海陽核電廠氫氣干燥器的運行及優(yōu)缺點分析

張 弛

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265100）

0 引言

對于氫冷汽輪發(fā)電機(jī)來說，其定子線圈絕緣水平往往與氫氣的濕度密切相關(guān)，汽輪發(fā)電機(jī)在運行過程中，常常因為密封油中含水量過大、制氫站來氫濕度過高等原因而使發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度增高。過高的氫氣濕度會相應(yīng)增加發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗，降低發(fā)電機(jī)運行效率，加速絕緣材料的腐蝕速度，縮短發(fā)電機(jī)使用壽命，對發(fā)電機(jī)安全運行造成極大的危害，氫氣濕度超標(biāo)已成為影響氫冷汽輪發(fā)電機(jī)運行效率和使用壽命的重要因素之一。在發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)中加裝干燥設(shè)備，可以使氫氣濕度降至標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，避免發(fā)生惡性及災(zāi)難性事故，是確保大容量氫冷汽輪發(fā)電機(jī)組可靠運行的重要措施[1-3]。

1 幾種類型氫氣干燥器的簡介

氫氣去濕的方法主要分為兩種，一種是冷凝式除濕，即使用制冷設(shè)備將氫氣的溫度降低，使其中的水分以結(jié)露或結(jié)霜的形式析出，再經(jīng)過化霜將析出的水分排出，從而達(dá)到氫氣去濕的目的。根據(jù)使用制冷設(shè)備的不同，冷凝式除濕裝置又分為機(jī)械制冷式和電子制冷式二種，通常前者稱冷凝式氫氣干燥器，后者稱電子致冷式（或稱半導(dǎo)體致冷式）氫氣干燥器。另一種是吸附式除濕，即使氫氣以一定的速度、壓力流過裝有吸濕劑的容器，使其中的水分被吸濕劑吸收，從而達(dá)到氫氣去濕的目的。

吸附式除濕干燥程度深，節(jié)電節(jié)能，但吸濕量有限，需再生，干燥劑消耗量和設(shè)備維護(hù)工作量很大；而冷凝式除濕能持續(xù)干燥去濕，無需再生，操作簡單，并能使被干燥的氫氣降溫，但是其制冷深度和干燥程度很難滿足現(xiàn)行電力標(biāo)準(zhǔn)。兩者各有其發(fā)展領(lǐng)域和市場潛力，文中后續(xù)將主要針對海陽核電廠使用的吸附式除濕干燥器優(yōu)缺點進(jìn)行分析。

2 海陽核電廠氫氣干燥器的運行總結(jié)

2.1 氫氣干燥裝置的結(jié)構(gòu)

海陽核電廠氫氣干燥器由三菱公司生產(chǎn)，設(shè)備主要由2個干燥塔，四通導(dǎo)向閥、泄壓閥、壓力平衡閥、冷凝器、再生風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)等部件組成，每個干燥塔內(nèi)置吸濕劑和再生加熱器，其流程簡圖見圖1。

圖1 干燥器流程簡圖

2.2 氫氣干燥裝置的工作流程

干燥器采用雙塔切換吸附的運行方式對氫氣進(jìn)行干燥，封閉在再生列內(nèi)的氫氣由再生風(fēng)機(jī)推動和四通閥導(dǎo)向始終流過再生列吸收塔，發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣則由循環(huán)風(fēng)機(jī)和四通閥導(dǎo)向始終流過干燥列吸收塔進(jìn)行除濕，再生列干燥塔和干燥列干燥塔定期進(jìn)行切換，因此能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣進(jìn)行不間斷的干燥。整個工作過程由PLC按預(yù)定程序自動控制，也可以進(jìn)行手動控制。由于手動模式下，所有設(shè)備均要手動操作，流程十分繁瑣，一旦操作失誤即可能造成設(shè)備超壓、加熱器超溫等嚴(yán)重后果，所以不建議使用手動模式。

將氫氣干燥器投入自動模式后，氫氣干燥器會按照如下方式運行：

1）被選擇為干燥列的干燥塔，會持續(xù)對氫氣干燥2周（336 h），2周后會自動切換至另一列進(jìn)行氫氣干燥。

2）對于另一列未被選為干燥列的干燥塔，在投入自動模式后立即開始再生。

3）再生過程：再生風(fēng)機(jī)和再生加熱器啟動，SV-1（泄壓電磁閥）自動開啟將再生列壓力降至50 kpa并始終保證其不超壓，再生過程持續(xù)300 min；再生過程中產(chǎn)生的凝結(jié)水通過SV-3（疏水電磁閥）進(jìn)行排放，SV-3會在再生加熱器啟動后的30 min時第一次開啟，并且在此后的每5 min開關(guān)一次，每次開10 s；再生過程中加熱器維持500℃，干燥劑溫度約為150℃。

4）經(jīng)過300 min再生，干燥塔會進(jìn)行1 h的冷卻，冷卻完畢后SV-2A/2B（平衡電磁閥）開啟，將再生列和干燥列的氫氣干燥塔的壓力進(jìn)行平衡，干燥列干燥塔投入備用，等待干燥塔的定期切換。

2.3 氫氣干燥裝置的常見故障

2.3.1 進(jìn)出口露點溫度報警

氫氣干燥器（干燥列）進(jìn)出口露點溫度分別達(dá)到（+5/0）℃時，系統(tǒng)會產(chǎn)生相應(yīng)報警，表明發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度已不合格。海陽核電廠出現(xiàn)多次該報警的原因是干燥塔自動模式下切換時間長達(dá)2周，并且不會根據(jù)露點溫度自動切換，當(dāng)制氫站供氫濕度較高時，干燥劑經(jīng)常會在3天左右就失效，從而產(chǎn)生上述報警。

針對該問題，建議增加相應(yīng)邏輯，當(dāng)干燥列出口露點溫度達(dá)到-20℃時，立即自動進(jìn)行干燥塔切換，確保發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

2.3.2 干燥塔進(jìn)油

由于發(fā)電機(jī)密封油與發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣存在接觸，難以避免進(jìn)入干燥塔的氫氣中含有一定量的油沫，油沫附著在干燥劑表面，會嚴(yán)重影響干燥塔的除濕效率，進(jìn)而導(dǎo)致干燥器失效。海陽核電廠2020年2月對氫氣干燥器的定期維護(hù)過程中就發(fā)現(xiàn)干燥劑表面的油污過多，已經(jīng)失效，最終只能整體更換干燥塔處理。

對于吸附式干燥器進(jìn)油問題，國內(nèi)很多電廠都有類似的問題，只有改進(jìn)發(fā)電機(jī)的制造工藝水平，減小密封油向氫氣的泄露才能治本。海陽核電廠的汽輪發(fā)電機(jī)組由三菱哈動提供，其制造工藝水平較高，相比其他國產(chǎn)發(fā)電機(jī)，漏油量比較小，此外運行處還會持續(xù)對干燥器疏水中的水中油進(jìn)行取樣跟蹤，以確定干燥劑的失效周期。

2.3.3 再生列干燥塔超壓

再生列干燥塔在再生過程中，由于是密閉系統(tǒng)且有電加熱器一直加熱，其壓力會持續(xù)上升，當(dāng)其壓力升至55 kpa時，SV-1（泄壓電磁閥）自動開啟，通過1-HCS-V3429（HCS背壓氣動調(diào)節(jié)閥）維持再生列干燥塔壓力不超過50 kpa。由于1-HCS-V3429可以人為調(diào)節(jié)，故存在故障的可能性，一旦其無法實現(xiàn)調(diào)壓功能導(dǎo)致再生列干燥塔超壓，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警并停止干燥塔再生。海陽核電廠商業(yè)運行以來，多次出現(xiàn)再生列干燥塔超壓報警，均是由于1-HCS-V3429故障無法實現(xiàn)其調(diào)壓功能。

針對該缺陷，運行值已多次提出相應(yīng)整改要求，并由維修人員對1-HCS-V3429進(jìn)行故障處理。

3 海陽核電廠氫氣干燥器的優(yōu)缺點分析

封閉再生吸附式氫氣干燥器具有出口氫氣濕度小、可持續(xù)除濕、除濕效果好、干燥劑可再生重復(fù)使用、干燥劑再生不消耗氫氣、振動和噪聲小，不易出故障等優(yōu)點。

由于采用吸濕劑除濕，再生吸附式氫氣干燥裝置主要缺點是：

1）氫氣中的油污、灰塵對除濕效果影響很大，甚至使吸濕劑失去除濕能力；

2）吸濕劑在再生加熱時和冷卻時都會產(chǎn)生溫度的不均勻變化，由于熱脹冷縮原理產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力變化，這種變化最終將導(dǎo)致吸濕劑顆粒粉末化，粉末可能由氫氣流帶入發(fā)電機(jī)內(nèi)，造成對發(fā)電機(jī)的污染；

3）由于吸附劑的性質(zhì)是能把比其直徑小的分子吸附到孔穴的內(nèi)部中來，因此，當(dāng)吸附劑接觸空氣時將吸收大量的空氣，包括氧氣。如果氣體置換時使用二氧化碳，則又會吸附大量的二氧化碳。在干燥器投入運行后，在再生過程中將這些氣體脫附釋放出來，會在密封的再生系統(tǒng)中形成氫氣和空氣或二氧化碳的混合氣，輕則會在一定程度上影響發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度，重則由于再生系統(tǒng)內(nèi)有電加熱器，可能點燃混合氣體發(fā)生燃燒或爆炸。

雖然吸附式氫氣干燥器存在上述缺點，但這不代表這種產(chǎn)品是不可靠的，相比于冷凝式干燥器的一些缺陷，吸附式干燥器是更好的選擇，而且隨著技術(shù)的不斷迭代更新，新式的吸附式氫氣干燥器早已問世，將老式吸附式干燥器的一些缺陷進(jìn)行了處理，現(xiàn)將其特點進(jìn)行介紹。

新一代雙塔型氫氣干燥器采用開環(huán)方式進(jìn)行再生，將再生塔釋放出水氣和污染物全部排空，徹底清除了干燥塔工作時所吸附的污染物和水氣，大幅度提高回路中氫氣純度；同時也省去了水冷卻系統(tǒng)，降低了運轉(zhuǎn)費用。其代價只是多消耗了少量氫氣（每次再生約放空6～10 m3的氫氣）。由于再生徹底，再生塔每次可連續(xù)工作15天以上，甚至30天。因而，這種再生方法在全年運行中，所消耗的氫氣是非常有限的。此外，通過對進(jìn)出口露點的設(shè)定和監(jiān)測，干燥塔進(jìn)行自動切換，使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的最佳運行狀態(tài)，保證氫氣純度的提高，效果十分理想。

4 結(jié)語

再生吸附式氫氣干燥器技術(shù)源于美國，在西方比較普及，該技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟，具有出口氫氣濕度小、可持續(xù)除濕、除濕效果好、干燥劑可再生重復(fù)使用、干燥劑再生不消耗氫氣、振動和噪聲小，不易出故障等優(yōu)點。雖然也存在一些缺陷，但通過合理運行及定期維修，都是可以處理的。

作為運行值班人員要認(rèn)真學(xué)習(xí)氫氣干燥器相關(guān)知識，及時處理氫氣干燥器運行中出現(xiàn)的故障。