氢冷发电机氢气使用量优化创新实践
赵颖星，吕伟，胡明明，魏建青
（北京京西燃气热电有限公司，北京市 100041）
Innovative Practice for Optimization of Hydrogen Consumption in Hydrogen-Cooled Generators
ZHAO YINGXING,LU WEI,HU MINGMING,WEI JIANQING
(Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.Ltd.,Beijing 10041)
ABSTRACT：Against the dual demands of green transformation and cost control in the power industry, the efficient operation of hydrogen-cooled generators has become a key issue. Aiming at the problem of excessive hydrogen consumption of hydrogen-cooled generators, Beijing Jingxi Gas-Fired Thermal Power Co., Ltd. has achieved a significant reduction in hydrogen consumption and an improvement in power generation efficiency through systematic current situation investigation, analysis of key cruxes, innovative introduction of membrane separation and purification technology, and optimization of the operating parameters of the seal oil system. This paper elaborates on the project implementation path, technological innovation points and implementation effects in detail, providing replicable optimization schemes and practical experience for similar power plants.
Key words: Hydrogen-cooled generator; Hydrogen consumption; Membrane separation technology; Seal oil system; QC management
摘要：在电力行业绿色转型与成本管控的双重需求下，氢冷发电机的高效运行成为关键课题。北京京西燃气热电有限公司针对氢冷发电机氢气消耗过高问题，通过系统性现状调研、关键症结剖析，创新性引入膜分离提纯技术并优化密封油系统运行参数，实现了氢气使用量的显著降低与发电效率的提升。本文详细阐述了项目实施路径、技术创新点及实施成效，为同类电厂提供可复制的优化方案与实践经验。
关键词：氢冷发电机；氢气消耗；膜分离技术；密封油系统；QC管理
0 引言
氢冷发电机凭借氢气优异的导热性和低密度特性，成为大容量发电机的主流冷却方式。然而，氢气的制备、储运及补充成本高昂，且传统制氢过程伴随大量碳排放（每生产1吨氢气产生约10吨CO2），导致电厂运维成本增加与环保压力加剧。北京京西燃气热电有限公司在运营中发现氢冷发电机的氢气消耗量显著高于同类型电厂，其中3号发电机月度平均用氢量达1840L，远超5号机的1186.7L，存在较大的优化空间。
当前，国内外针对氢冷发电机氢气优化的研究主要集中在密封系统改进及运行参数优化等方面，通过提高密封油系统的稳定性减少氢气泄漏。但现有研究多针对单一因素，缺乏系统性的问题诊断与多技术融合应用。本文结合QC管理方法，通过“现状调查-原因分析-对策实施-效果验证”的闭环管理，形成一套完整的氢气使用量优化解决方案，具有显著的工程实践价值。
1现状调研与症结诊断
1.1 全厂氢气消耗分布分析
通过梳理2023年9-11月氢气使用数据（表1），发现发电机系统占全厂用氢量的93.08%（图1），是主要消耗单元。
表1 2023年9-11月全厂各系统氢气使用量（L）
图1 2023年9-11月全厂各系统氢气使用量占比
1.2 发电机系统氢气使用量情况
进一步对发电机系统4台氢冷发电机进行分层统计（表2），发现3号发电机三个月总用氢量达5520L，占四台机组总和的31.1%，且单台月度平均用氢量1840L，分别比1号机、2号机、5号机高29%、30%、55%，成为核心改进对象。
表2 各发电机氢气使用量对比（2023.9-11）
1.3 3号发电机用氢场景拆解
通过帕累托分析发现，3号发电机氢气消耗（图2）集中在氢气提纯（44.93%）、正常补氢（33.33%）、检修置换（21.74%）三大场景（图1）。其中，提纯环节月均用氢量达826.67L，远高于同型号5号机的93.3L，成为导致总用氢量偏高的关键症结。
图2 2023年9-11月3号发电机氢气使用量占比
1.4 关键症结原因分析
结合现场、现实、现物，运用原理原则的方法，从“人、机、料、法、环 ”方面进行分析表明，传统动态补排氢方式在运行中需持续排出含杂质的混合气体并补充新氢，导致氢气利用率低；同时，密封油系统平衡阀异常波动频繁，加剧了空气混入与纯度下降，形成“纯度下降-频繁提纯-高耗氢”的恶性循环。
2 创新实践路径与关键技术突破
2.1 技术创新：膜分离提纯技术的工程应用
2.1.1 技术路线比选与方案设计
针对动态补排氢的低效问题，我们对比了目前在工业上应用较为广泛的膜分离技术[2]、合金吸氢技术、密封油抽真空提纯技术（表3），其中膜分离技术因具备连续运行（无需停机）、无相变能耗低（耗电功率仅3kW）、提纯精度高（纯度≥99%）、适配双流环系统等优势，成为最优选择。
表3 氢气提纯技术数据对比
2.1.2 工艺流程与参数优化
设计“预处理—膜分离—深度干燥”三级净化流程（图3）：含杂质的氢气先经滤芯去除油雾颗粒，再进入聚碳酸酯中空纤维膜组，利用不同气体分子渗透速率差异，实现氢气与空气的高效分离；分离后的高纯氢（≥99%）返回发电机，废气（含90%空气）经阻火器安全排放。结合300MW机组工况，设定原料气流量45Nm3/h、操作压力0.6MPa，确保氢气回收率≥99.6%。
图3 膜分离工艺流程
2.1.3 设备集成与系统调试
选用RLHJ68型膜分离装置（占地1.8m2），配套304不锈钢管路与聚四氟乙烯密封垫，避免杂质污染与漏氢风险。最终实现氢气纯度长期稳定维持在99%以上，远超国标（≥96%）要求。
2.2 管理创新：密封油系统精细化调控
2.2.1 平衡阀异常波动根因分析
通过对比5号机（最优机组）与3号机的密封油参数[1]（表4），发现3号机平衡阀压差波动范围达±300mbar，远超规程允许的±100mbar，导致空侧密封油与氢侧油窜流，空气随密封油进入发电机内，加速纯度下降。经排查，主要原因为平衡阀复位周期过长（4小时/次），无法及时响应工况变化。
表4 密封油系统关键参数对比
2.2.2 动态响应机制优化
将平衡阀复位周期缩短至1小时/次，通过DCS系统实时监测压差波动，当压差超过±80mbar时触发自动复位。实施后，平衡阀压差区间收窄至±50mbar（图4、5），密封油窜流现象减少，氢气纯度下降速率从0.084%/天降至0.017%/天，达到“无显著纯度下降”的理想状态。
3 对策实施降低氢冷发电机氢气使用量的效果
3.1 核心指标提升显著
3.1.1 氢气使用量大幅下降
2024年9-11月数据显示（表5），3号发电机月均用氢量降至1080L，较改进前下降41.3%，效果显著；全厂氢 冷发电机月均用氢量5586.67L，低于改进前使用量。提纯环节用氢量占比从44.93%降至6.17%，“高提纯耗氢”问题得到根本解决。
表5 改进前后关键指标对比
3.1.2发电效率与安全性双提升
根据《大型汽轮发电机设计、制造与运行》中氢气纯度每下降1%,引起通风损耗增加11%的结论，氢气纯度由96%提升至99%，发电机效率可由98.993%提升至99.019%。同时，纯度稳定在99%以上，使发电机内氢气爆炸风险（当纯度＜95%时风险显著上升）降低90%，设备可靠性大幅提升。
技术价值
1.创新性技术应用
膜分离技术引入：通过采用聚碳酸酯中空纤维膜分离技术，实现了氢气纯度的显著提升（从96%提升至99%以上），解决了传统动态补排氢方式效率低、耗氢量大的问题。该技术具有连续运行、无相变、低能耗等优势，突破了传统提纯技术的局限性。
密封油系统优化：通过调整密封油系统运行参数（如缩短平衡阀复位时间间隔至1小时/次），将密封油压差波动范围从±300mbar稳定至±100mbar，显著降低了氢气泄漏风险，提升了系统稳定性。
2.工艺改进与参数标准化
修订了《SGT5-4000F（4+）燃气-蒸汽联合循环机组运行规程》，实现了操作流程的标准化，确保氢气纯度和系统运行的长期稳定性。
3.专利成果
申请实用新型专利《一种氢气提纯装置》，技术方案已通过国家知识产权局受理，为行业提供了可借鉴的技术路径。
经济效益测算
1.直接经济效益
燃料成本节约：年节省电量103.8万kWh，折合天然气17.4万Nm³，按天然气价格2.47元/Nm³计算，年节约43.0万元。
氢气采购成本：减少补排氢频次，降低氢气使用量，年节约氢气采购成本约2.76万元。
2.间接经济效益
人工与维护成本：减少人工巡检与提纯操作频次，年节约人工成本2.16万元。
技术价值社会效益与环保贡献
项目实施后，年减少CO₂排放334.8吨，助力企业完成年度碳减排目标；形成的氢气提纯装置运行操作规范与事故处置措施被纳入《SGT5-4000F（4+）燃气-蒸汽联合循环机组运行规程》。2025年4月，项目成果在2025年中国质量创新与质量改进成果（QC小组）发布中荣获专业级，已被同类型电厂调研借鉴，推动行业技术进步。
4 总结
京西热电通过“技术创新+管理优化”双轮驱动，成功破解氢冷发电机高耗氢难题，实现了经济效益、环境效益与安全效益的多赢。项目验证了膜分离技术在电力领域的适用性，构建了基于QC方法[3]的设备优化管理体系，为同类电厂提供了可复制的“诊断—设计—实施—固化”四步工作法。未来，随着“双碳”目标的深入推进，氢冷发电机的高效运行技术将持续升级，推动电力行业向绿色低碳转型迈出更坚实的步伐。
参考文献
[1] 中国电力企业联合会。氢冷发电机运行导则[Z].2020.
[2] 王小明，李华。膜分离技术在电厂氢气提纯中的应用[J].电力设备，2022(5):45-48.
[3] QC小组活动指南（第四版）[M].中国质量协会，2021.
作者简介：
赵颖星（1994年3月），女，山西阳泉，工程师，大学本科，主要从事公司化学环保方面工作，北京市石景山区双峪路1号。
吕伟（1983年-），男，高级工程师，主要从事发电厂电气设备管理工作。
胡明明（1982年-），男，高级工程师，主要从事火电厂化学环保技术方面工作。
霍晓晨（1989年-），女，工程师，主要从事公司信息化管理工作。
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