南非发电厂刚运行1周就爆炸！用易燃的氢气冷却，疑似操作出故障

　　南非国有电力公司 Eskom 所属的梅杜匹燃煤电站（Medupi ）4号机组发生爆炸，损毁严重，损失估算可高达176亿元人民币。
　　让人吃惊的是——电站刚刚全部建成才1周时间！
　　更让人吃惊的是——我国也有6台，都在核电站中使用。
　　为什么这座发电厂如此引人关注呢？因为它是世界第四大燃煤电厂和最大的干冷电站 。
　　机组爆炸后场景
　　机组爆炸前场景电厂怎么运行？梅杜匹电厂基本情况
　　在了解爆炸原因之前，@工程师天张先大家简单熟悉一下燃煤电厂是怎么运行的。
　　燃煤发电厂通过燃烧煤粉来加热装水的锅炉（基本上就是一个大水壶）来发电。沸水产生大量蒸汽，蒸汽被送入涡轮机，将蒸汽热能转化为旋转的机械能，使发电机转动发电。离开涡轮机的蒸汽通过冷却系统冷凝成水，通过大型给水泵把冷凝水泵送回到锅炉再次使用，如此循环往复产生蒸汽，从而驱动涡轮机产生更多电力。
　　燃煤电厂发电工艺流程
　　再来看看梅杜匹电厂的基本情况。电厂位于南非约翰内斯堡以北约 350 公里的林波波省沃特伯格区 Lephalale 附近。始建于 2007 年，均计划于 2015 年投入使用。然而由于施工延误和工厂设备缺陷，整体比原定计划晚了近三年，直到2021年8月，全部6台机组才投入使用。电厂的运行寿命为 50 年。电厂有6台锅炉，每个锅炉都为一台 800 兆瓦的涡轮机提供动力，均为超临界发电机组，总共产生 4800 兆瓦的电力，可为约 350 万南非家庭提供足够的电力。日本三菱日立为该电厂供应、建造和安装6台超临界锅炉 ；阿尔斯通提供了涡轮发电机组和风冷冷凝器（美国通用电气GE在2015年11月，收购了阿尔斯通电力和电网业务）。南非电力公司 Eskom 是非洲最大的电力生产商，也是世界第七大电力生产商。
　　梅杜匹电厂位置
　　梅杜匹电厂全景什么是超临界电厂？
　　＂超临界＂是指锅炉产生的蒸汽的压力和温度条件。水蒸气循环中的一个临界点是热力学状态，在这种状态下，液态水和气态水之间没有明显区别。水在高于 22.1 MPa 的压力和 374°C 温度下达到这种状态。简单来说，在这种状态下不需要额外的热量来将水转化为蒸汽（潜热）。
　　大多数电厂锅炉是亚临界的。在这些锅炉中，水以两种不同的状态存在，即水和蒸汽。在这些压力下，必须添加额外的热量才能将水转化为蒸汽（潜热）。
　　超临界热力循环的效率在 40% 到 42% 之间，而亚临界发电厂循环的效率为 36% 到 37%，后者的锅炉压力通常约为 16 MPa，温度为 540°C。梅杜匹电厂是怎么爆炸的？
　　在燃煤电厂中，爆炸常可能发生在制粉系统的煤粉爆炸，或者在压力较高的锅炉炉膛内外由于压力过高引发爆炸，而后端的发电机组爆炸却不常见。而此次梅杜匹电厂爆炸，恰恰发生在发电机组身上。
　　梅杜匹电厂使用的是阿尔斯通（被美国GE收购）生产的GIGATOP系列水氢氢冷却式发电机，这是GE专门为燃煤电厂打造的发电机系列产品。此产品自1973年以来，已经应用于100多个电厂项目。这种发电机的定子绕组是水冷的，而转子和定子铁芯是直接氢冷。这样的冷却系统设计确保了发电机组从全负荷到部分负荷的效率在高水平上。
　　GIGATOP 2极发电机
　　为什么要选用氢气作为发电机冷却介质呢？因为氢气具有任何气体中最好的传热特性之一，按质量计算，氢气的散热效率是干燥空气的 14 倍 ，而且氢气的优越冷却性能会随着氢气压力的增加而增强。氢气作为最轻的气体，在所有稳定气体中密度最低。风阻损失保持在最低水平，因为氢冷发电机中转子的风阻远小于类似尺寸的风冷发电机。使用氢冷发电机的发电厂必须在发电机外壳中保持推荐的氢气纯度和压力，以提高效率、安全性和设备可靠性。
　　GIGATOP 2极发电机
　　氢冷发电机由运行转入检修，或在检修后启动投入运行的过程中，以及在某些故障情况下（如氢气供应不足），必然存在着由氢气转为空气或由空气转为氢气的过程。但是氢气与空气的混合气体是一种有爆炸危险性的气体，它在有火种或高温情况下容易爆炸，严重时可能造成人身伤亡或设备损坏的恶性事故。因此，严禁氢气中混入空气。如不采取措施，势必形成氢气和空气的混合气体而威胁安全生产。为防止发电机发生着火和爆炸事故，必须借助于既不燃烧也不助燃的中间气体（又称过渡气体）使空气与氢气互不接触。这种中间气体通常使用二氧化碳气体或氮气。利用中间气体排除氢气或空气，或者最后用氢气（空气）再排除中间气体的作业，称做间接置换法。
　　GIGATOP 2极发电机
　　用二氧化碳排除气体系统中的氢气时，二氧化碳从发电机下部充入，氢气从上部排出，当出口处二氧化碳含量大于95%时，即可认为用二氧化碳排氢工作结束，再排除二氧化碳时，将干燥的空气通入发电机上部的原氢母管，这样就能逐出发电机内的二氧化碳。而爆炸事件恰恰发生在4号机组暂时停运，查找氢气有无外部泄露的过程中 。也就是说，因为置换过程操作不当，导致原本不能见面的氢气和空气碰面了，而且恰好在爆炸极限范围内，只要遇到明火，爆炸就是瞬间的事情 。这一爆不要紧，4号机组直接报废了，5号机组也受爆炸影响而跳闸停运。幸运的是，没有人员伤亡，而5号机组还能继续使用。
　　发生爆炸的4号机组
　　梅杜匹发电厂机组模型（黄色部分为发电机组）
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