發電機氫氣濕度大的分析與處理研究

陳天恩

（國家能源集團宿遷發電有限公司，江蘇 宿遷223800）

某電廠二期兩臺660MW 二次再熱超超臨界汽輪發電機組均采用上海發電機廠生產的QFSN-660-2 型水氫氫交流同步發電機。發電機的冷卻方式為：定子線圈水冷、定子鐵心與轉子氫冷、并連環與出線套管水冷。轉子的通風冷卻方式為采用軸流式風扇、氣隙取氣。發電機的氫氣密封油系統通過雙流環式密封瓦結構將氫氣密封在發電機內。為了更好的清除氫冷發電機內的水蒸氣，監測發電機內的氫氣濕度，每臺發電機還裝有一臺以活性氧化鋁為介質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電機內氫氣溫度、濕度情況進行在線監視。發電機說明書中要求發電機氫氣濕度應保持在-25 ℃～-5 ℃范圍內，但從近一段時間的運行情況看，發電機內的氫氣濕度變化范圍偏大，甚至有時還會出現氫氣濕度超標的現象。

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，它有很多的表達方式，經常用到的如：絕對濕度、相對濕度、混合比、體積比、水汽壓力、露點溫度等。而在這些表達方式中：能夠最清晰且非常直觀的表達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方式，它和氣體中的水汽含量成單值函數關系并且不會受到環境溫度的影響。露點溫度還會反應出物體上是否會出現結露的現象，即：當露點溫度比物體的溫度小時，則該物體上不會結露；相反，若露點溫度大于或者等于物體的溫度，則該物體上就會結露。因此，將氫氣濕度通過露點溫度的方式表達出來，可以清晰直觀的反應出發電機內是否會出現結露的現象。可以通過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，假設水蒸汽的壓力保持穩定，使氣體漸漸冷卻，那么氣體的狀態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 所對應的溫度為Td。繼續讓氣體進一步冷卻，此時，若出現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成露。因此將點Td 所對應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到飽和狀態時的水汽含量相等。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

發電機內氫氣濕度過大時，繞組的絕緣性能會有明顯下降，甚至絕緣表面出現結露現象，此時絕緣表面易引起沿面放電，存在極大的安全隱患，嚴重時會出現短路故障。若發電機內的氫氣濕度偏大，還會使發電機轉子護環出現應力腐蝕的現象并伴有裂紋產生。根據相關資料表明，護環“氫致開裂”現象的基礎是水份參與的化學反應，形成硝酸根離子，對金屬產生腐蝕，在承受有應力情況下，裂紋的形成和擴展將大大加速，極易引起轉子線圈接地或短路。另外，發電機內氫氣濕度大還會在發電機運行時不斷增加發電機的通風損耗，如若不能得到及時有效的處理，會影響到發電機的運行效率，甚至會對發電機組的安全穩定運行產生威脅。

3 氫氣濕度大的原因分析

3.1 密封油中含水量超標。通常，660MW 及以上容量的汽輪發電機所采用的密封瓦結構有很多種，主流的有：單流環式、雙流環式和三流環式等。目前，雙流環式密封瓦結構是國內的發電機普遍使用的結構，這種結構的氫側和空側的密封油系統互相獨立。在發電機正常運行時，其腔內的氫壓為0.5 MPa，而密封油的壓力可以實現自動調整，通過密封油調壓門隨時動態調整密封油的壓力，目的是保持發電機的氫壓始終比發電機的密封油壓力低0.12 MPa 左右。這樣做的好處是能夠阻止氫氣順沿著發電機的軸隙向外部泄漏，同時也能夠阻止外部空氣順沿著發電機的軸隙滲入到發電機內部。但是雙流環式密封瓦的結構設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，氫氣系統中很容易被滲透進來密封油中的水分，從而會對發電機內氫氣的濕度產生直接的影響。另外，若密封油的調壓門一旦出現故障而失靈，則會導致密封油壓力調整欠佳，或者出現密封瓦空、氫側密封油互相竄油的現象，都會使發電機內氫氣中的水分變大。因此，若發電機密封油中的含水量不符合標準，則會直接導致發電機內氫氣濕度偏大。密封油中含水量的多少與下列因素有關：汽輪機組型號和工作方式、機組啟停次數、軸封的嚴密性、機組運行中能否及時有效的調整汽封壓力、冷油器管口的嚴密性、油凈化裝置的運行情況等。

3.2 補氫。機組在正常運行時，氫冷發電機有一定量的氫氣泄漏。為了保持正常運行時發電機內的氫壓穩定，發電機內需要定期補氫。對發電機內所補入的氫氣要求純度高(>96%)且含水量低。供給發電機充、補氫用的新鮮氫氣的濕度與發電機內氫氣濕度的大小有直接關系，必須保證所補氫氣的含水量在規定的標準范圍內。每臺發電機所充、補氫用的新鮮氫氣最好來自同一個氫源點。

3.3 水系統泄露。一般來講，由于水系統泄漏將水分帶入到發電機內從而影響到發電機內的氫氣濕度是存在的，但是發生的概率很低。水系統泄漏主要是指定冷水回路泄漏和氫冷器泄漏。正常運行時，發電機內冷水的壓力比氫壓低，氫冷器的氫壓或油壓比水壓高，因此，水系統泄漏使發電機內氫氣濕度變大的可能性不大。氫冷器的內部結構經常使用的是管式熱交換器結構，用于對發電機內的氫氣進行冷卻。閉式循環冷卻水系統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。如果氫冷器出現泄漏的情況，則會直接導致發電機內氫氣濕度的增加。

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的干燥劑失效，會直接導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，使露點溫度達不到合格范圍內時，必然會直接影響進入到發電機內氫氣的干燥度，從而會進一步影響到發電機內氫氣的濕度的大小。

4 氫氣濕度大的處理措施

某電廠#3 發電機氫氣濕度高于-5 ℃，查閱運行曲線發現發電機氫氣濕度呈周期性緩慢上升。據上述分析逐一排查：近段時間密封油系統運行正常，油化驗結果符合標準，并沒有密封油帶水的情況出現。由于該廠2 臺機組補氫來源都是同一氫站，而#4 發電機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。進一步檢查發現水系統壓力正常，未發現漏點。于是將工作重點轉移到排查氫氣干燥器是否能夠實現正常的除濕功能。為了確認是否是氫氣干燥器故障而導致發電機內氫氣濕度偏大，做了以下具體的工作：首先確認氫氣干燥器內的干燥劑是否失效，檢查發現活性氧化鋁干燥劑遠未達到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現能自動正常切換，但是再生塔干燥時的加熱溫度偏低，查詢氫氣干燥器的設備說明書發現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℃，再生塔內溫度范圍為163℃±28℃。進一步檢查發現進入到再生塔內的氣體流量過大導致再生塔工作時的溫度偏低，從而導致再生塔內的干燥劑干燥不徹底，這就進一步導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，逐步減小進入再生塔內的氣體流量，調整過程中要時刻關注溫度的變化，每8 小時為一個工作周期，這樣經過幾個不間斷的循環周期，發現再生塔的出口溫度、冷卻器出口的氣體溫度、干燥器塔內的溫度三者達到動態平衡，都處在了最佳的工作溫度范圍內。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，發現疏水閥的排水量偏少，懷疑疏水閥是否堵塞，進一步檢查發現自動疏水閥浮球有輕微銹蝕卡澀，堵住了出水口，經過除銹導通出水口后，觀察疏水閥的排水量，每天的排水量達到200mL，排水正常且符合標準。經過上述處理，#3 發電機的氫氣干燥裝置出力恢復正常并達到了最佳工作狀態，露點溫度符合要求，見圖2 所示。

圖2 某廠#3 發電機露點溫度趨勢圖

結束語

氫冷發電機內的氫氣濕度變化異常會對發電機組的安全穩定運行帶來直接的影響。發電企業都必須嚴格遵守行業標準并堅決執行到位，不管發電機組是處于正常運行狀態還是處于停機檢修狀態，都要時時刻刻做到對發電機內氫氣濕度變化情況的準確監測。一旦出現氫氣濕度的露點溫度超標的現象，需要及時準確的查明原因并采取及時有效的處理措施。