CN101006345A - 保持电力发电机内氢气纯度的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于保持电力发电机内氢气纯度的系统的方法和装置。所述纯度系统包括：发电机(12)、配置成给所述发电机提供氢气的氢气发生器(24)，以及用于检测所述发电机内的氢气纯度水平并在所述纯度降至预定的阈值以下时提供信号的纯度监控器(18)。所述系统(10)自动补偿气体损失或者污染以保持所述电力发电机期望的效率水平。

Description

保持电力发电机内氢气纯度的系统及其方法

技术领域

本发明一般涉及电力发电机系统，特别涉及利用氢气冷却发电机的发电机。

背景技术

现代的电站通常利用涡轮发电机来产生电。这些发电机在运转过程中所产生的大量的热必须散发掉，以使发电机在最高效率下运转。传统地，是采用空气作为冷却介质来帮助散热。然而，随着发电机容量和体积的增大，氢气由于其高热容和低密度代替了空气。另外，采用氢气比体积相当的空气冷却设备减小了风阻或者摩擦损耗。

由于风阻会损失效率，因而期望在发电机中保持尽量高的氢气纯度水平。如图1所示，随着由于不纯引起的风阻损耗的增加，发电厂经济上的损失也相应增长。对于一个800兆瓦的发电机来说，发电机中氢气纯度减少8％将使发电成本每天几乎增加4000美元。因此，期望保持氢气纯度尽可能的高。

在发电机运转时，由于密封的泄漏氢气会持续损耗。传统地，为了保持氢气的适当的压力水平和在发电机中的纯度，发电厂的操作员会从气体生产者处购买散装气体，气体生产者借助于气瓶或者气罐运送气体。操作员会定期检查纯度水平，需要时从氢气瓶中添加氢气。

作为购买散装氢气气体的替代方法，发电厂操作员还采用电解气体发生器以允许操作员就地制氢。电解发生器利用电将水分离成氢气和氧气。采用电解典型地降低了使用氢气的成本，还减少了发电厂不得不接收和储存大量可燃气体的安全考虑。然而，典型地，经济上可行的为发电机提供补充气体的电解发生器的容量不足以在发电机被关掉进行维护以后产生充足体积的氢气以快速净化或填充发电机。并且，电厂操作员还依靠手动填充发电机，这样就没有考虑到最佳功效。

因此，所属领域所需要的是一个用于保持电力发电机的氢气的高纯度水平，并提供用于利用就地制氢发生器来产生充足的氢气以净化或填充电力发电机的系统。

发明内容

本发明提供了一种用于保持电力发电机中氢气纯度的系统的方法及装置。该纯度系统包括：发电机、被配置成用于给发电机提供氢气的氢气发生器，以及用于检测发电机内的氢气纯度水平并在纯度降至预定的阈值以下时提供信号的纯度监控器。系统自动补偿气体损失或者污染以保持电力发电机的期望水平的效率。

所属技术领域的技术人员从下面的详细描述及附图中将懂得和理解以上讨论的以及其它特点。

附图说明

现在参照附图，附图是示例性的而非限制性的，其中相似的部件采用相同的标号。

图1是说明风阻损耗作为氢气纯度的函数的图表；

图2是说明本发明的氢气纯度系统的原理图；

图3是说明本发明的氢气纯度系统的可选实施例的原理图；

图4是说明本发明的具有额外的氢气储存室的氢气纯度系统的可选实施例的原理图；

图5是说明图2中的系统的操作方法的方块流程图；

图6是说明图3中的系统的操作方法的方块流程图；

图7是说明图4中的系统的操作方法的方块流程图。

具体实施方式

随着用户对电力的需求的增长，电力生产者更多地转为用大型发电机来满足社会需求。随着发电机体积的增大，要保持发电机在合适的温度下运转以防止对发电机部件的损害也越发困难。小型发电机依靠空气冷却来散发来自发电机转子绕组的热量。为了改进热量转移，发电机制造商开始采用氢气作为转移媒介，因为氢气的热容是空气的七倍。

改用氢气还产生了另一方面的优点：由于氢气的较低密度降低了风阻损耗。如图1所示，发电机内的氢气的纯度水平越高，风阻损耗越低。然而，由于发电机包括各种部件，例如密封件必须加以润滑，污染物如水或者油与气体相混合，降低了纯度水平。为了补偿这些污染，操作员采用净化系统，例如热再生式干燥器，以允许水从发电机中被除去，而不需要昂贵的气体来净化发电机。

除了污染之外，操作员还必须处理通常在发电机的密封处发生的氢气泄漏。氢气发生泄漏时，操作员必须给发电机添加补充氢气以保持热转移和低风阻的优点。在典型的发电机如美国GE公司的Frame-7型发电机中，氢气的损耗及氢气的总量可以达到每小时20到40立方英尺。

本发明的一个示例性实施例如图2所示。发电机系统10包括发电机12，发电机12可以借助于任何传统方式被驱动，如蒸汽涡轮机(未示出)。发电机12产生的电被传送至电力网14。发电机内的压力被压力监测器16监测，发电机内的氢气的纯度被监测器18监测。如本文将要详细描述的，纯度监测器可以是能够进行监测的任何合适类型，例如但不仅限于热传导分析仪或者振动元件分析仪。

发电机12还包括连接到电磁阀20的排气管线19。阀20的排气口通向排气管以允许氢气适当地散入大气中。如本文将做更详细描述的，通信连接装置17连接纯度监测器18和电磁阀20。氢气发生器24通过导管26为发电机12提供氢气。可选地，还可由发电机12内的控制器(未示出)来控制电磁阀20以排出氢气。

在优选的实施例中，氢气发生器包括能够将作为反应物的水电解成氢气和氧气的给水电化学电池。适合作为反应物的水是去离子的，蒸馏水，由水源28持续供给。电化学电池优选是聚合物电极膜(polymer electrodemembrane)类型。也可以是任何其它类型电化学电池例如，但并不仅限于碱性、磷酸、或者固态氧化物基电池。氢气发生器24还可以是能够产生氢气的任何非电化学系统，例如，但并不仅限于蒸汽甲烷，或者天然气重整(natural gas reformation)。

输出传感器30包含在氢气发生器24中，以感应导管26下游之间的压力差。输出传感器30可以是压力换能器，将导管26内的气体压力转换成表明气体压力的电压或者电流水平。输出传感器还可以是适于感应气体的定性或者定量参数，并提供表明以该参数作为输出的电信号的任何其它传感器。这些其它的传感器包括，但并不仅限于流速传感器、质量流量传感器，以及差压传感器。可选地，可以从压力监测器18向氢气发生器24提供反馈信号29。

输出传感器30与控制器(图中未示出)连接，该控制器能够将输出传感器30提供的模拟电压或者电流水平转换成表明被感应的氢气压力的数字信号。控制器将被感应的氢气压力与预定参数相比较，从而如本文将更详细描述的控制氢气发生器24的输出。

图3示出了电力发电系统10的可选实施例。在该实施例中，纯度监测器18通过线路32电连接到电解器24上，从而当氢气纯度水平降至预定阈值以下时提供控制信号。

电力发电机容纳有大量的氢气，典型地，至少有7500立方英寸。因而，当出现发电机需要被净化和填充氢气的情况时，例如启动时、或者维修之后，操作员将需要接近大量的气体。这种启动或者维护净化的情况通常每年都会发生。由于能够在短时间内产生如此大量体积的氢气发生器对于日常操作来说通常会体积过大。因此，期望有一种用来储存由氢气发生器24产生的过量氢气的装置。在如图4中所示的实施例中，如上所述氢气发生器具有向发电机12提供氢气的第一导管26。氢气发生器24还包括第二导管34及阀27以使氢气发生器流体连接到至少一个气罐40。系统10还可以可选地包括电磁阀36及与导管34相连接的压缩机38。可选的压力换能器42可以电连接至阀36，从而一旦达到期望压力水平时终止气罐40的填充。压缩机可以是任何合适的类型，例如但并不仅限于金属氢化物压缩机、电化学压缩机或者机械压缩机。为了示例的目的，表示压缩机38是在氢气发生器24的外部，优选地，压缩机可以与氢气发生器24集成在一起。导管46将气罐40与发电机12流体连接。阀48控制气罐向发电机12的流通。

图5、图6和图7为描述发电系统10的操作的流程图。可以包括这些方法并以系统10的一个或者多个独立部件的控制器应用码执行，或者可以被包括在单个中央控制器(未示出)中。这些方法被包括在由微处理器执行的编写的计算机指令中，典型的软件形式中。可以以任何语言编码这些软件，包括，但并不仅限于：汇编语言，VHDL(Verilog硬件描述语言)、VHSICHDL(超高速集成电路硬件描述语言)、Fortran(公式翻译)、C、C++、Visual C++、Java、ALGOL(算法语言)、BASIC(初学者通用符号指令代码)、Visual BASIC、ActiveX、HTML(超文字标记语言)，以及至少一种上述语言的任何组合或者衍生语言。此外，操作员可以利用已有的软件应用程序，例如电子数据表或者数据库以及在算法中列举出的相关的各种部件。更进一步地，该软件可以独立于其它软件或者依赖于其他软件，例如以集成软件的形式。

参照图2和图5所示，现在将要描述图5的一种电力发电机系统控制方法60。方法60始于方块62，然后进行到方块64。在方块64，纯度监测器18从发电机12采样氢气以确定表明采样气体的氢气纯度水平的值H_纯。然后方法60进行到方块66，在这里值H_纯与期望水平H_优选相比较。参数H_优选代表操作员期望的纯度水平，并允许操作员平衡效率需求和氢气用量。可选地，操作员可以选择监测发电机12内的压力水平及其在这里的效果，压力和纯度的监测是可互换的。典型的H_优选值在90％和99％之间，期望值为98％。更高的H_优选值通常会造成更大的氢气用量。如果询问方块66的答案是否定的，方法60返回方块64，在那里氢气再一次被采样和测量。一般该循环将持续直到方法60被从外部终止或者中断，或者直到方块66的询问得到肯定答案。

如果方块66的询问的答案是肯定的，不管是第一次还是经过一次或者多次否定答案以后，方法60就进行到方块68，在这里控制信号从纯度监测器1 8传送到阀20，使阀20打开。阀20的打开允许气体从发电机12排放到大气中。

之后方法60进行到方块70以产生氢气。通常，氢气发生器24会检测由于在方块68发生的发电机12的排气引起的传感器30的压降。典型地，当检测该压降低于期望压力值P_期望时，氢气发生器24将重新产生氢气以传送到发电机12。

之后方法60继续进行到方块72，在这里采样发电机的气体，并测量氢气纯度。之后方法60进行到查询方块74，在这里H_纯与期望水平H_优选相比较。如果询问答案是肯定的，方法60循环返回到方块72，并继续监测发电机12内的氢气纯度H_纯。一般该循环将持续直到方法60被从外部终止或者中断，或者直到方块66的询问得到肯定答案。

如果方块74询问的答案是否定的，这表明发电机内的氢气的纯度水平已经达到操作员的期望水平。然后方法60进行到方块76，在这里控制信号从纯度监测器18传送到阀20。阀20关闭，气体停止从发电机12排放。继而方法60进行到方块78，在这里停止氢气的产生。在优选实施例中，当阀20关闭时，发电机内的压力将升高。压力的升高将被传感器30检测到，当发电机内的压力达到期望压力值P_期望时，发生器停止产生氢气。典型地，期望压力值P_期望是在30psi和75psi(磅/平方英寸)之间。之后方法60继续回到方块64再次开始该过程。应当知道方法60在系统10的运转过程中是重复实施的。

参照图3和图6所示，现在将描述图6的一种可选的电力发电机系统控制方法80。在方块82处开始之后，方法80进行到方块254，在这里发电机12内的气体的氢气纯度水平值H_纯被采样测量。然后方法80进行到询问方块86，在这里参数H_纯与期望纯度水平H_优选相比较。如果询问返回否定响应，则方法80循环返回到方块84，并且一直持续直到方法90被从外部终止或者中断。

如果询问方块86返回肯定响应，方法80继续到方块88。在方块86，纯度监测器18发送控制信号到氢气发生器24，使氢气发生器24以预定的流速和压力P_期望重新产生氢气。典型地，期望压力值P_期望是在30psi和75psi之间，优选压力值为45psi。在优选实施例中，期望压力值P_期望大于阀20的释放压力P_释放。

在重新开始产生氢气后，方法80继续进行到询问方块91，在这里P_释放和P_电机被引入下面的问式：

P_电机是否大于P_释放？

其中，参数P_电机代表发电机12内的压力，P_释放代表阀20打开允许气体从发电机12排进大气时的设定压力值。如果方块86的询问返回为否定，则方法80循环返回到方块90，继续产生氢气并提供给发电机12。方法80持续直到被操作员终止或者中断。

如果方块91的询问返回肯定响应，表明发电机内的压力已经达到大于阀20上的释放设定值，方法80继续进行到方块92，阀20打开。方法继续进行，在方块93中监测氢气纯度水平H_纯，在方块94中以与上文所描述的类似的方式与期望水平H_优选相比较。

一旦发电机中的氢气纯度达到期望的纯度水平，方法80继续进行到方块96，在这里监测器18传送控制信号到氢气发生器24，使氢气发生器停止产生氢气。一旦氢气发生器停止产生气体，方法80继续进行到方块98，在这里，一旦发电机内的压力降至预定阈值以下阀20将关闭。

之后方法80继续返回到方块84再次开始该过程。应当知道方法80在系统10的运转过程中是重复实施的。

参照图4和图7所示，现在将要描述图7的一种可选的电力发电机系统控制方法100。在方块102处开始之后，方法100进行到方块104，在这里发电机12内的气体的氢气纯度水平值H_纯被采样测量。然后方法100进行到询问方块106，在这里参数H_纯与期望水平H_优选相比较。如果询问返回否定回答，方法100进行到方块108，打开阀36以允许氢气从氢气发生器24流向气罐40。之后方法10可选地在方块110中压缩氢气，以及进行到在方块112中填充气罐40。

在填充气罐40时，方法100监测气罐40中的压力P_气罐。气罐40还具有额定最大工作压力P_最大。典型地，气罐40最大压力额定在2000psi和10，000psi之间，优选额定为2400psi。方法100进行到方块114，在这里P_气罐和P_最大被引入下面的问式：

P_气罐是否小于P_最大？

如果询问肯定地回答，则方法100进行到询问方块118，在这里氢气纯度水平与期望水平相比较。如果询问返回肯定回答，这将表明发电机需要补充纯净氢气。然后方法100进行到方块120，在这里阀36关闭，接着到方块122，在这里排气阀20打开，气体从发电机12排进大气。然后方法100进行经过方块128到134以上文中所描述的关于方法60和方块72到78的相同方式给发电机补充氢气到适当的纯度水平。

应当了解到，方块128到134过程中的处理步骤还可以利用关于方法80的替换方法来完成。此外，在氢气发生器24持续为发电机12产生氢气的应用中，在本发明的考虑之内氢气发生器24同时为气罐40和发电机12提供氢气，优选地，是供给发电机12。

尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是所属领域技术人员应当理解可对本发明进行各种变化，或者用等同物替代本发明的组件而不脱离本发明的范围。此外，可以根据本发明的指导进行各种修改以适应特定条件或者材料而不脱离本发明的本质范围。因此，本发明不受限于作为实施本发明的最佳预期模式公开的的具体实施例。

Claims (43)

1、一种用于保持电力发电机内氢气纯度的方法，所述系统包括：

a)监测所述发电机内的氢气纯度；

b)响应所述纯度降至预定阈值以下，产生信号；

c)响应所述信号，添加氢气；

d)从所述发电机排出氢气。

2、根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：持续添加氢气和从所述发电机排放氢气，直到所述发电机内的氢气的纯度超过预定阈值。

3、根据权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：响应所述纯度信号，打开阀从所述发电机排出氢气。

4、根据权利要求3所述的方法，其中纯度的所述预定阈值大于90％。

5、根据权利要求4所述的方法，其中纯度的所述预定阈值大于95％。

6、根据权利要求5所述的方法，其中纯度的所述预定阈值为98％。

7、根据权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：响应所述纯度信号，启动氢气发生器。

8、根据权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：当压力超过预定阈值时，从所述发电机排出氢气。

9、根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：响应所述发电机内的所述纯度超过预定阈值，提供第二纯度信号，以及响应所述第二纯度信号，停止产生氢气。

10、一种用于保持电力发电机内氢气纯度的系统，所述系统包括：

氢气发生器；

连接到所述氢气发生器的电力发电机；

连接到所述电力发电机的阀；

可操作地连接到所述发电机和所述阀的纯度监测器。

11、根据权利要求10所述的系统，其中响应来自所述纯度监测器的信号，所述阀操作从所述电力发电机排出氢气。

12、根据权利要求11所述的系统，其中所述氢气发生器配置成在预定压力下产生氢气，所述氢气发生器响应所述电力发电机内压力的降低产生氢气。

13、根据权利要求12所述的系统，其中所述氢气发生器为具有至少一个聚合物电极膜的电化学发生器。

14、根据权利要求12所述的系统，其中所述氢气发生器通过天然气重整产生氢气。

15、根据权利要求13所述的系统，进一步包括压力监测器。

16、根据权利要求15所述的系统，进一步包括连接到所述发电机的氢气净化器。

17、根据权利要求12所述的系统，其中当所述电力发电机内的氢气纯度小于99％时，所述纯度监测器向所述阀提供信号。

18、根据权利要求12所述的系统，其中当所述电力发电机内的氢气纯度小于95％时，所述纯度监测器向所述阀提供信号。

19、一种用于保持电力发电机内氢气纯度的系统，所述系统包括：

电力发电机；

连接在所述电力发电机和排气管之间的阀，所述阀配置成以预定排气速率排除氢气；以及

连接到所述电力发电机的氢气发生器。

20、根据权利要求19所述的系统，其中所述氢气发生器配置成以预定产生速率生产氢气。

21、根据权利要求20所述的系统，其中所述预定产生速率基本等于所述预定排气速率。

22、根据权利要求20所述的系统，进一步包括连接到所述电力发电机和所述阀的纯度监测器，所述阀响应来自所述纯度监测器的信号改变所述预定排气速率。

23、根据权利要求22所述的系统，其中所述氢气发生器配置成改变所述预定产生速率，以基本与所述预定排气速率相匹配。

24、根据权利要求20所述的系统，其中所述氢气发生器为具有至少一个聚合物电极膜的电化学发生器。

25、根据权利要求20所述的系统，其中所述氢气发生器通过天然气重整产生氢气。

26、根据权利要求21所述的系统，其中所述预定排气速率设置成保持所述电力发电机内的氢气纯度大于98％。

27、根据权利要求26所述的系统，其中所述预定排气速率设置成保持所述电力发电机内的氢气纯度大于95％。

28、一种用于保持电力发电机内氢气纯度的系统，所述系统包括：

氢气发生器；

连接到所述氢气发生器的电力发电机；

连接到所述电力发电机的阀，所述阀配置成在预定的氢气压力水平下从所述电力发电机释放氢气；

可操作地连接到所述发电机和所述氢气发生器的纯度监测器。

29、根据权利要求28所述的系统，其中所述氢气发生器响应来自所述纯度监测器的信号以预定速率产生氢气。

30、根据权利要求28所述的系统，其中当所述电力发电机内的气压超过100psi时，所述阀释放氢气。

31、根据权利要求29所述的系统，其中所述氢气发生器为具有至少一个聚合物电极膜的电化学发生器。

32、根据权利要求29所述的系统，其中所述氢气发生器通过天然气重整产生氢气。

33、一种用于保持电力发电机内氢气纯度的方法，所述方法包括以下步骤：

监测电力发电机内的氢气纯度；

以第一速率从所述电力发电机释放氢气；

以第二速率产生氢气，其中所述第二速率基本等于所述第一速率。

34、根据权利要求33所述的方法，进一步包括以下步骤：从所述监测器产生信号到所述阀，以释放所述氢气。

35、根据权利要求34所述的方法，其中所述纯度监测器响应所述电力发电机内的氢气纯度降至预定氢气纯度水平以下，产生所述信号。

36、根据权利要求35所述的方法，其中所述预定的氢气纯度水平小于或等于98％。

37、根据权利要求36所述的方法，其中所述预定的氢气纯度水平小于95％。

38、根据权利要求33所述的方法，进一步包括以下步骤：从所述纯度监测器产生信号到氢气发生器，以产生所述氢气。

39、根据权利要求38所述的方法，其中在预定压力水平下从所述电力发电机中释放所述氢气。

40、根据权利要求33所述的方法，进一步包括以下步骤：响应所述电力发电机内的所述氢气纯度的降低，增加所述第一速率的水平。

41、根据权利要求40所述的方法，进一步包括以下步骤：当所述电力发电机内的所述氢气的纯度水平达到预定的纯度水平时，减小所述第一速率的水平。

42、根据权利要求41所述的方法，其中所述预定的纯度水平为95％。

43、根据权利要求42所述的方法，其中所述预定的水平为98％。

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