大型氫冷發電機吸附式氫氣提純方法研究

時 準，劉 銳

（上海電氣電站設備有限公司上海發電機廠，上海 200240）

大型氫冷發電機內氫氣純度是一項重要的運行和監測指標，與發電機效率直接相關。隨著氫氣純度的降低，機內混合氣體的熱容量和導熱性能均降低（氫壓一定時），而其密度卻顯著上升，這將導致氣體溫度和發電機本體溫度上升，發電機的通風摩擦損耗增加，發電機效率降低［1］。因此，相關國家標準及行業標準對氫氣純度有明確要求：氫冷電機內氫氣純度（體積分數）不低于95%時，應能在額定條件下發出額定功率，但計算和測定效率時的基準氫氣純度應為98%［2］；發電機內氫氣純度按容積計應在96%以上，且最好運行在氫氣純度98%以上以提高效率［3］。因此，為使機組能夠安全、經濟、穩定地運行，嚴格保證發電機內氫氣純度非常重要。

而實際上，發電機在運行時，受平衡閥自身調節精度、油壓波動、密封瓦磨損間隙變大或密封油溫度波動等因素的影響，不可避免地會出現空氣等雜質氣體進入發電機內導致機內氫氣純度下降，進而降低發電機效率的情況。目前，電廠普遍采用排氫、補氫的方法來提高機內氫氣純度，但是這些人工補氫方法增加了安全風險，而且需要持續付出較多的人力和財力。

本文分析了大型氫冷發電機內氫氣純度提升的經濟效益和社會效益，提出了一種全新的吸附式氫氣提純方法，并對該提純方法的有效性進行了模擬試驗驗證和理論計算分析。

1 氫氣純度提升的經濟效益和社會效益

圖1 氫冷發電機損耗與氫氣純度的關系Fig.1 Relationship between loss and hydrogen purity in hydrogen-cooled turbogenerator

圖2 氫冷發電機效率與氫氣純度的關系Fig.2 Relationship between efficiency and hydrogen purity of hydrogen-cooled turbogenerator

因此，若氫冷發電機內氫氣純度能從95%提升至99%，按機組年均運行6 000 h 計算，其直接損耗可降低1.2 × 106kW·h，相當于每年節約430 t 標準煤，減少1 072 t 二氧化碳排放。

可見，在氫冷發電機實際運行時，如果能持續確保其機內氫氣純度，則可以有效提升發電機效率，從而帶來可觀的經濟效益和社會效益。

2 吸附式氫氣提純方法原理和流程

為了提高實際運行時氫冷發電機內氫氣純度，本文提出了一種全新的吸附式氫氣提純方法，并開發了吸附式氫氣提純裝置。該方法的基本原理是，利用專用吸附劑吸附發電機內氣體中氧氣、氮氣、二氧化碳等雜質氣體，從而提高氫氣純度。在發電機連續運行時，應用該方法，預期可以將機內氫氣純度長期保持在99%以上。

吸附式氫氣提純裝置主要技術參數如表1 所示。

表1 吸附式氫氣提純裝置主要技術參數Tab.1 Main technical specifications of adsorptionbased hydrogen purification device

吸附式氫氣提純裝置的主要流程如圖3 所示。該裝置由兩個吸附塔、管路、閥門及控制系統組成，其中，兩個吸附塔可相互切換，以實現一個吸附運行、一個再生，滿足機組運行過程中氫氣連續提純需要。氫冷發電機內氫氣從“入口”進入該裝置，經電動角閥PVA1 流入吸附塔A 中進行雜質氣體吸附提純處理（閥門PVB1、PVA2、PV1 關閉），處理后的高純度氫氣經電動角閥PVA3（閥門MV 微開、PVB3 關閉），從“出口”返回發電機內；同時，吸附塔B 處于再生狀態，將吸附劑中雜質氣體排至排空管路。當吸附塔A 內吸附劑飽和時，將其切換為再生狀態，同時將吸附塔B 切換為吸附狀態，如此雙塔交替循環運行，實現機組運行過程中氫冷發電機內氫氣連續提純。

圖3 吸附式氫氣提純裝置流程圖Fig.3 Operation flow of adsorption-based hydrogen purification device

3 吸附式氫氣提純方法的試驗驗證

為了驗證該吸附式氫氣提純裝置的有效性和實用性，對其進行了模擬試驗。

3.1 模擬試驗系統流程

模擬試驗系統根據氫冷發電機實際運行配置進行設計，其流程如圖4 所示。從模擬發電機（體積約2 m3）引出的氣體依次流經氫氣循環風機、氫氣干燥器和吸附式氫氣提純裝置，最后回到模擬發電機。其中，純度檢測儀用于檢測從模擬發電機引出的氣體中氫氣純度，也即模擬發電機內氫氣純度。

總結來看，該系統希望從高校的實際財務狀況出發，解決傳統中人工方式管理固定資產的主觀瓶頸，體現“互聯網+”創新技術優勢，確保資產從進入高校到報廢一系列流程都有效順暢，確保固定資產更好地為高校教育提供服務。

圖4 模擬試驗流程圖Fig.4 Flow chart of simulated experiment

3.2 模擬試驗過程

吸附式氫氣提純模擬試驗步驟為：

（1）靜態檢查：所有設備氣密試驗、電氣試驗均合格，外觀無異常；將所有設備按圖4 正確連接后，再按相關要求進行氣密試驗；

（2）氣體置換：模擬發電機真實氣體置換流程，先用CO2置換系統內空氣，再用H2置換系統內CO2，直至機內氫氣純度達到95%，然后持續充氫將氫壓提升至0.5 MPa；

（3）系統調試：將氫氣循環風機、氫氣干燥器和吸附式氫氣提純裝置等的參數設定在正常工作值；

（4）模擬發電機運行工況：為模擬發電機空氣滲入較多的工況，通過壓縮空氣接口C 送入空氣（流量取0.04 Nm3·h-1），然后投運吸附式氫氣提純裝置，檢測并記錄模擬發電機內氫氣純度的變化，5 min 記錄一次。

（5）氫氣提純模擬試驗2 h 后，釋放模擬發電機內氫氣，使其壓力降至20 kPa 左右，然后用CO2置換系統內氫氣，再用空氣置換CO2，完成模擬試驗。

3.3 模擬試驗結果

在吸附式氫氣提純裝置的處理能力為20 Nm3·h-1，氫氣提純裝置出口氫氣純度為99.99%時，根據模擬試驗結果，得到模擬發電機內氫氣純度隨時間的變化如圖5 所示。

圖5 氫氣純度模擬實驗結果隨時間的變化Fig.5 Changes of hydrogen purity with time in the simulated experiments

由圖中可見，采用該吸附式氫氣提純方法，可在2 h 內將模擬發電機內氫氣純度從95%提升到99.6%，因此可以認為，即使在發電機內滲入較多空氣的情況下，該方法也有足夠的能力將機內氫氣純度提升至99%以上。

4 氫冷發電機機內氫氣提純效果的計算分析

發電機內氫氣純度提升過程是一個邊提純、邊惡化的逐步迭代提升過程。某一時刻tn發電機內氫氣純度an是前一時刻tn-1（tn-1=tn-Δt，Δt為時間間隔）發電機內氫氣純度an-1、氫氣提純裝置出口氣體對發電機內氫氣純度的提升q1、雜質氣體對發電機內氫氣純度的降低q2及日常補氫所含雜質氣體對發電機內氫氣純度的降低q3的代數和，即

在Δt內提純裝置出口氣體對發電機內氫氣純度的提升q1為

式中：Q為氫氣提純裝置處理能力，Nm3·h-1；P為氫氣提純裝置出口氫氣純度，%；V為在標準狀態下發電機機內氣體總量，Nm3。

在Δt內從外部進入發電機的雜質氣體對發電機內氫氣純度的降低q2為

式中，x為雜質氣體進入發電機內的平均流量，Nm3·h-1。

在Δt內發電機日常補氫所含雜質氣體對發電機內氫氣純度的降低q3為

式中：N為發電機氫源補氫流量，Nm3·h-1；a0為發電機氫源補氫純度，%。

將式(2) ～ (4)代入式(1)，可得某一時刻tn發電機內氫氣純度an為

式中：n≥2，且為正整數；當n=2 時，a1為初始狀態的機內氫氣純度。

應用上述方法對上述模擬試驗工況進行計算，可得到模擬發電機內氫氣純度隨時間的變化，如圖6 所示。

圖6 氫氣純度計算結果隨時間的變化Fig.6 Changes of hydrogen in the simulated experiments purity with time

比較圖5、6 可見，計算結果與模擬試驗結果的整體變化趨勢一致，而且將模擬發電機內氫氣純度由95%提升至99.6%所需的時間相同，因此，應用上述計算方法可以預測本文開發的吸附式氫氣純度提純技術的提純效果。

對于實際運行的大型氫冷發電機，機內氫壓為0.5 MPa，運行允許的氫氣最低純度為92%、氫氣純度最大下降速度為0.3%·d-1、最大補氫量為0.75 Nm3·h-1，發電機氫源補氫純度為99%?？紤]到最惡劣工況下氫氣提純能力，假設發電機運行過程中氫氣純度最大下降速度為運行允許的氫氣純度最大下降速度的1.5 倍，即氫氣純度下降0.45%·d-1，則對于QFSN-660-2 型雙流環氫冷發電機，其雜質氣體進入發電機的平均流量約為0.1 Nm3·h-1。如果氫氣提純裝置的最大處理能力為100 Nm3·h-1，提純后返回機內的氫氣純度為99.9%，則應用式(5)可得機內氫氣純度隨時間的變化如圖7 所示。

圖7 氫冷發電機機內氫氣純度隨時間的變化Fig.7 Changes of hydrogen purity in hydrogen-cooled generator with time

由圖中可以看出，即使在比較惡劣的條件下，也可以在20 h 后將發電機機內氫氣純度由92%提升至99.5%以上。

目前，該吸附式氫氣提純方法已在有關電廠投入實際應用，并取得了預期效果。

5 結 論

為解決大型氫冷發電機運行過程中機內氫氣純度下降問題，提出了吸附式氫氣純度提純方法，并開發了吸附式氫氣提純裝置。模擬試驗及計算分析結果表明，試驗結果與計算結果一致，該吸附式氫氣提純裝置可以滿足電廠大型氫冷發電機實際運行過程中機內氫氣連續提純需要。