需要两部发电机容积的二氧化碳。充二氧化碳时，从发电机机座顶部汇流管采样，充入的二氧化碳应使二氧化碳纯度读数达到95%。发电机排二氧化碳发电机排氢后，二氧化碳也不宜长时间封闭在机内，如机内需要进行检修，为确保人身安全，必须通入空气把二氧化碳排出。由于空气比二氧化碳轻，可以通过临时橡皮管（在二氧化碳排除后即拆除），把经过滤的压缩空气引入机内上方汇流管，把二氧化碳从底部排出。 也可以打开机座顶部的人孔，用压缩空气或风扇把空气打入机内驱出二氧化碳。如果必须立即通过人孔观察或进入机内检查，应采取预防措施防止吸入二氧