（大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂 河北唐山 063028）
摘要：因氢气既有良好的流动性能及导热性能（是空气导热能力的6倍以上），对发电机内部结构和绝缘材料没有腐蚀性，且还具有制气工艺简单成本低的优点，所以现大型发电机基本上采用氢气冷却定子铁芯及转子绕组，定子绕组内通水的冷却方式，即“水氢氢”的冷却方式。氢气是最主要的冷却介质之一，本文主要讨论氢气纯度对发电机运行的影响。
关键词：发电机；氢气纯度；风磨损耗；
氢气的特点是在同样的温度和压力下，其密度不到空气的1/14，可明显的减小对高速旋转的转子摩擦阻力损耗及对定、转子的通风冷却的风阻损耗。
氢气与空气的混合比在4%~74%之内为易爆范围，所以对氢气系统的安全性要求极高，不管是在制气、储存、运送、使用的过程中必须严格控制和监测，避免发生氢气爆炸事故。
1.发电机对氢气纯度要求
以哈电600MW汽轮发电机为例，设计要求氢气的额定纯度为98%，最低纯度为95%，正常运行应在95%以上。当机内氢气纯度下降至最低允许值（95%）时，应立即采取排、补氢的办法提高纯度，同时要查明原因进行处理。
2.氢气纯度低对发电机运行的影响
在发电机内部温度及压力不变时，氢气纯度低，氢气中含有杂质（主要为油和水份）会使气体密度增加，从而增加摩擦阻力损耗，将直接影响发电机的效率，降低发电厂的经济利益。
当氢气纯度下降的百分数非常小时，虽不会对发电机运行的安全性造成多大的影响，但对发电机的效率影响还是值得重视的。参考美国2003年《电力工程》里一篇关于“氢气纯度对发电机影响”的文章中的量化分析，可以看出氢气纯度下降对发电机效率的影响还是很可观的：
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图1 氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线，kW
图1的中两条曲线分别是400MW和800MW发电机的风摩损耗，横坐标从左向右表示纯度从100％下降到91％，每格1％。左纵坐标表示经济损失，单位是美元/天，右纵坐标表示发电机风摩损耗（kW）。在氢气纯度低于99％左右时风摩损耗就开始随纯度降低而呈反比线性增加，发电机容量越大，风摩损耗随氢气纯度下降而增大的变化斜率越大，即氢气纯度对大容量发电机的风摩损耗影响越大。
国外以800MW汽轮发电机为例，纯度在99％以下时，每下降1％，增加风摩损耗366kW，换句话说，氢气纯度从95％每向上增加1％，相应就增加发电机输出功率366kW， 如果发电机氢气纯度从95％升到98％，在燃料消耗不变的情况下，发电机组增加了超过1MW的输出功率。按0.04美元/kWh电价计算，按年运行8000h考虑，则每年可节约资金32万美元。电厂如果有4台机组，则一年因氢气纯度的节能潜力为128万美元。
从图1曲线中可以得出800MW和400MW发电机的风摩损耗与纯度的关系：
800MW发电机，纯度下降1％，损耗增加366kW
400MW发电机，纯度下降1％，损耗增加107kW
求出曲线斜率用曲线插值法很容易得出600MW发电机风摩损耗与氢气纯度的关系：即600MW发电机氢气纯度下降1％，损耗约增加240kW。按我国机组平均年运行5000h，按上网电价0.35元/kWh计算，损失约为36万元，而这只是氢气纯度下降1％时的损失，很容易被忽略。上网电价各地区差异较大，因此上面计算的经济效益仅作参考。
3.造成氢气纯度低的原因，及应对措施
3.1进油一直是我国发电机的老大难问题，大量发电机存在向机内进油现象，密封油混入空气，污染了机内氢气，使得氢气纯度难以维持在额定值以上，在略低于纯度额定值1％～3％上运行时有发生。要防止进油，就要保证密封和氢压在额定标准范围。
发电机的氢气密封是采用双流密封环油系统，保持空侧及氢侧密封油压的平衡是关键，如空、氢两侧的密封油压不平衡，无论孰高孰低均会造成串流使空侧油中的空气进入氢侧油中，致使发电机内氢气纯度下降。
维持密封油与氢气的压差稳定，既可以防止机内氢气外溢又可以减少向机内漏油，是防止氢气纯度下降、氢气湿度上升的重要措施之一。哈电600MW发电机规定，在任何运行状态下，密封油压在油控系统的压差阀自动调节下都高于氢压84kPa±10 kPa。
密封油系统的平衡阀、差压阀必须保证动作灵活可靠，所以当氢气纯度降低时还应查清密封油系统的平衡阀及差压阀的工作状体，必要时修复或更换。
如果密封瓦与转轴之间的间隙过大（标准为0.19~0.23mm），向机内漏油，也会造成过多的密封油与氢气的混合使氢气纯度下降，可利用检修的机会进行调整或处理。如轴颈磨损严重，应进行微弧补焊处理；如轴瓦或密封瓦上的轴承合金有划伤或磨损，应用刮研或补焊轴承合金的方法消除缺陷使各部间隙符合标准；如果油档间隙过大应设法修复调整符合标准。
加强密封油杂质过滤，以防密封瓦和轴颈磨损。
3.2氢气湿度偏高，除增加发电机风摩损耗以外，还会对绕组绝缘和转子护环产生有害影响。因此要求运行时机内的冷氢气绝对湿度必须低于2g/m3，当超过这个数值时必须查找原因，并采取措施根除，必要时可频繁充入干燥氢气来降低氢气湿度。当机内的冷氢气绝对湿度大于2g/m3，小于2.5g/m3时，每年不得超过3次，每次持续时间不得超过3天。
氢气湿度偏高的原因有密封油中含水、氢气冷却器漏、定子内冷水引水管及水电接头渗漏，氢气干燥器失效或其冷却水漏入氢气循环管路、充入的氢气湿度大等。应查明原因予以消除。
提高密封油系统的真空度，减少密封油与外界空气的接触，可有效降低密封油中含水量和杂质，提高氢气纯度。
确保吸附式氢气干燥器的投入能够定时排出机内氢气的水分，有效地降低氢气湿度，维持氢气露点在规定的范围之内（0~-25°C）。
3.3受氢温和密封油温的影响，氢温越高氢纯下降的越快；密封油温度越高携带的气体越多，对氢纯的影响就越大，所以适当降低氢温和密封油温对保持氢气纯度也会有所帮助。
4.氢冷发电机经济运行的条件
4.1保持氢气压力在额定值，原则上不允许低氢压运行，即使空载、轻载也不行，尤其是带较大无功时，因为氢气主要是冷却定子铁心和转子绕组，只要建立了电压，就有铁心损耗发热。又转子绕组发热全依赖氢气进行散热，低氢压运行很容易使转子绕组产生严重过热，且目前没有实时的测温手段。
4.2保持高纯氢状态是保证发电机运行效率的重要措施之一，现在的发电机基本上配备了测量精度较高的热导式纯度在线监测仪（以美国Honeywell进口仪器为主），手工取样测试只作为一个辅助手段。
结束语
目前我国以600MW氢冷发电机组为主力，在役数量很大，如不能长期保持氢气纯度在额定值以上。按平均每台机每年损失几十万元以上计算，全国每年为此损失相当可观。所以，要保障氢冷发电机可靠经济的运行就要加强对氢气各项指标的管理，加强在线监测装置的维护和定期校验，确保在线监测数据准确可靠。对氢纯、氢湿、漏氢等异常情况要及时查明原因并跟踪趋势变化，采取措施以防进一步恶化。
参考文献
[1]美国2003年《电力工程》中氢气纯度对发电机经济运行的影响.
[2]漏氢报警限值和相应处理措施按照GB/T 7064-2008《隐极同步发电机技术要求》中的相关规定.
[3]国家能源局2014年4月15日发布并实施的《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》.