预防电厂氢气爆炸事故
随着大容量氢冷发电机组的增多,近年来，全国发生了多起大型氢冷发电机组氢气爆炸事故,事故轻则导致密封油系统管道、发电机内风挡损坏,重则导致发电机定子、转子线圈损坏或人身伤亡事故,对设备、系统、人身都造成巨大的损失。因此对于大型氢冷发电机内冷所用的介质———氢气,作为1个重要课题来研究实属当务之急。
有的氢气爆炸是在发电机停运状态下发生的,也有的是在发电机运转过程中发生的,故无论氢冷发电机运行与否,都必须引起各级工作人员的高度重视。
一、 氢气爆炸原理
1. 氢气爆炸的过程
当在一定空间内部如一容器中的氢气含量处于爆炸极限内时,遇到明火,局部首先着火,并放出大量的热量,使生成的水蒸汽体积膨胀,压力急剧增大,在极短的时间内完成燃烧,同时引燃周围混合气体燃烧,空间内的压力猛然急剧增大,这就形成了爆炸。
2. 氢气爆炸的条件
a.混合气体必须充放在一定的容器中;
b.氢气在空气中的体积含量为4%~75%,或氢气占氧气中体积含量的4.65%时，便形成一种易爆性的混合物。
c. 有明火，触发触发氢气着火温度不小585度，最低引爆能量仅为0.02Mj.
3. 氢气爆炸的实质
氢爆发生的主要条件是氢气与空气(实质上是氢气与氧气)的混合气体中氢气的体积含量达到4%~75%时,在明火的作用下,极易迅速发生化学反应,该反应同时释放出大量的热量、引燃周围同样够条件的气体,生成物急剧膨胀,并形成连锁反应,直至所有混合气体全部反应结束为止。在氢气混合物中,之所以要求氢含量要有一定的限定,是因为氢含量低于某一限度时,少量的氢气与空气中的氧气发生反应所生成的热量弥补不了散失的热量,不能使周围的混合气体达到着火温度;反之,若混合气体中的氢气含量高于75%时,则因缺氧而无法燃烧,形不成爆炸。氢气混合物爆炸的威力相当大,故在利用氢气比热较大优点的同时,必须充分考虑到其缺点,对氢冷系统的维护要合理地进行。
二、 发电机内氢气纯度不合格原因分析
从以上案例可见,发电机氢爆十分可怕,其损失也相当严重,而避免发电机氢气系统爆炸,则必须严格控制形成氢爆2个条件的各种因素。
1. 氢气纯度在线监测装置和取样点
该装置是消除发电机内氢爆的关键。目前所制造的氢冷发电机组,均配置有氢气取样点和氢气纯度在线监测装置,使用这套系统可随时、连续监测到机内氢气系统的纯度值,前提是保证这套系统真实地反映机内的氢气纯度。一般地说,发电机内氢气纯度取样点设计在距本体底部约150 mm高的位置,这样可保证取到发电机内部较低位置的氢气,使所取氢样尽可能具有代表性,另外,这样设计可避免油污进入取样系统而将其堵塞。
2. 发电机的充氢过程
a.在发电机大、小修后充氢即由二氧化碳置换空气、氢气置换二氧化碳的过程中,充排放气体速度过快,所充气体不能将发电机内部异种气体逐层排净,使得氢气中混杂其它气体而变得纯度较低。
b.在发电机充氢过程中,位置较低的死区,如发电机三相出线区、氢气干燥器等位置较低部位,未进行排放,将有部分比重较大的异种气体存留在机内,使局部区域氢气纯度不合格。
c.充入二氧化碳与充入氢气管道系统使用错误,不能有效地将发电机内的空气排出。正常情况下,因CO2比重较空气比重稍大,在CO2置换空气过程中,CO2从发电机底部缓慢充入,空气从发电机顶部逐渐排出,CO2的取样点在机顶部,检测发电机内CO2纯度达98%后,确认机内空气排净,允许充入氢气。氢气是从发电机顶部缓慢补入,二氧化碳—空气混合气体从发电机底部逐步排出,当发电机氢气取样系统所取样纯度达98%时,可认为置换结束。如在此置换过程中,充入CO2与充入氢气系统阀门切换不正确、排空气与CO2系统阀门切换不正确,均会影响发电机内氢气纯度值。
3. 发电机运行中氢系统受到污染
a.在某些具有真空除氢的密封油系统中,真空系统漏空,空气与所回收的氢气一起返回发电机内,污染了整个氢气系统。
b.在双流环式密封油系统中,氢、空侧密封油压调整不当,氢侧油压高出空侧油压较多,大量的氢侧油漏入空侧油中,这样就不断地有含大量空气的空侧油补入氢侧密封油中,含空气的油在去沫器内释放出空气,此后与氢气返回至发电机内,致使发电机内异种气体增多,污染了发电机内的氢气。
c.密封油含水量较高(来自润滑油系统)时,尤其在夏季,因通过密封油冷却器的冷却水温较高,导致密封油温也较高,而氢侧密封油压高于发电机内氢压,这使油内的水份等气体物质逐步缓慢蒸发,散发至发电机内,引起发电机内氢气纯度降低。
d.在发电机停运后,氢冷器内的冷却水系统未停运,导致氢冷器气侧结露,结出的水受热后缓慢蒸发与氢气混在一起,不但增大了氢气湿度,同时也降低了氢气纯度。
e.发电机氢侧密封油密封瓦与大轴间的间隙过小,这样通过密封瓦间的油量较少,导致密封瓦内的油温升高,使得氢侧密封油内的油、水蒸发进入发电机内,污染发电机内部氢气。机组运行中,若发现环式密封瓦的回油温度较高或回油量较少,应停机对密封瓦进行检查,必要时对其进行调整。
三、 防止发电机氢爆措施
为防止发电机氢爆,必须严格从控制氢气纯度和明火2方面出发,做好有关控制措施,对发电机充氢、运行、排氢及隔离实施全过程管理。
1. 凡在氢冷发电机氢气系统中有检查、检修工作,在其排氢后,要关闭严密补氢门,在补氢门后加装钢制堵板,使之彻底与氢气母管隔离。对发电机内、外可能存在死区的部位用干燥空气吹扫,并用氢气检漏仪测量无氢含量时,方可允许开工。在工作过程中,也要定期进行测量、吹扫。
2. 充氢或排氢过程中,盘车不得运行,防止转盘车局部摩擦而产生火花,引起混合气体爆炸。
3. 用二氧化碳气体作为中间介质进行充、排氢时,CO2的含量按容积算不得低于98%,水份含量按重量计不得高于0.1%。发电机内充入及排出CO2最好在6 h内完成,最多不得超过24 h,主要是防止气态CO2在发电机内产生结露,降低线圈绝缘。
4. 发电机内送入的压缩空气,必须经干燥器除去水份,并保持机内空气绝对湿度低于15g/m3。
5. 在发电机充入氢气置换CO2时,必须遵从以下规定:①确信通向发电机的所有空气管道、阀门隔离;②在排气管处取样的氢气纯度高于90%时,方可投入气体分析器;③在发电机内氢气纯度高于98%、空气含量低于1.5%时,方可认为氢气、CO2置换结束,停止排出混合气体,提高氢气压力至要求的数值,在提升氢压过程中,应加强监视和调整密封油压与氢压的对应关系,防止因氢、油差压阀故障造成漏氢或发电机进油。
6. 氢气系统阀门的开关尽量用手操作,特殊情况下,要用门钩操作时必须用铜制门钩进行;进入氢区工作的操作人员不得穿带铁钉的鞋。这2项都是为防止产生火花而规定的。
7. 向发电机内充入的氢气,其纯度不得低于99.5%,含氧量按容积计不得高于0.4%。
8. 发电机氢置换过程中,严格按规程要求进行,防止置换速度过快,导致高速氢气流摩擦发生爆炸,且整个置换过程要连续、缓慢进行,并保持充、排气体压力稳定。
9. 在发电机由CO2置换空气、氢气置换CO2全过程中,氢气干燥器必须保持在备用状态。氢气置换结束后,打开干燥器氢气入口门,开启其放水门稍许,排出其内部的混合气体,排气5 min后,对排出的气体取样分析,当化验分析合格后,方可关闭放水门,再投入干燥器运行。
10. 氢冷发电机密封油系统及氢气系统一经投入运行,就必须象对待整台机组正常运行一样进行正常的巡回检查和维护,每小时对氢、油系统的有关参数检查、记录1次。
11. 氢冷发电机组冲车启动后,就必须每小时对冷氢、热氢温度记录1次,以监视发电机内部的运行情况。
12. 每周对主油箱内排出的气体取样化验1次,以鉴定是否含氢,如气体中含有氢,应及时调整密封油运行情况。
13. 每月进行1次空侧、氢侧直流密封油泵联锁试验,以保证事故情况下,直流密封油泵能自动联起供给充足的油量,确保密封油不中断运行。
14. 发电机、励磁机碳刷冷却风道小门必须关闭,以便保持良好的冷却气流吹扫,及时将可能残存的氢气吹走,防止因碳刷冒火花,导致氢气、空气混合气体爆炸。
15. 发电机周围氢区、密封油系统区域,严禁有明火、摩擦起火或产生静电火花的作业,如确须动火工作,必须在发电机排氢、工作点含氢量经测试合格、办理相应的动火工作票、安全措施布置完善及在有关监护人、消防人员均到位后方可开工。