汽輪發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

王云峰,梁 燕

(1.焦作電廠 生產(chǎn)技術(shù)部，河南 焦作 454001;2.焦作市中泰永昌煤礦機(jī)械制造有限公司 技術(shù)部，河南 焦作 454001)

汽輪發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對電力系統(tǒng)乃至整個國民經(jīng)濟(jì)都具有十分重要的意義。大、中型汽輪發(fā)電機(jī)一般采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、鐵芯及其他構(gòu)件氫冷。隨著機(jī)組容量的增大和氫壓的升高，漏氫量的大小已成為考核氫冷發(fā)電機(jī)的一個重要指標(biāo)。發(fā)電機(jī)可能存在的漏氫途徑很多，歸納起來主要有兩種：(1)從外殼直接漏到大氣中，即“外漏”；(2)漏到密封油系統(tǒng)、定子冷卻水系統(tǒng)、氫氣冷卻器、封閉母線套管軟連接段或中性點(diǎn)軟連接箱（下文簡稱“中性點(diǎn)聯(lián)箱”）中，即“內(nèi)漏”[1]。外漏通?？梢酝ㄟ^涂抹皂液或使用移動式測氫儀檢查發(fā)現(xiàn)，而內(nèi)漏由于發(fā)現(xiàn)困難，成為氫冷機(jī)組運(yùn)行的大患。

原國家電力公司2000年9月頒布的 《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中規(guī)定：“為防止氫冷發(fā)電機(jī)的氫氣漏入封閉母線，在發(fā)電機(jī)出線箱與封閉母線連接處應(yīng)裝設(shè)隔氫裝置，并在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置排氣孔和加裝漏氫在線監(jiān)測裝置。應(yīng)按時檢測氫冷發(fā)電機(jī)油系統(tǒng)、主油箱內(nèi)、封閉母線外套內(nèi)的氫氣體積含量 （濃度）”。

本文對目前國內(nèi)常見的幾種漏氫監(jiān)測裝置的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行了對比，介紹了一種可以實(shí)時監(jiān)測發(fā)電機(jī)出線套管、內(nèi)冷水箱、密封瓦等關(guān)鍵部位漏氫情況并自動報(bào)警的新型發(fā)電機(jī)漏氫在線監(jiān)測裝置，并對其設(shè)計(jì)、構(gòu)造、性能特點(diǎn)以及在焦作電廠#3發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了論述。

1 系統(tǒng)簡介

焦作電廠#3發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-200-2型氫冷汽輪發(fā)電機(jī)，1985年12月建成投產(chǎn)，裝機(jī)容量200 MW，2001年增容至220 MW。發(fā)電機(jī)為水-氫-氫冷卻方式，其密封瓦為雙流環(huán)式，內(nèi)冷水箱為開啟式。發(fā)電機(jī)三相出線套管分相接入封母軟連接段，中性點(diǎn)3根套管均接入中性點(diǎn)聯(lián)箱。

該機(jī)組自投運(yùn)以來，多次發(fā)生運(yùn)行中漏氫。其中的氫氣內(nèi)漏故障因其查找難、危害大，一直是機(jī)組運(yùn)行中面臨的難題。此前，該廠主要依靠計(jì)算機(jī)組每日漏氫量監(jiān)測其漏氫情況，當(dāng)漏氫量超標(biāo)時進(jìn)行查漏。上述漏氫檢測方式費(fèi)時費(fèi)力(從漏氫發(fā)生到發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)往往需要兩天以上)，查找氫氣冷卻器漏氫時還需要降低機(jī)組出力，對機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性均十分不利，亟需通過先進(jìn)的監(jiān)控裝置對發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏做出及時準(zhǔn)確的判斷。

2 對比分析

目前國內(nèi)生產(chǎn)的該類裝置從工作原理上主要分為兩種:(1)熱導(dǎo)型：由一臺安裝在發(fā)電機(jī)附近的熱導(dǎo)式氫氣分析儀通過管道從不同測點(diǎn)依次抽取氣樣進(jìn)行檢測，分析各測點(diǎn)的氫含量；(2)傳感器型：用氫敏傳感器做采樣頭，把發(fā)電機(jī)就地測點(diǎn)處的微量氫濃度的變化轉(zhuǎn)變成電信號，由裝在集控室或就地的電子儀表進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測。

熱導(dǎo)型漏氫循環(huán)監(jiān)測裝置需要配備抽氣泵、氣體取樣管路、時間繼電器、電磁閥，以一定的時間間隔自動依次循環(huán)進(jìn)行測量，具有測量范圍寬(0～100%)的優(yōu)點(diǎn)。但同時也存在對高、低端濃度(1%以下和95%以上)測量精度低、反應(yīng)滯后(30 min～2 h)，油、水系統(tǒng)測點(diǎn)需加裝干燥、過濾裝置，抽氣泵易損易泄漏，安裝、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，用戶已逐漸減少。

氫敏傳感器型漏氫監(jiān)測裝置由采樣頭、主機(jī)和連接電纜三部分組成。采樣頭安裝在氣體采樣處，主機(jī)安裝在集控室或發(fā)電機(jī)附近，兩者之間以電纜連接。該類裝置可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)漏氫的多通道在線監(jiān)測，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝和使用簡便、工作穩(wěn)定可靠、現(xiàn)場維護(hù)工作量小、靈敏度高、響應(yīng)和恢復(fù)時間短等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為常見的漏氫監(jiān)測方式。

采樣和檢測是漏氫監(jiān)測裝置工作過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)采樣原理的不同，市場上常見的傳感器型漏氫監(jiān)測裝置主要有透氫膜采樣和納米管束采樣兩大類。

透氫膜型漏氫監(jiān)測裝置的采樣頭氣室中裝有能將氣體與油、水、灰塵進(jìn)行分離的透氫膜片[2]。使用透氫膜采樣，現(xiàn)場的氫氣所帶的油氣和水粘附在透氫膜上，易使其發(fā)生阻塞或老化穿孔，造成漏報(bào)、誤報(bào)和傳感器侵蝕，傳感器整體壽命通常較短。

納米管束型漏氫監(jiān)測裝置采樣頭中的納米管束與透氫膜作用相同，但其油、水隔斷能力相對較強(qiáng)（可達(dá)傳統(tǒng)透氫膜的 10倍以上），可以直接伸入帶壓的油、水中采集其中的氫氣，不會出現(xiàn)漏油、漏水現(xiàn)象，也不存在內(nèi)冷水箱滿水位時浸泡采樣頭、損壞儀器和設(shè)備的問題。

根據(jù)傳感器內(nèi)氫敏元件的不同，目前國內(nèi)常見的傳感器型監(jiān)測裝置主要分鈀柵氫敏傳感器型和金屬鉑氫敏傳感器型兩大類。

鈀柵氫敏傳感器由鈀柵場效應(yīng)晶體管 (Pd-MOSFET，簡稱鈀管)、穩(wěn)定補(bǔ)償部件、加熱器、測溫元件構(gòu)成，屬于半導(dǎo)體氣敏元件的一種。其檢測原理是利用鈀管開啟電壓隨氫氣濃度變化的特性檢測氫氣濃度，具有對氫氣選擇性好、靈敏度高、功耗低、響應(yīng)和恢復(fù)時間短、工作溫度低以及氣-電轉(zhuǎn)換過程中不消耗氫等優(yōu)點(diǎn)。但同時主要存在兩方面不足：(1)線性范圍窄，鈀管本身對氫氣的響應(yīng)是非線性的，濃度越高響應(yīng)越低，需要在儀器設(shè)計(jì)上采用線性化補(bǔ)償電路使讀數(shù)線性化；(2)穩(wěn)定性較差，輸出特性隨環(huán)境溫度、濕度等影響而漂移，需采取補(bǔ)償措施。鈀柵氫敏傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

金屬鉑氫敏傳感器由鉑絲氣敏元件、放大電路、變送電路組成(如圖2所示)。其中的鉑絲氣敏元件屬于接觸燃燒式氣敏元件。其檢測原理是：氫氣與空氣中的氧在鉑絲表面發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大，進(jìn)而通過測定鉑絲的電阻變化值(ΔR)檢測氫氣濃度。此類傳感器具有對氣體選擇性好、線性度好、受溫濕度影響小、響應(yīng)快、計(jì)量準(zhǔn)確、壽命較長的特點(diǎn)。其不足之處是：只能測量有氧環(huán)境中的氫氣濃度[3]。

3 對比綜述

據(jù)了解，世界上只有原蘇聯(lián)和中國采用熱導(dǎo)型裝置監(jiān)測發(fā)電機(jī)內(nèi)部漏氫[4]。目前此類裝置國內(nèi)廠家已基本停止生產(chǎn)。而在傳感器領(lǐng)域，納米管束采樣方式和金屬鉑氫敏元件具有較多優(yōu)勢，在國內(nèi)大中型氫冷汽輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用日益廣泛。國內(nèi)某公司出品的LH1500型漏氫在線監(jiān)測裝置集上述優(yōu)點(diǎn)及通信技術(shù)于一體，適用于發(fā)電機(jī)氫、油、水系統(tǒng)中燃燒濃度下限(體積比：空氣中4%，氫氧混合氣中4.5%)以內(nèi)氫氣濃度的檢測，成為項(xiàng)目的最終選定機(jī)型。

4 安裝與應(yīng)用

4.1 裝置簡介

LH1500漏氫在線監(jiān)測裝置主要由主機(jī)、電纜和采樣頭三部分構(gòu)成。裝置采用納米管束采樣頭，常規(guī)配制8點(diǎn)檢測，可擴(kuò)展至14點(diǎn)。裝置主機(jī)主要由單片機(jī)、存儲器、時鐘電路、顯示電路、鍵盤掃描電路、報(bào)警控制電路等部分組成。整套裝置的工作原理(具體如圖3所示)為：采樣頭將待測環(huán)境氫氣濃度信號轉(zhuǎn)化為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號遠(yuǎn)傳到主機(jī)，經(jīng)主機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給單片機(jī)；單片機(jī)將各路數(shù)據(jù)處理后顯示在彩色LCD屏上，并顯示量程、高低位報(bào)警值、日期等相關(guān)信息；同時單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號輸出；另外單片機(jī)還可根據(jù)各點(diǎn)的氫氣濃度及其報(bào)警限值發(fā)出高低位報(bào)警信號；系統(tǒng)預(yù)留1個與機(jī)組DCS系統(tǒng)通信的RS-232/485串行口。

4.2 應(yīng)用情況

焦作電廠#3發(fā)電機(jī)于2010年1月檢修期間安裝了LH1500型漏氫在線監(jiān)測裝置(共設(shè)11個測點(diǎn)，安裝原理如圖4所示)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏的多點(diǎn)集中實(shí)時監(jiān)控，使以往查處漏氫費(fèi)時費(fèi)力的情況得到明顯改觀，同時減少了漏氫造成的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[5]。

5 經(jīng)驗(yàn)與建議

LH1500型漏氫在線監(jiān)測裝置在焦作電廠投運(yùn)以來，主要有以下經(jīng)驗(yàn)和建議可供借鑒參考。

5.1 使用經(jīng)驗(yàn)

(1)裝置各采樣頭應(yīng)垂直安裝以便于取樣，提高響應(yīng)速度。

(2)安裝時應(yīng)先將變送器從取樣管道、閥門上拆解下來，待取樣管路焊好后再組裝變送器，以防焊接熱量影響變送器的準(zhǔn)確性。

(3)測點(diǎn)出現(xiàn)漏氫后，應(yīng)及時消除漏氫或?qū)⒆兯推髋c氫氣隔離，否則可能縮短采樣頭壽命。

(4)部分大容量發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水箱采用充氮微正壓運(yùn)行方式，其內(nèi)冷水箱內(nèi)往往存在氧氣不足、氫氣積累的問題，進(jìn)而影響鉑電阻氫敏傳感器的準(zhǔn)確性。此類機(jī)組內(nèi)冷水箱宜裝設(shè)帶有氧氣濃度自動補(bǔ)償功能的專用傳感器。

5.2 應(yīng)用建議

(1)焦作電廠#3發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)聯(lián)箱上部僅安裝了1個測氫采樣頭，當(dāng)3只中性點(diǎn)套管中的某只發(fā)生漏氫時，難以迅速做出準(zhǔn)確判斷。建議在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)聯(lián)箱內(nèi)加裝相間絕緣隔板后，在每根套管上方各裝1個測點(diǎn)，以及時、準(zhǔn)確地判定漏氫部位。

(2)LH1500型漏氫監(jiān)測裝置能夠?qū)崟r顯示各測點(diǎn)氫氣濃度，存儲255天內(nèi)的每日濃度最大值，但不提供歷史數(shù)據(jù)曲線，作為現(xiàn)場設(shè)備單獨(dú)使用時，無法準(zhǔn)確判定漏氫起始時間及變化情況；因此有必要將裝置輸出接入電廠DCS系統(tǒng)，存儲歷史數(shù)據(jù)、顯示歷史曲線，確保運(yùn)行人員隨時掌握漏氫量變化，發(fā)揮裝置最大效能。

發(fā)電機(jī)漏氫在線監(jiān)測裝置是介于電氣、熱控、化學(xué)三個交叉專業(yè)間的一種檢測設(shè)備。本文通過對不同工作原理的同類儀器的介紹和對比分析，從現(xiàn)場應(yīng)用的角度提出了儀器的使用經(jīng)驗(yàn)和建議，對儀器的選型、安裝和正確使用維護(hù)具有一定指導(dǎo)意義。實(shí)踐表明，漏氫在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用，特別是納米管束采樣和金屬鉑氫敏傳感器技術(shù)的應(yīng)用，為氫冷發(fā)電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件，除有效防止嚴(yán)重危及人身和設(shè)備安全的氫爆事故發(fā)生外，還有助于早期確定發(fā)電機(jī)設(shè)備的缺陷和故障，從而及時避免發(fā)生嚴(yán)重的設(shè)備事故，值得推廣應(yīng)用。

[1]陳麗華.汽輪發(fā)電機(jī)漏氫問題及其檢測[J].科海故事博覽·科教創(chuàng)新,2009(7).

[2]白亞民,呂明.發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測儀的開發(fā)與應(yīng)用[J].電力設(shè)備,2004(5).

[3]張良軍.600 MW汽輪發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測裝置國產(chǎn)化改造[J].浙江電力,2009年增刊.

[4]白亞民,呂 明.發(fā)電機(jī)漏氫在線監(jiān)測裝置應(yīng)用狀況的研究[J].電力設(shè)備,2001(1).

[5]范聲斌.汽輪發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測裝置應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].東方電機(jī),2009(5).