摘要:现代大型火电机组普遍使用氢冷发电机组，机组在启停过程中，为保障安全性，常需要用二氧化碳来作为中间介质来实现发电机内部空气与氢气的互换。当前电网装机容量过剩，加上调峰需求，以及日常检修，机组启停较为频繁，因而二氧化碳置换氢气操作也相对较多起来，如何提高置换效率，降低二氧化碳的使用量成为提高公司经济效益的重要一方面。本文通过对本厂对置换中问题进行分析，提出切实可行优化方案。
关键词：发电机；气体置换；二氧化碳使用量
引言：本厂发电机组型号为：N600—24.2/566/566，发电机采用水-氢-氢冷却方式。为了避免空气与氢气直接混合发生爆炸，在启机过程中将空气置换为氢气，或者在停机后检修将氢气置换为空气，中间必须采用二氧化碳作为中间媒介，发电机启动前，充氢前保证二氧化碳浓度达到85%，停机排尽发电机内的氢气，先要二氧化碳达到95%时，方可引进空气[1]。随着近年来机组启停越来越频繁，置换经济支出也越来越大，此专项开支已经成为一个不可忽视的经济问题，合理高效的使用二氧化碳成为生产成本控制的重要一环，降低二氧化碳使用量长期亦将为公司提供可观经济效益。
1.当前现状以及存在的问题
2017年机组进入负荷深度调峰阶段，随着经济下滑，用电负荷逐年下降，机组的闲置率将上升，对机组的断续中长期保养也要求进行发电机的气体置换过程，机组由往年的“停运次数少/每次停运时间长”转化为“停运次数增多/每次停运时间缩短”模式，而后者明显对置换气体用量需求增大，如下表所示，列出了近年两台机组年停运情况：
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通过上表可以看出，机组停运次数逐年增加，二氧化碳耗用量与日俱增，这也需要改进方法降低气体置换使用量。#2机组近年来启停次数明显增加，平均每年约为4次，按照每启停一次置换两次二氧化碳计算，一年需要置换8次，每次置换约120瓶，耗时2至4个工作日，而同类兄弟电厂的用量却是80瓶左右，因而有较大改进空间。
2.原因分析及对策
2.1存在问题可能的原因
针对上述现状提出以下几种可能原因。（1）运行人员节约监督意识不强，技能不足导致二氧化碳瓶内未用尽或者过度置换；（2）置换时排氢门开的过大或者一直常开；（3）置换时二氧化碳或氢气未充分静置；（4）置换管路存在泄漏，二氧化碳加热器未投入使用或加热程度不够；（5）二氧化碳瓶内纯度不足，压力不合格；（6）置换时氢气压力过高，未进行提前排氢。下面对这些原因进行逐条分析。
2.2运行人员节约意识不足或水平不足
通过长达一个月的监督调查，发现运行人员严格按照培训及规程要求进行参数控制，基本能够满足合理运行，并且通过开展班组内师带徒及培训讲课等活动，强化了人员的调整技术水准，普遍提高了运行人员的业务水平。在进行二氧化碳汇流排充气现场，有专人值班，并且每一瓶二氧化碳都是经过检验合格出厂，现场配备压力表，可以保证二氧化碳瓶绝大部分都用尽，二氧化碳的纯度化验也是定期及时进行，在接近置换尾声还增加化验次数，过度置换的瓶数可以保证在1～2瓶以内。因此可以确定此项因素为次因。
2.3置换时排氢门开的过大或者一直常开
按照以往置换的压力标准，保证在20KPa，不能高于此值，每次置换排氢门开度都比较大，二氧化碳平均瞬时充气量也较大，往往使刚冲入的二氧化碳快速流动，部分混合氢气排入大气，而且机内压力往往呈现微下降趋势，通过大量实例证明，一直保持常开或开度过大会造成气体的快速排放，最终置换瓶数都较高（大于100瓶），适当降低开度以及保持发电机内压力稍高可以明显降低二氧化碳消耗量。此项因素为主因。
针对#2机组往常启停机二氧化碳置换时排氢门开度过大或一直保持常开、置换压力不高于20KPa的情况，现场指派人员进行排氢门开度的调整，维持发电机内部压力在20KPa～30KPa，观察总二氧化碳置换使用量随之变化状况。不改变汇流排压力，通过就地控制排氢门不同开度来调控发电机置换速度，并且统计最后二氧化碳用量。
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由上表可知，红色为往常调整值，不改变汇流排压力，通过就地控制排氢门不同开度来调控发电机置换，发现在合理的压力范围之内（20～30KPa）随着压力的增高、排氢门开度减小，发电机气体置换二氧化碳使用瓶数和置换时间均有所减少。
2.4置换时二氧化碳或氢气未充分静置
在置换的某个实例中，因为中途二氧化碳耽误了供应而人为关闭了补排气门一段时间，后发现该次置换使用二氧化碳总量较往常有降低，而后通过一段时间的实践观察，发现通过静置分层可以有效降低二氧化碳总消耗量。因此可以确定此项因素为主因。
我们用置换与静置分层交替进行替代置换全程“边补边排”，采取每置换4～5小时静置半小时方案，收集参数制成下表（表2-2）。
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通过上表可以看出，置换与静置分层交替进行方案明显大幅降低了二氧化碳使用瓶数，但是在置换时间上并无优势，与相关研究表明通气置换法通常具有较高效率结果相符[2]，而且二氧化碳长时间在发电机内停留将有产生绿垢的风险[3]。
2.5置换管路存在泄漏，二氧化碳加热器未投入使用或加热程度不够
通过对整个置换管路进行检查维护，并现场采用测氢仪进行漏气检测，未发现泄漏状况，同时通过长期检测发现，二氧化碳加热器在置换时均可以及时提前投入运行，加热后气体温度正常，符合规程要求。因此可以确定此项因素为次因。
2.6二氧化碳瓶内纯度不足，压力不合格
通过检查入厂二氧化碳瓶压力及纯度，随机抽样检测入厂二氧化碳罐装瓶均经过严格检测，纯度和压力符合行业标准，因此可以确定此项因素为次因。
2.7置换时氢气压力过高，未进行提前排氢
我厂历次二氧化碳置换氢气之前，均需将氢气压力排尽或降低至20～40KPa，每次都进行了提前排氢。因此确定此条为次要因素。
2.8二氧化碳充气压力过小
以往充二氧化碳压力一般设定以发电机内恒定在20KPa为准，本次技术攻关中在历次启停机发电机气体置换过程中适当变换各种充气压力，发现当充气压力在10KPa～40KPa范围内，二氧化碳消耗量与充气压力呈现负相关。此项末端因素为主因。
结合以往的经验，置换压力不高于20KPa，二氧化碳汇流排同时两只瓶充气，压力较低，现在保持排氢门开度不变的前提下，提高二氧化碳汇流排充气压力，将汇流排同时充气瓶数量增加至四个，并且调整汇流排充气压力，将充气压力对应二氧化碳使用瓶数和置换时间制成下表（表2-3）。
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由表可知，红色为往常调整值，现在保持排氢门开度不变的前提下，提高二氧化碳汇流排充气压力，将汇流排同时充气瓶数量增加至四个，并且调整汇流排充气压力，发现在合理的压力范围之内（20～30KPa）随着压力的增高，发电机气体置换二氧化碳使用瓶数和置换时间均有所减少。但是压力增加过大，将导致系统泄漏的风险增加。
结论:综合以上分析可得出主要的三点因素：（1）置换时排氢门开度过大或一直保持常开；（2）二氧化碳充气压力过小；（3）置换时二氧化碳和氢气未充分分层静置 。
综合采用以上三种主因调整方法，即通过增加二氧化碳汇流排同时充气瓶数（2瓶调整为4瓶），适当提高发电机内部压力值（20KPa调整为30KPa），采用置换与静置分层交替进行的方式进行置换过程，在#2机最近一次2019年3月份、4月份的启停机过程中，二氧化碳的使用瓶数成功降低至56瓶，比原先降低约60瓶，按照每瓶二氧化碳200元计算的话，当前两台机组每年约换1500瓶，经过本次活动降低至少一半即750瓶，每年节约开支15万元，效果非常明显。同时置换时间也小于两个工作日，提高了工作效率。
参考文献：
[1]张磊.大型火电机组集控运行[M].北京：中国电力出版社，2006：204
[2]马岩昕.浅谈如何缩短发电机气体置换时间[J].电力安全技术，2017，19(06):61-62.
[3]白永钢.包装容器气体置换形式对置换效率的影响[J].液压气动与密封，2019，02:84-85.