監(jiān)視氫冷發(fā)電機(jī)氫氣露點(diǎn)的重要性

據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前我國(guó)在役發(fā)電機(jī)中，完全或部分采用氫氣作為冷卻介質(zhì)的發(fā)電機(jī)占比超過(guò)六成（主要是火電機(jī)組），基于此實(shí)際情況，本文試圖從采用氫氣的優(yōu)點(diǎn)、對(duì)氫氣系統(tǒng)的控制措施、氫氣露點(diǎn)超標(biāo)的危害與原因等諸方面探討一下監(jiān)視氫冷發(fā)電機(jī)氫氣露點(diǎn)的重要性。

一、為什么越來(lái)越多的發(fā)電機(jī)采用氫氣作為冷卻介質(zhì)

相對(duì)于傳統(tǒng)冷卻介質(zhì)（比如空氣），氫氣具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1、標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氫氣密度僅為空氣的 1/14 ，是地球上最輕的物質(zhì)。

2、氫的分子運(yùn)動(dòng)速度最快，從而有最大的擴(kuò)散速度和很高的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱能力是空氣的7倍。

3、氫氣的密度很小，其流動(dòng)阻力也很小，可以明顯減少通風(fēng)摩擦損耗。

4、在發(fā)電機(jī)給定輸出功率和繞組溫度時(shí)，用氫氣代替空氣可以節(jié)省大約20%的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)材料。

二、相關(guān)職能部門對(duì)氫氣系統(tǒng)有什么規(guī)定

在國(guó)家電力公司制定的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》11.2.2中明確提出要“嚴(yán)格控制氫冷發(fā)電機(jī)氫氣的濕度在規(guī)程允許的范圍內(nèi)，并做好氫氣濕度的控制措施”， 氫冷發(fā)電機(jī)的氫氣濕度通常采用絕對(duì)濕度和露點(diǎn)兩種表示方法。我國(guó)最早氫氣濕度采用絕對(duì)濕度，隨著對(duì)大型發(fā)電機(jī)氫氣濕度超標(biāo)的危害性認(rèn)識(shí)的不斷深化，濕度標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)多次演變，要求越來(lái)越高。近年來(lái)，為了能夠使氫氣濕度的計(jì)量更加直觀和通用，推薦逐步以露點(diǎn)表示法代替采用多年的絕對(duì)濕度表示法。

DL/T651-1998《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度的技術(shù)要求》規(guī)定，運(yùn)行中發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度應(yīng)在-25～-5℃露點(diǎn)溫度。為防止發(fā)電機(jī)電氣絕緣因機(jī)內(nèi)過(guò)于干燥而開(kāi)裂，發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度不應(yīng)低于-25℃露點(diǎn)溫度;但氫氣濕度超標(biāo)通常是指運(yùn)行中發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度超過(guò)-5℃露點(diǎn)溫度。

三、氫氣露點(diǎn)是個(gè)什么概念

氫氣露點(diǎn)溫度是指氫氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說(shuō)，就是氫氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度本來(lái)是個(gè)溫度值，為什么用它來(lái)表示濕度呢？這是因?yàn)?，?dāng)氫氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)相同;當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在100%的相對(duì)濕度時(shí)，周圍環(huán)境的溫度就是露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)越小于周圍環(huán)境的溫度，結(jié)露的可能性就越小，也就意味著氫氣越干燥。露點(diǎn)不受溫度影響，但受壓力影響，因?yàn)閴毫?huì)影響到飽和時(shí)的溫度。氫氣中水蒸氣含量愈少，露點(diǎn)愈低，由此可見(jiàn)，露點(diǎn)的概念就是濕度的概念。

四、氫氣露點(diǎn)（濕度）超標(biāo)有什么危害

1、發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)氫氣露點(diǎn)過(guò)高時(shí)，會(huì)在發(fā)電機(jī)定子線圈表面結(jié)露，造成災(zāi)難性的后果。濕度過(guò)高的環(huán)境下，氫氣濕度越高，氫氣中水分越高，氣體的介電強(qiáng)度就低，定子繞組受潮，降低絕緣電阻，從而降低了絕緣表面放電電壓，容易發(fā)生閃絡(luò)和絕緣擊穿，發(fā)電機(jī)定子繞組線棒絕緣性能下降，易于發(fā)生表面爬電，以致拉弧放電，造成短路事故。如果絕緣達(dá)不到要求就有可能造成發(fā)電機(jī)匝間短路，嚴(yán)重時(shí)可能造成發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路而燒壞發(fā)電機(jī)。氫氣中的濕度大是影響發(fā)電機(jī)絕緣的主要危害因素之一。

氫氣在氫冷發(fā)電機(jī)中主要是起冷卻作用。作為冷卻介質(zhì)，時(shí)刻與發(fā)電機(jī)的定子繞組的電氣絕緣發(fā)生接觸。氫氣濕度過(guò)高會(huì)降低發(fā)電機(jī)內(nèi)部的定子繞組線棒絕緣性能，長(zhǎng)期在氫氣濕度超標(biāo)工況下運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，可能因?yàn)榻^緣性能的降低使內(nèi)部產(chǎn)生局部放電，從而破壞電氣絕緣，導(dǎo)致單相或相間短路事故，危及發(fā)電機(jī)的安全。雖然目前還沒(méi)有確切的證據(jù)表明某臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子接地或相間短路故障與氫氣濕度超標(biāo)存在直接的因果關(guān)系，但可以發(fā)現(xiàn)部分發(fā)生了定子接地或相間短路故障的氫冷發(fā)電機(jī)確實(shí)長(zhǎng)年運(yùn)行在氫氣濕度不合格的工況下。

2、發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣露點(diǎn)升高，可能造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)應(yīng)力腐蝕。發(fā)電機(jī)要求在規(guī)定的絕緣條件下運(yùn)行，氫氣露點(diǎn)過(guò)高，將使發(fā)電機(jī)絕緣受潮，會(huì)給轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度帶來(lái)有害的影響。理論和實(shí)踐表明，發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣濕度過(guò)高是采用50Mnl8Cr4Wn材料的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的主要誘因。

發(fā)電機(jī)氫氣濕度高，將對(duì)其接觸的金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，而應(yīng)力腐蝕與金屬氫脆相互起到催化作用。常溫下原子氫進(jìn)入鋼中，使鋼變脆，但這種作用極其緩慢。在高溫高壓條件下（如溫度為370 ℃ ，壓力為9.8MPa），氫對(duì)鋼有強(qiáng)烈的脆化作用。一是溶解于鋼的晶格中的原子氫在隨后的緩慢變形中引起脆化作用，而鋼的組織并無(wú)變化;二是氫向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散，與鋼中滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的甲烷在鋼中擴(kuò)散能力很小，聚集在晶界上原有的空隙內(nèi)，形成局部高壓，使晶界變寬，引起脆化。據(jù)有關(guān)資料介紹，對(duì)非18Cr18Mn材料的護(hù)環(huán)，氫氣相對(duì)濕度在 50 %以上時(shí)，對(duì)其應(yīng)力腐蝕將急劇加速，即使是采用18Cr18Mn材料的護(hù)環(huán)，氫氣相對(duì)濕度在80%以上時(shí)，同樣會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。由于應(yīng)力腐蝕使護(hù)環(huán)產(chǎn)生裂紋;同時(shí)絕緣瓦松動(dòng)，引起絕緣瓦同護(hù)環(huán)端部轉(zhuǎn)子線圈摩擦，引起轉(zhuǎn)子線圈接地或短路。

3、由于氫氣濕度超標(biāo)，機(jī)內(nèi)氣體比重增大將使發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗增大，其高值與低值相比較，每年多耗電能。由于氫氣中濕度大，水分高，使氣體密度增大，增加了發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗，降低了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。過(guò)高的氫氣露點(diǎn)也會(huì)使氫氣純度降低，增加了排補(bǔ)氫次數(shù)，加大了補(bǔ)氫量，影響發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

五、氫氣露點(diǎn)超標(biāo)的原因

1、氫源濕度大，目前電廠制氫站采用70℃～80℃堿性水溶液電解制取氫氣，產(chǎn)品氫氣中不可避免地帶有水分，雖然水冷卻器可以除去部分水分，但效果并不明顯，因此，由于補(bǔ)氫或充氫使大量水分進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)。

2、機(jī)組啟動(dòng)前由于壓縮空氣打風(fēng)壓或用CO2進(jìn)行氫氣置換過(guò)程中帶進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)并且遺留在發(fā)電機(jī)內(nèi)的水氣，逐漸揮發(fā)到發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣中而造成氫氣濕度增大，露點(diǎn)升高。

3、密封油進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)引起氫氣濕度增大，由于汽輪機(jī)軸封結(jié)構(gòu)原因，目前國(guó)產(chǎn)機(jī)組潤(rùn)滑油進(jìn)入水蒸氣，當(dāng)含有水的油回到主油箱后，由于重力作用，水的大部分將沉淀在主油箱底部，而另一部分以細(xì)小水滴方式存在于油流中，被油泵重新打入潤(rùn)滑油、密封油及調(diào)速油系統(tǒng)中。由于目前我國(guó)密封油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：密封瓦為雙環(huán)式，供油系統(tǒng)分為空、氫兩個(gè)回路，并且各回路之間相對(duì)獨(dú)立，如果密封瓦空、氫側(cè)油壓完全相等，則在密封瓦兩側(cè)的中間帶不會(huì)發(fā)生竄油現(xiàn)象。為此，設(shè)計(jì)了用于平衡空、氫兩側(cè)油壓的平衡閥，但其設(shè)計(jì)的靈敏度有限，也就是說(shuō)，空氫兩側(cè)油壓將有一定的壓差。在這一壓差的作用下，空側(cè)油將經(jīng)密封瓦的中間帶竄入氫側(cè)，與氫側(cè)油共同排至氫側(cè)回油腔。在這一過(guò)程中，油中的部分水分將被高溫汽化析出，在風(fēng)扇的負(fù)壓的作用下，隨氫氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，造成氫氣濕度增大。

4、發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器泄露引起氫氣濕度增大。由于發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器銅管破裂或制造工藝存在砂眼、銅管與管板的脹口質(zhì)量不良、冷卻器密封墊不嚴(yán)，或者運(yùn)行中冷卻器銅管內(nèi)水壓較銅管外氫壓高等等原因，將發(fā)生冷卻水直接漏入氫氣中，造成氫氣濕度增大。

5、其他原因，諸如發(fā)電機(jī)內(nèi)部線棒、水接頭等部位滲水，造成氫氣濕度增大等等。

六、防止氫氣露點(diǎn)超標(biāo)所采取的防范措施

1、發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行中，運(yùn)行人員必須監(jiān)視氫氣露點(diǎn)保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-25℃～-5℃之間，純度在合格范圍以上。新補(bǔ)進(jìn)的氫氣露點(diǎn)應(yīng)該≤-25℃，且越低越好。

2、保證發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣露點(diǎn)合格從氫氣源頭就加以控制。制氫裝置運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)在線露點(diǎn)儀的監(jiān)視，如果露點(diǎn)升高，值班員須查找原因，及時(shí)處理。

3、發(fā)電機(jī)密封油壓應(yīng)該高于氫壓，保證氫氣不外漏，但是壓差不能過(guò)高，防止密封油竄到氫氣中。運(yùn)行中監(jiān)視差壓閥和平衡閥的跟蹤動(dòng)作情況，減少空氫側(cè)密封油水分進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣中的機(jī)會(huì)。密封油與潤(rùn)滑油系統(tǒng)為一個(gè)油系統(tǒng)，應(yīng)保證油凈化裝置、濾油機(jī)運(yùn)行正常，定期對(duì)主油箱放水。軸封壓力調(diào)整應(yīng)該按照規(guī)程規(guī)定執(zhí)行，防止軸封壓力過(guò)高引起蒸汽竄入潤(rùn)滑油中。軸封經(jīng)過(guò)大小修或發(fā)現(xiàn)軸封不嚴(yán)應(yīng)該及時(shí)更換，防止機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)軸封不嚴(yán)而引起漏汽進(jìn)入潤(rùn)滑油中。

4、嚴(yán)格控制發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器冷卻水壓力和氫氣壓力的配合，尤其是在氫壓不正常的情況下，氫氣壓力應(yīng)該始終高于冷卻水壓力，防止氫冷器泄漏造成冷卻水竄進(jìn)氫氣內(nèi)。

總之，氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度過(guò)高，不僅危害發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組的絕緣強(qiáng)度，而且會(huì)使轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋;而氫氣濕度過(guò)低，又可導(dǎo)致對(duì)某些部件產(chǎn)生有害的影響，如定子端部墊塊的收縮和支撐環(huán)的裂紋等，為了保證氫冷發(fā)電機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，運(yùn)行人員必須提高對(duì)氫氣露點(diǎn)超標(biāo)的危害的認(rèn)識(shí)，明確氫冷發(fā)電機(jī)監(jiān)視氫氣露點(diǎn)的重要性，嚴(yán)格控制氫氣露點(diǎn)在規(guī)定的范圍內(nèi)，除了以上防范措施以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的可行辦法外，還可以通過(guò)啟停配套的發(fā)電機(jī)入口氫氣干燥器對(duì)發(fā)電機(jī)氫氣露點(diǎn)加以控制。

廣州珠江天然氣發(fā)電有限公司 葉述鋒