汽輪發電機氫氣內漏在線監測技術應用研究

王云峰,梁 燕

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

汽輪發電機的安全穩定運行對電力系統乃至整個國民經濟都具有十分重要的意義。大、中型汽輪發電機一般采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組水內冷、轉子繞組氫內冷、鐵芯及其他構件氫冷。隨著機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電機的一個重要指標。發電機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、定子冷卻水系統、氫氣冷卻器、封閉母線套管軟連接段或中性點軟連接箱（下文簡稱“中性點聯箱”）中，即“內漏”[1]。外漏通常可以通過涂抹皂液或使用移動式測氫儀檢查發現，而內漏由于發現困難，成為氫冷機組運行的大患。

原國家電力公司2000年9月頒布的 《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中規定：“為防止氫冷發電機的氫氣漏入封閉母線，在發電機出線箱與封閉母線連接處應裝設隔氫裝置，并在適當地點設置排氣孔和加裝漏氫在線監測裝置。應按時檢測氫冷發電機油系統、主油箱內、封閉母線外套內的氫氣體積含量 （濃度）”。

本文對目前國內常見的幾種漏氫監測裝置的工作原理和特點進行了對比，介紹了一種可以實時監測發電機出線套管、內冷水箱、密封瓦等關鍵部位漏氫情況并自動報警的新型發電機漏氫在線監測裝置，并對其設計、構造、性能特點以及在焦作電廠#3發電機的實際應用情況進行了論述。

1 系統簡介

焦作電廠#3發電機為東方電機廠生產的QFSN-200-2型氫冷汽輪發電機，1985年12月建成投產，裝機容量200 MW，2001年增容至220 MW。發電機為水-氫-氫冷卻方式，其密封瓦為雙流環式，內冷水箱為開啟式。發電機三相出線套管分相接入封母軟連接段，中性點3根套管均接入中性點聯箱。

該機組自投運以來，多次發生運行中漏氫。其中的氫氣內漏故障因其查找難、危害大，一直是機組運行中面臨的難題。此前，該廠主要依靠計算機組每日漏氫量監測其漏氫情況，當漏氫量超標時進行查漏。上述漏氫檢測方式費時費力(從漏氫發生到發現故障點往往需要兩天以上)，查找氫氣冷卻器漏氫時還需要降低機組出力，對機組運行的經濟性和安全性均十分不利，亟需通過先進的監控裝置對發電機氫氣內漏做出及時準確的判斷。

2 對比分析

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

熱導型漏氫循環監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進行測量，具有測量范圍寬(0～100%)的優點。但同時也存在對高、低端濃度(1%以下和95%以上)測量精度低、反應滯后(30 min～2 h)，油、水系統測點需加裝干燥、過濾裝置，抽氣泵易損易泄漏，安裝、維護成本高等缺點，用戶已逐漸減少。

氫敏傳感器型漏氫監測裝置由采樣頭、主機和連接電纜三部分組成。采樣頭安裝在氣體采樣處，主機安裝在集控室或發電機附近，兩者之間以電纜連接。該類裝置可實現發電機漏氫的多通道在線監測，具有結構緊湊、安裝和使用簡便、工作穩定可靠、現場維護工作量小、靈敏度高、響應和恢復時間短等優點，是目前較為常見的漏氫監測方式。

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

透氫膜型漏氫監測裝置的采樣頭氣室中裝有能將氣體與油、水、灰塵進行分離的透氫膜片[2]。使用透氫膜采樣，現場的氫氣所帶的油氣和水粘附在透氫膜上，易使其發生阻塞或老化穿孔，造成漏報、誤報和傳感器侵蝕，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（可達傳統透氫膜的 10倍以上），可以直接伸入帶壓的油、水中采集其中的氫氣，不會出現漏油、漏水現象，也不存在內冷水箱滿水位時浸泡采樣頭、損壞儀器和設備的問題。

根據傳感器內氫敏元件的不同，目前國內常見的傳感器型監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晶體管 (Pd-MOSFET，簡稱鈀管)、穩定補償部件、加熱器、測溫元件構成，屬于半導體氣敏元件的一種。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、響應和恢復時間短、工作溫度低以及氣-電轉換過程中不消耗氫等優點。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是非線性的，濃度越高響應越低，需要在儀器設計上采用線性化補償電路使讀數線性化；(2)穩定性較差，輸出特性隨環境溫度、濕度等影響而漂移，需采取補償措施。鈀柵氫敏傳感器基本結構如圖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生氧化反應，產生反應熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大，進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、響應快、計量準確、壽命較長的特點。其不足之處是：只能測量有氧環境中的氫氣濃度[3]。

3 對比綜述

據了解，世界上只有原蘇聯和中國采用熱導型裝置監測發電機內部漏氫[4]。目前此類裝置國內廠家已基本停止生產。而在傳感器領域，納米管束采樣方式和金屬鉑氫敏元件具有較多優勢，在國內大中型氫冷汽輪發電機上的應用日益廣泛。國內某公司出品的LH1500型漏氫在線監測裝置集上述優點及通信技術于一體，適用于發電機氫、油、水系統中燃燒濃度下限(體積比：空氣中4%，氫氧混合氣中4.5%)以內氫氣濃度的檢測，成為項目的最終選定機型。

4 安裝與應用

4.1 裝置簡介

LH1500漏氫在線監測裝置主要由主機、電纜和采樣頭三部分構成。裝置采用納米管束采樣頭，常規配制8點檢測，可擴展至14點。裝置主機主要由單片機、存儲器、時鐘電路、顯示電路、鍵盤掃描電路、報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：采樣頭將待測環境氫氣濃度信號轉化為工業標準的4～20 mA電流信號遠傳到主機，經主機中的A/D轉換器轉換為數字信號送給單片機；單片機將各路數據處理后顯示在彩色LCD屏上，并顯示量程、高低位報警值、日期等相關信息；同時單片機將處理后的數據通過D/A轉換器轉換為4～20 mA電流信號輸出；另外單片機還可根據各點的氫氣濃度及其報警限值發出高低位報警信號；系統預留1個與機組DCS系統通信的RS-232/485串行口。

4.2 應用情況

焦作電廠#3發電機于2010年1月檢修期間安裝了LH1500型漏氫在線監測裝置(共設11個測點，安裝原理如圖4所示)，實現了發電機氫氣內漏的多點集中實時監控，使以往查處漏氫費時費力的情況得到明顯改觀，同時減少了漏氫造成的機組非計劃停運次數，提高了機組運行的經濟性和安全性[5]。

5 經驗與建議

LH1500型漏氫在線監測裝置在焦作電廠投運以來，主要有以下經驗和建議可供借鑒參考。

5.1 使用經驗

(1)裝置各采樣頭應垂直安裝以便于取樣，提高響應速度。

(2)安裝時應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確性。

(3)測點出現漏氫后，應及時消除漏氫或將變送器與氫氣隔離，否則可能縮短采樣頭壽命。

(4)部分大容量發電機內冷水箱采用充氮微正壓運行方式，其內冷水箱內往往存在氧氣不足、氫氣積累的問題，進而影響鉑電阻氫敏傳感器的準確性。此類機組內冷水箱宜裝設帶有氧氣濃度自動補償功能的專用傳感器。

5.2 應用建議

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

(2)LH1500型漏氫監測裝置能夠實時顯示各測點氫氣濃度，存儲255天內的每日濃度最大值，但不提供歷史數據曲線，作為現場設備單獨使用時，無法準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，存儲歷史數據、顯示歷史曲線，確保運行人員隨時掌握漏氫量變化，發揮裝置最大效能。

發電機漏氫在線監測裝置是介于電氣、熱控、化學三個交叉專業間的一種檢測設備。本文通過對不同工作原理的同類儀器的介紹和對比分析，從現場應用的角度提出了儀器的使用經驗和建議，對儀器的選型、安裝和正確使用維護具有一定指導意義。實踐表明，漏氫在線監測裝置的應用，特別是納米管束采樣和金屬鉑氫敏傳感器技術的應用，為氫冷發電機的安全經濟運行創造了有利條件，除有效防止嚴重危及人身和設備安全的氫爆事故發生外，還有助于早期確定發電機設備的缺陷和故障，從而及時避免發生嚴重的設備事故，值得推廣應用。

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

[2]白亞民,呂明.發電機漏氫監測儀的開發與應用[J].電力設備,2004(5).

[3]張良軍.600 MW汽輪發電機漏氫監測裝置國產化改造[J].浙江電力,2009年增刊.

[4]白亞民,呂 明.發電機漏氫在線監測裝置應用狀況的研究[J].電力設備,2001(1).

[5]范聲斌.汽輪發電機漏氫監測裝置應用現狀分析[J].東方電機,2009(5).