發(fā)電機(jī)氫氣濕度大的分析與處理研究

陳天恩

（國家能源集團(tuán)宿遷發(fā)電有限公司，江蘇 宿遷223800）

某電廠二期兩臺660MW 二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組均采用上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-660-2 型水氫氫交流同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的冷卻方式為：定子線圈水冷、定子鐵心與轉(zhuǎn)子氫冷、并連環(huán)與出線套管水冷。轉(zhuǎn)子的通風(fēng)冷卻方式為采用軸流式風(fēng)扇、氣隙取氣。發(fā)電機(jī)的氫氣密封油系統(tǒng)通過雙流環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)將氫氣密封在發(fā)電機(jī)內(nèi)。為了更好的清除氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)的水蒸氣，監(jiān)測發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度，每臺發(fā)電機(jī)還裝有一臺以活性氧化鋁為介質(zhì)的吸附式氫氣干燥裝置。在氫氣干燥器入、出口管處裝有露點儀對發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣溫度、濕度情況進(jìn)行在線監(jiān)視。發(fā)電機(jī)說明書中要求發(fā)電機(jī)氫氣濕度應(yīng)保持在-25 ℃～-5 ℃范圍內(nèi)，但從近一段時間的運行情況看，發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度變化范圍偏大，甚至有時還會出現(xiàn)氫氣濕度超標(biāo)的現(xiàn)象。

1 氫氣濕度表示方法

通常我們把氣體中的水汽含量稱作濕度，它有很多的表達(dá)方式，經(jīng)常用到的如：絕對濕度、相對濕度、混合比、體積比、水汽壓力、露點溫度等。而在這些表達(dá)方式中：能夠最清晰且非常直觀的表達(dá)出濕度的變化情況是露點溫度。露點溫度作為一種基本表達(dá)方式，它和氣體中的水汽含量成單值函數(shù)關(guān)系并且不會受到環(huán)境溫度的影響。露點溫度還會反應(yīng)出物體上是否會出現(xiàn)結(jié)露的現(xiàn)象，即：當(dāng)露點溫度比物體的溫度小時，則該物體上不會結(jié)露；相反，若露點溫度大于或者等于物體的溫度，則該物體上就會結(jié)露。因此，將氫氣濕度通過露點溫度的方式表達(dá)出來，可以清晰直觀的反應(yīng)出發(fā)電機(jī)內(nèi)是否會出現(xiàn)結(jié)露的現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^圖式法將露點溫度的概念描述出來，見圖1 所示。

如圖1 中所示，用點A 來表示氣體的狀態(tài)，假設(shè)水蒸汽的壓力保持穩(wěn)定，使氣體漸漸冷卻，那么氣體的狀態(tài)在這一過程中的運動軌跡是：點A 的運動軌跡是一條直線，且這條直線經(jīng)過點A 并與水平軸平行。最終，這條直線和飽和水蒸汽的壓力曲線在點B 相交，點B 所對應(yīng)的溫度為Td。繼續(xù)讓氣體進(jìn)一步冷卻，此時，若出現(xiàn)一個光滑潔白的平面，那么水汽就會在這個光潔的平面上凝結(jié)成露。因此將點Td 所對應(yīng)的溫度稱作露點溫度。若氣體處在這個溫度下，則氣體中的水蒸汽含量與其達(dá)到飽和狀態(tài)時的水汽含量相等。就像用水蒸汽壓力來表示氣體的水份含量一樣，也可以將氣體的濕度通過露點溫度表示出來。

2 氫氣濕度大的危害

發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度過大時，繞組的絕緣性能會有明顯下降，甚至絕緣表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，此時絕緣表面易引起沿面放電，存在極大的安全隱患，嚴(yán)重時會出現(xiàn)短路故障。若發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度偏大，還會使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象并伴有裂紋產(chǎn)生。根據(jù)相關(guān)資料表明，護(hù)環(huán)“氫致開裂”現(xiàn)象的基礎(chǔ)是水份參與的化學(xué)反應(yīng)，形成硝酸根離子，對金屬產(chǎn)生腐蝕，在承受有應(yīng)力情況下，裂紋的形成和擴(kuò)展將大大加速，極易引起轉(zhuǎn)子線圈接地或短路。另外，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度大還會在發(fā)電機(jī)運行時不斷增加發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗，如若不能得到及時有效的處理，會影響到發(fā)電機(jī)的運行效率，甚至?xí)Πl(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生威脅。

3 氫氣濕度大的原因分析

3.1 密封油中含水量超標(biāo)。通常，660MW 及以上容量的汽輪發(fā)電機(jī)所采用的密封瓦結(jié)構(gòu)有很多種，主流的有：單流環(huán)式、雙流環(huán)式和三流環(huán)式等。目前，雙流環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)是國內(nèi)的發(fā)電機(jī)普遍使用的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的氫側(cè)和空側(cè)的密封油系統(tǒng)互相獨立。在發(fā)電機(jī)正常運行時，其腔內(nèi)的氫壓為0.5 MPa，而密封油的壓力可以實現(xiàn)自動調(diào)整，通過密封油調(diào)壓門隨時動態(tài)調(diào)整密封油的壓力，目的是保持發(fā)電機(jī)的氫壓始終比發(fā)電機(jī)的密封油壓力低0.12 MPa 左右。這樣做的好處是能夠阻止氫氣順沿著發(fā)電機(jī)的軸隙向外部泄漏，同時也能夠阻止外部空氣順沿著發(fā)電機(jī)的軸隙滲入到發(fā)電機(jī)內(nèi)部。但是雙流環(huán)式密封瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得密封油和氫氣直接接觸，密封油正常工作時的溫度在64 ℃左右徘徊，在這個工作溫度下，氫氣系統(tǒng)中很容易被滲透進(jìn)來密封油中的水分，從而會對發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的濕度產(chǎn)生直接的影響。另外，若密封油的調(diào)壓門一旦出現(xiàn)故障而失靈，則會導(dǎo)致密封油壓力調(diào)整欠佳，或者出現(xiàn)密封瓦空、氫側(cè)密封油互相竄油的現(xiàn)象，都會使發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣中的水分變大。因此，若發(fā)電機(jī)密封油中的含水量不符合標(biāo)準(zhǔn)，則會直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度偏大。密封油中含水量的多少與下列因素有關(guān)：汽輪機(jī)組型號和工作方式、機(jī)組啟停次數(shù)、軸封的嚴(yán)密性、機(jī)組運行中能否及時有效的調(diào)整汽封壓力、冷油器管口的嚴(yán)密性、油凈化裝置的運行情況等。

3.2 補氫。機(jī)組在正常運行時，氫冷發(fā)電機(jī)有一定量的氫氣泄漏。為了保持正常運行時發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫壓穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)內(nèi)需要定期補氫。對發(fā)電機(jī)內(nèi)所補入的氫氣要求純度高(>96%)且含水量低。供給發(fā)電機(jī)充、補氫用的新鮮氫氣的濕度與發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度的大小有直接關(guān)系，必須保證所補氫氣的含水量在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。每臺發(fā)電機(jī)所充、補氫用的新鮮氫氣最好來自同一個氫源點。

3.3 水系統(tǒng)泄露。一般來講，由于水系統(tǒng)泄漏將水分帶入到發(fā)電機(jī)內(nèi)從而影響到發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度是存在的，但是發(fā)生的概率很低。水系統(tǒng)泄漏主要是指定冷水回路泄漏和氫冷器泄漏。正常運行時，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的壓力比氫壓低，氫冷器的氫壓或油壓比水壓高，因此，水系統(tǒng)泄漏使發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度變大的可能性不大。氫冷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用的是管式熱交換器結(jié)構(gòu)，用于對發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣進(jìn)行冷卻。閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為氫冷器提供冷卻水，熱交換器的管道中流動著閉冷水，而翅片管周圍流動著氫氣，二者之間通過相互的熱交換來冷卻氫氣。如果氫冷器出現(xiàn)泄漏的情況，則會直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度的增加。

3.4 氫氣干燥器是否運行良好。若氫氣干燥裝置工作不正常，例如氫氣干燥裝置內(nèi)的干燥劑失效，會直接導(dǎo)致氫氣干燥器出力不足，不能及時的將氫氣中所含的濕氣除去，使露點溫度達(dá)不到合格范圍內(nèi)時，必然會直接影響進(jìn)入到發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的干燥度，從而會進(jìn)一步影響到發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的濕度的大小。

4 氫氣濕度大的處理措施

某電廠#3 發(fā)電機(jī)氫氣濕度高于-5 ℃，查閱運行曲線發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)氫氣濕度呈周期性緩慢上升。據(jù)上述分析逐一排查：近段時間密封油系統(tǒng)運行正常，油化驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，并沒有密封油帶水的情況出現(xiàn)。由于該廠2 臺機(jī)組補氫來源都是同一氫站，而#4 發(fā)電機(jī)氫氣濕度的露點溫度正常，可排除所補氫氣中含水量大的原因。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)水系統(tǒng)壓力正常，未發(fā)現(xiàn)漏點。于是將工作重點轉(zhuǎn)移到排查氫氣干燥器是否能夠?qū)崿F(xiàn)正常的除濕功能。為了確認(rèn)是否是氫氣干燥器故障而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度偏大，做了以下具體的工作：首先確認(rèn)氫氣干燥器內(nèi)的干燥劑是否失效，檢查發(fā)現(xiàn)活性氧化鋁干燥劑遠(yuǎn)未達(dá)到3 年的使用壽命，氫氣干燥劑失效的可能性不大。檢查氫氣干燥器吸濕塔和再生塔發(fā)現(xiàn)能自動正常切換，但是再生塔干燥時的加熱溫度偏低，查詢氫氣干燥器的設(shè)備說明書發(fā)現(xiàn)再生塔工作時的理想溫度為：再生塔出口氣體溫度范圍為82℃±11℃，冷卻器出口氣體溫度范圍為35℃±5℃，再生塔內(nèi)溫度范圍為163℃±28℃。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)進(jìn)入到再生塔內(nèi)的氣體流量過大導(dǎo)致再生塔工作時的溫度偏低，從而導(dǎo)致再生塔內(nèi)的干燥劑干燥不徹底，這就進(jìn)一步導(dǎo)致了氫氣中的水分冷凝效果不佳，無法及時有效的排出干燥劑中的水分。通過減小氫氣干燥器再生流量控制閥開度，逐步減小進(jìn)入再生塔內(nèi)的氣體流量，調(diào)整過程中要時刻關(guān)注溫度的變化，每8 小時為一個工作周期，這樣經(jīng)過幾個不間斷的循環(huán)周期，發(fā)現(xiàn)再生塔的出口溫度、冷卻器出口的氣體溫度、干燥器塔內(nèi)的溫度三者達(dá)到動態(tài)平衡，都處在了最佳的工作溫度范圍內(nèi)。與此同時，在氫氣干燥器疏水閥的出水口處放置一個容器，用來觀察疏水閥的排水量，發(fā)現(xiàn)疏水閥的排水量偏少，懷疑疏水閥是否堵塞，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)自動疏水閥浮球有輕微銹蝕卡澀，堵住了出水口，經(jīng)過除銹導(dǎo)通出水口后，觀察疏水閥的排水量，每天的排水量達(dá)到200mL，排水正常且符合標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過上述處理，#3 發(fā)電機(jī)的氫氣干燥裝置出力恢復(fù)正常并達(dá)到了最佳工作狀態(tài)，露點溫度符合要求，見圖2 所示。

圖2 某廠#3 發(fā)電機(jī)露點溫度趨勢圖

結(jié)束語

氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度變化異常會對發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行帶來直接的影響。發(fā)電企業(yè)都必須嚴(yán)格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并堅決執(zhí)行到位，不管發(fā)電機(jī)組是處于正常運行狀態(tài)還是處于停機(jī)檢修狀態(tài)，都要時時刻刻做到對發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度變化情況的準(zhǔn)確監(jiān)測。一旦出現(xiàn)氫氣濕度的露點溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，需要及時準(zhǔn)確的查明原因并采取及時有效的處理措施。