發電機氫氣濕度異常原因分析及對策

裴豪

摘要：采用水-氫-氫冷卻氫冷發電機對氫氣濕度有很高的要求，氫氣濕度是氫冷發電機運行的主要技術指標之一，氫冷系統運行的優劣直接影響機組的安全。本文闡述了氫氣濕度超標的危害，并分析了導致氫氣濕度異常的原因，提出防止氫氣濕度超標的對策。

關鍵詞：氫冷發電機；濕度異常；原因分析及對策

在百萬千瓦級發電機組中，水-氫-氫冷卻方式是當前主要的發電機冷卻方式。氫氣憑其導熱絕緣性能好、轉動阻力小等優點，成為發電機理想的冷卻介質。但氫氣濕度過高威脅發電機的安全，在國家電力公司制定的《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中，明確規定“嚴格控制氫冷發電機氫氣的濕度在規定允許的范圍內，并做好氫氣濕度的控制措施”[1]。DL/T6511998《氫冷發電機氫氣濕度的技術要求》規定，運行中發電機內氫氣濕度應在25℃～0℃露點溫度。本文以秦三廠1號機組108大修后發電機氫氣濕度異常為例，分析了導致氫氣濕度上升原因，提出防止氫氣濕度超標的對策。

1 發電機氫氣濕度異常的危害

（1）損壞發電機絕緣。

在水-氫-氫冷卻的發電機組中，氫氣用于冷卻轉子繞組、轉子鐵芯和定子鐵芯。氫氣濕度過高會導致轉子繞組受潮，線棒絕緣性能降低，氣體的絕緣強度下降。發電機長期在氫氣濕度超標的工況下運行，可能導致電氣絕緣破壞，引起單相或相間短路。因此，氫氣濕度已成為影響發電機絕緣性能的主要因素之一。

（2）影響發電機的運行效率。

發電機內的氫氣濕度增大導致冷卻氣體的密度增大導致發電機損耗增大，效率降低。圖1為氫冷發電機氫氣濕度和氫氣純度與損耗的關系[2]，從圖中可以看出，隨著氫氣濕度增大、純度降低，發電機損耗上升。

（3）造成發電機轉子護環應力腐蝕。

汽輪發電機護環是固定轉子兩端繞組，不讓轉子在離心力作用下向外飛逸的重要結構。由于工作條件的限制，護環受到很大應力的同時還要工作在復雜的氫環境下。發電機內氫氣濕度高，將對與其接觸的金屬產生應力腐蝕，并與金屬的氫脆作用相互催化，發電機運行過程中常在護環的內、外圓表面或端面有沿晶或穿晶裂紋出現以至于炸裂，這將導致絕緣瓦與護環端部的轉子線圈產生摩擦，造成轉子線圈接地或短路。

氫氣濕度的大小對護環裂紋擴展速率有較大的影響。試驗表明，當相對濕度由100%減少至50%時，裂紋擴展速率由8×2.54×104cm/h減至8×2.54×106cm/h（圖2）[2]，應力腐蝕擴展速率要降低兩個數量級。合理控制發電機氫氣濕度，[JP2]就可以得到護環合理的裂紋擴展壽命，確保發電機組的安全運行。[JP]

總之，氫氣濕度超標時影響發電機絕緣和效率，超標嚴重時會造成發電機重要部件的損壞，將嚴重影響發電機的安全、穩定運行。但值得一提的是，并不是發電機內氫氣的濕度越低越好，因為濕度過低時，會導致發電機電氣絕緣材料因機內過于干燥而產生裂紋，同樣會使絕緣下降，所以發電機內的氫氣濕度不應低于25℃露點溫度。

2 秦三廠1號發電機氫氣濕度異常分析及處理

秦三廠1號機組108大修啟動后出現發電機內氫氣濕度高的報警，經取樣分析氫氣濕度為17.2%，折算至露點為3℃。接下來將從發電機運行相關系統，氫氣供給，發電機檢修工作進行分析，查找氫氣濕度超標原因，并給出處理方法。

（1）發電機密封油含水量過大。

秦三廠發電機兩端設置油膜式軸密封油來阻止發電機內氫氣沿軸漏出。秦三廠發電機密封油與發電機汽輪機潤滑油是共用的。在1號機組出現氫氣濕度超標后，對潤滑油取樣分析，結果為33.38ppm，小于化學控制值100ppm。之后連續監測，密封油真空箱壓力和潤滑油含水量都無較大的變化（圖3），由此排除了發電機密封油含水量過大導致氫氣濕度異常的可能性。

（2）發電機內冷水系統發生泄漏。

秦三廠發電機內冷水系統包括發電機氫冷器冷卻水和定子繞組冷卻水。氫冷器冷卻水壓力大于氫氣壓力，故若傳熱管破裂或者滲漏將導致發電機腔室內進水從而引起氫氣濕度增大，同時也會出現發電機漏液報警。但實際并無報警，檢查液位開關也未發現進液。定子冷卻水壓力低于氫氣壓力，當冷卻水管或定子線棒上發生小的滲漏時，理論上氫氣會向冷卻水泄漏，不會導致機內氫氣濕度增加。對定子冷卻水覆蓋氣取樣后發現氫氣含量只有0.08%V且保持穩定，確認定子冷卻水沒有滲漏。

通過上述分析檢查，排除發電機內冷水泄漏導致發電機氫氣濕度上升的可能性。

（3）發電機檢修過程中引入的水分。

秦三廠1號機組108大修時，發電機轉子被抽出進行檢查，海濱環境空氣濕度較大，各類絕緣材料與金屬表面吸收大氣中的水分，一直達到環境溫度下的飽和狀態。機組重新啟動后所吸收的水分逐漸釋放到氫氣中，表現為氫氣濕度上升。氫冷器冷卻水根據計劃提前充水加壓以便于查漏，充水時水溫偏低，約19℃左右。導致發電機腔室內的空氣被冷卻，氫冷器翅片上結露積水。每臺氫冷器總管束113根，單管外側換熱長度約3420mm，外露表面積約3m2，每個換熱管束總面積約330m2，4臺體表面積約1300m2，可見翅片表面積大，積水能力較強。由此看出，發電機檢修過程中引入的水分成為發電機氫氣濕度上升的主要成因。（4）發電氣氫氣濕度異常的處理。秦三廠1號機組108大修后出現發電機氫氣濕度升高后，對發電機氫氣進行連續置換，流量約10m3/h，經過大約10天的氫氣置換，發電機氫氣濕度恢復至正常范圍內。3 控制氫氣濕度改進建議（1）監測發電機置換氣體的濕度。當發電機檢修完成后，須先用二氧化碳置換發電機內空氣，再用氫氣置換二氧化碳。如果這些氣體的濕度不合格，就會導致氫氣濕度增加，尤其是氫氣。所以需要加強新氫氣濕度的監測并在氣體置換規程中增加確認步驟，確保進入發電機的氣體露點低于40℃。（2）發電機檢修時的過程控制。由上文分析，檢修過程中引入的水分是導致氫氣濕度上升的主要原因，所以在檢修過程中，必須控制發電機轉子工作區域的空氣濕度。發電機轉子和氫冷器回裝前，須進行表面除濕；對于發電機內部腔室，檢修過程中須進行熱風保養，防止內部表面結露。（3）發電機內冷水運行控制。為避免冷卻水提前投運而導致冷卻器表面結露這種情況，需要加強發電機內冷水運行控制，在發電機檢修規程中增加開蓋前停運發電機定冷水和氫冷器的步驟，同時在定冷水和氫冷器的啟動規程中增加發電機封蓋的前提條件。（4）氫氣干燥器優化變更。秦三廠發電機氫氣干燥器設計容量偏小，干燥劑容易飽和，干燥回路循環流量也偏小。目前大型發電機組多使用雙床吸附式氫氣脫水裝置，通過磁力驅動風機將發電機內氫氣進行大流量的強制循環干燥，當一個干燥器進行干燥時，另一干燥器在相同壓力下進行再生，再生氫氣返回到磁力驅動風機入口循環使用，兩個循環流量可以調節，過程全自動。該裝置除濕量大，不污染氫氣，維修維護簡單方便[4]。相比于目前使用的氫氧化鋁干燥劑式干燥器有著不可替代的優勢，更適合作為發電機的氫氣除濕裝置。4 結語氫氣濕度對氫冷發電機安全穩定運行有著重要意義。各電廠都應嚴格遵守行業標準，無論機組運行或停運，都要監測發電機氫氣濕度，一旦發現氫氣濕度超標，須及時查明原因并及時處理。本文介紹了氫氣濕度高的危害，并結合實際，分析導致氫氣濕度異常增加的原因，并提出了改進建議，但由于本人知識水平所限，難免有疏漏之處，不足之處請指正。參考文獻：[1]防止電力生產重大事故的二十五項重點要求（國能安全【2014】161號）.[2]馮復生.氫氣濕度對氫冷汽輪發電機安全運行的影響.大電機科技，No5.1994.[3]氫氣冷卻系統運行規程（9841230OM001）.[4]趙占飛.各種類型的氫氣除濕裝置優缺分析，全國火電300MW級機組能效對標競賽第三十九界年會論文集.