《发电机氢气系统》word版

600MW发电机氢气系统

一、发电机本体通风结构简介

1 发电机基本构成

图发电机结构原理图

图发电机剖视图

汽轮发电机主要由定子、转子、端盖和轴承等部件组成，具体的发电机结构见图4-11和图4-12所示。

2 发电机冷却方式

发电机的发热部件，主要是定子绕组、定子铁芯（磁滞与涡流损耗）和转子绕组。必须采用高效的冷却措施，使这些部件所发出的热量散发除去，以使发电机各部分温度不超过允许值。

我厂发电机采用水－氢－氢冷却方式，即发电机定子绕组及引线是水内冷，发电机的转子绕组是氢内冷，转子本体及定子铁芯是氢表冷。为此，发电机还设有定子内冷水冷却系统，发电机氢冷系统和为防止氢气从轴封漏出的密封油系统。

3 发电机定子

发电机定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部分组成。

1）机座与端盖

机座是用钢板焊成的壳体结构，它的作用主要是支持和固定定子铁芯和定子绕组。此外，机座可以防止氢气泄漏和承受住氢气的爆炸力。

在机壳和定子铁芯之间的空间是发电机通风（氢气）系统的一部分。由于发电机定子采用径向通风，将机壳和铁芯背部之间的空间沿轴向分隔成若干段，每段形成一个环形小风室，各小风室相互交替分为进风区和出风区。这些小室用管子相互连通，并能交替进行通风。氢气交替地通过铁芯

的外侧和内侧，再集中起来通过冷却器，从而有效地防止热应力和局部过热。

图4-14 机座弹性隔振结构

4 发电机通风系统

发电机以氢气作为主要冷却介质，采用径向多流式密闭循环通风方式运行，定子绕组采用单独的水冷却系统，而氢气冷却系统，包括风扇盒氢气冷却器完整地置于发电机内部。

1）定子通风系统

发电机定子铁芯沿轴向分为15个风区，7个进风区和8个出风区相间布置。装在转子上的两个轴流风扇（汽、励侧各一）将风分别鼓入气隙和铁芯背部，进入背部的气流沿铁芯径向风道冷却进风区铁芯后进入气隙；少部分风进入转子槽内风道，冷却转子绕组；其它大部分再折回铁芯，冷却出风区的铁芯，最后从机座风道进入冷却器；被冷却器冷却后的氢气进入风扇前再循环。这种交替进出的径向多流通风保证了发电机铁芯和绕组的均匀冷却，减少了结构件热应力和局部过热。为了防止风路的短路，常在定转子之间气隙中冷热风区间的定子铁芯上加装气隙隔环，以避免由转子抛出的热风吸入转子再循环。

2）转子通风系统

图4-20 转子通风冷却方式

转子通风冷却方式如图4-20所示，分为下面两种情况：

①转子本体段的导体冷却采用的气隙取气径向斜流式通风系统：在转子线棒凿了两排不同方向的斜流孔至槽底，于是，沿转子本体轴向就形成了若干个平行的斜流通道。通过这些通道，冷却用氢气交替的进入和流出转子绕组进风口的风斗，迫使冷却氢气以与转子转速相匹配的速度通过斜流通道到达导体槽的底部，然后拐向另一侧同样沿斜流通道流出导体。从每个进风口鼓进的冷风是分成两条斜流通道向两个方向流进导体，同样，有两条出风通道汇流在一起从出风口流出进入气隙。因此，每个通道从平行线棒纵向切面看成“V”形，而垂直线棒横断面投视图为“U”形。

②由于任何数量的斜流段都可以沿轴向排列，因而转子绕组的这种结构设计方式与转子长度无关，具有很方便的灵活性。日立所供发电机共分成15个风区（7进8出），每个风区有8个通道，共81个通风道。转子通氢冷却通风孔个数：进风区一个槽里面有48个孔，共有32个槽，合计32×48=1536个；出风区一个槽里面有56个孔，共有32个槽，合计32×56=1792个；用于端部冷却每一段为4个孔，两端共8个孔。沿转子长度方向，高温出风区和低温进风区交替分布。同时定子的进出风区与转子的进风区相匹配，并采用静止挡风板以限制热风在转子中的再循环，另外，从定

子流进气隙的气流量比进入转子的气流量大，进一步降低转子热气量的再循环。因此转子铜线温度比较均匀。

对于转子两端绕组，斜流气隙取气系统所冷却不到的部分，冷却气体由风扇压迫进入护环下的轴向风道（第7个进风区），然后从本体端部由径向风道进入气隙。

二、概述

发电机氢冷系统的功能是用于冷却发电机的定子铁芯和转子，并采用二氧化碳作为置换介质。发电机氢冷系统采用闭式氢气循环系统，热氢通过发电机的氢气冷却器由冷却水冷却。运行经验表明，发电机通风损耗的大小取决于冷却介质的质量，质量越轻，损耗越小，氢气在气体中密度最小，有利于降低损耗；另外氢气的传热系数是空气的5倍，换热能力好；氢气的绝缘性能好，控制技术相对较为成熟。但是最大的缺点是一旦于空气混合后在一定比例内（4%～74%）具有强烈的爆炸特性，所以发电机外壳都设计成防爆型，气体置换采用CO2作为中间介质。

QFQS—600-2型汽轮发电机是采用水氢氢冷却方式，定子绕组为水冷，转子绕组为氢气内冷，铁心为氢气外部冷却。发电机内的气体转换，手动维持氢压稳定，维持氢气纯度均由外部气体控制系统保证，氢气系统为集装结构型式。

氢气系统主要由氢站的高压储氢罐、备用氢瓶，置换用的CO2钢瓶，氢气干燥器，氢气减压器，氢气过滤器，纯度分析器，液体探测，氢气露点仪组成，向发电机转子绕组和定子铁芯提供适当压力、高纯度的冷却用氢，同时还要完成对氢气的冷却、干燥及检测。

三、主要技术参数

露点：当空气中水汽含量不变且气压一定时，如气温不断降低，空气将逐渐接近饱和，当气温降低到使空气刚好到达饱和时的温度称为露点（温度）。

露点（DewPoint）温度较高的气体其所含水蒸气也较多将此气冷却后其所含水蒸气的量即使不发生变化相对湿度增加当达到一定温度时相对rh达到100%饱和此时继续进行冷却的话其中一部分的水蒸气将凝聚成露。此时的温度即为露点温度（DewPointTemperature）。露点在0℃以下结冰时即为霜点（FrostPoint）。

由于空气一般是未饱和的，故露点常常比气温低，只有空气达到饱和时，露点才和气温相等。故根据露点差可大致判断空气的饱和程度。露点差越大，相对湿度越低。

相对湿度是指空气中实际含有的水蒸气量（绝对湿度）与当时温度下饱和水蒸气量（饱和湿度）的百分比。

湿度：它表示在一定温度下，空气中的水蒸气距离该温度时的饱和水蒸气量的程度。相对湿度愈大，空气越潮湿，反之，则越干燥。因此相对湿度表示空气的干湿程度。在仓库温湿度管理中，检查库房的湿度大小，主要是观测相对湿度的大小。绝对湿度、饱和湿度和相对湿度三者的关系如下：相对湿度=绝对湿度饱和湿度×100%

在温度不变的情况下，空气绝对湿度愈大，相对湿度就愈高，绝对湿度愈小，相对湿度就愈低；在空气中水蒸气含量不变的情况下，温度愈高，相对湿度就愈小，温度愈低，相对湿度就愈高。

绝对湿度（Absolutehumidity) 单位体积（1m3）的气体中含有水蒸气的质量（g）。表示∶D=g/m3 但是即使水蒸气量相同由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化即绝对湿度D发生变化。D为容积基准。

相对湿度（Relativehumidity）气体中的水蒸气压（e）与其气体的饱和水蒸气压（ｅs）的比／用百分比表示。表示∶rh=e/es×100% 但是温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化rh 也将随之而变化。

饱和水蒸气压（SaturationVaporPressure）气体中所含水蒸气的量是有限度的达到限度的状态即可称之为饱和此时的水蒸气压即称为饱和水蒸气压。此物理量亦随着温度压力的变化而变化并且0℃以下即使同一湿度与水共存的饱和水蒸气压（esw）和与冰共存的饱和水蒸气压（esi）的值不同通常所采用的是与水共存的饱和水蒸气压（esw）。各温度对应的饱和水蒸气压表JIS-Z-8806在卷末记载。

气体控制系统用来保证实现发电机内气体转换，维持机内氢气压力,纯度,温湿度的特定要求，以确保发电机安全满发运行。

设计参数为：

额定氢气压力：0.4MPa(表压)

氢气纯度:≥98%正常, ≤95%报警

氢气湿度(露点)：－5℃～－25℃氢气压力在0.4MPa。

本系统提供氢气经双母管（其中之一用来装氢气瓶），由制氢站经

过滤器过滤后进入发电机的供氢方式。氢气母管上装有压力表，以监视气气压力。

发电机漏氢量：≤10Nm3/24h

最大氢气压力（发电机壳内）0.42MPa(g)

压力允许变化范围 0.38~0.42 MPa(g)

发电机机壳内氢气纯度

额定 98 %

最小 95 %

发电机补氢纯度 99 %

发电机补氢湿度 -50℃

置换的气体容积和时间（包括发电机机壳和管路）

发电机氢气系统充气体积110 m3（电机容积）

氢气总补充量（在 0.4 MPa(g)额定氢压时）

保证值（双流环）≤10 Nm3/24h

氢系统控制盘制造厂哈尔滨电机厂有限责任公司型式集装式

四、技术要求

发电机内空气和氢气不允许直接置换，以免形成具有爆炸浓度的混合气体。通常应采用CO2气体作为中间介质实现机内空气和氢气的置换。本氢气控制系统设置专用管路、CO2控制排、置换控制阀和气体置换盘用以实现机内气体间接置换。发电机内氢气不可避免地会混合在密封油中，并随着密封油回油被带出发电机，有时还可能出现其它泄漏点。因此机内氢压总是呈下降趋势，氢压下降可能引起机内温度上升，故机内氢压必须保持在规定范围之内，氢气中的含水量过高对发电机将造成多方面的影响，通常均在机外设置专用的氢气干燥器，它的进氢管路接至转子风扇的高压侧，它的回氢管路接至风扇的低压侧，从而使机内部分氢气不断的流进干燥器得到干燥。

1)发电机氢冷系统及氢气压力自动控制装置应能满足发电机充氢、自动补氢、排

氢及中间气体介质置换工作的要求，应能自动监测和保持氢气的额定压力、规

定纯度及冷氢温度、湿度等。（现为手动补氢）

2)发电机氢冷系统为闭式氢气循环系统，热氢通过发电机的氢气冷却器由冷却水

冷却。氢气冷却器冷却水入口温度为33℃。

3)当一个冷却器因故障停用时，发电机至少能输出80%额定负荷。发电机应设置

氢气干燥器(采用分子筛式)，其出口氢气应设非水银湿度指示器，干燥装置应

保证在额定氢压下机内氢气露点不大于－5℃同时又不低于－25℃。

4)发电机氢冷系统及氢气控制装置的所有管道、阀门、有关的设备装置及其正、

反法兰附件材质为不锈钢，并应使布置便于运行操作，监视和维护检修。

5)发电机每组氢冷却器应设置冷却进、出水双金属温度计与流量指示。

6)氢系统氢气纯度、压力、湿度、温度除设有防爆型就地指示和报警装置外，还

应设置输出4-20mAD C远传信号及继电器干接点线号，数量满足控制要求。

7)氢气直接冷却的冷氢温度不超过46℃。

8)氢气纯度不低于95％时，应能在额定条件下发出额定功率。但计算和测定效率

时的基准氢气的纯度应为98％。氢气纯度低，一是影响冷却效果，二是增加

通风损耗。

9)发电机输出额定容量时，机壳内氢气压力为0.4MPa（g）。机壳和端盖，应能承

受压力为1.0MPa(g)历时15分钟的水压试验，应保证运行时内部氢爆不危及人

身安全。

10)氢气冷却器工作水压为0.25~0.35MPa(g)，试验水压不低于工作水压的2倍，

历时15分钟无泄漏。氢气冷却器按单边承受1.0MPa（g）压力进行设计。