秦山第二核電廠氫氣干燥器的運行及故障處理

王瑞軍

【摘 要】氫氣濕度超標對氫冷發電機組內部部件會產生不良影響，甚至威脅到發電機組的安全可靠運行。調節氫氣濕度的主要設備——氫氣干燥器的運行狀態好壞，直接關系到發電機運行狀態的好壞。了解氫氣干燥器的運行原理，及時處理氫氣干燥器運行中出現的故障，是每一位電廠運行人員的必修功課。

【關鍵詞】發電機冷卻方式；氫氣濕度；氫氣干燥器；故障處理

0 前言

從20世紀30年代末，容量大于50MW的汽輪發電機由空氣冷卻逐步過渡到了氫氣冷卻。氫氣的比重小，純氫的密度僅為空氣的1/14，導熱系數為空氣的7倍，在同一溫度和流速下，放熱系數為空氣的1.4～1.5倍。由于密度小，因此，在相同氣壓下，氫氣冷卻的通風損耗、風摩耗均為空氣的1/10，而且通風噪聲亦可減小。氫冷電機的效率提高了，而且溫升明顯下降。由于電機內氫氣必須維持規定純度，為此必須額外設置一套供氫裝置，給設計和安裝帶來了困難。另外，密封防爆問題始終是氫氣冷卻發電機安全運行的一個隱患。中和風險與收益，對于大容量汽輪發電機組，氫冷仍然是一個不錯的選擇。

發電機內氫氣濕度增大，純度就會降低，則發電機通風損耗會急劇上升，從而降低效率，嚴重影響定子和轉子繞組對地絕緣強度，進而加速轉子護環的應力腐蝕速度，影響發電機運行安全。所以，對氫氣濕度的控制就顯得尤為重要。

1 秦山第二核電廠發電機的冷卻方式

1.1 發電機的冷卻方式

汽輪發電機所采用的冷卻方式較為豐富，包括空冷、氫冷、水冷、油冷及蒸發冷，其各有優缺點。選擇一種適合的冷卻方式是發電機安全經濟運行的保障。

1.2 秦山第二核電廠1/2號組發電機的冷卻方式

秦山第二核電廠1/2號機組的兩臺發電機組是由哈爾濱電機有限責任公司制造，型號為：QFSN-650-2。其中：Q表示汽輪機；F表示發電機；S和N表示冷卻方式為：水-氫-氫；發電機組的額定容量為722.2MVA，額定功率為650MW，額定功率因數為0.9。

本發電機采用“水-氫-氫”冷卻方式，即：定子繞組水內冷，定子鐵心及端部結構件氫氣表面冷卻，轉子繞組氣隙取氫氣內冷的冷卻方式。

2 氫氣濕度對發電機的影響

2.1 發電機內氫氣濕度超標的原因

2.1.1 密封及潤滑油系統對氫氣濕度的影響

因氫冷發電機在正壓下運行，為避免氫氣泄漏，配有相應的密封油系統。密封油經過密封油泵送入密封瓦，通過密封油壓差閥來調整氫油壓力，達到密封發電機內氫氣的作用。氫氣直接同密封油接觸，如果密封油內水分含量超標，將會引起發電機氫氣的濕度超標。在秦山第二核電廠，潤滑油系統為密封油系統提供補油并作為其緊急備用，由于潤滑油系統在潤滑汽輪機各軸瓦時受到軸封系統的影響，使潤滑油的水分含量增加，從而密封油的水分含量也會增加，進而影響到氫氣的濕度。

2.1.2 發電機密封情況對氫氣濕度的影響

發電機防止氫氣泄漏的方式是用密封油進入密封瓦來達到密封，若密封瓦間隙過大，為避免發電機內氫氣向外泄漏，有時將壓差閥調整的比正常更負一些，而不考慮密封油可能向發電機內泄漏。一旦密封油流入發電機，同樣會在很大程度上影響到氫氣的濕度。

2.1.3 設備泄露對氫氣濕度的影響

由于發電機內部線棒、水接頭、水盒等部位滲水，造成氫氣濕度增大。

發電機氫氣冷卻器泄露引起氫氣濕度增大 。由于冷卻器銅管破裂或制造存在砂眼，銅管與管板的脹口質量不良，冷卻器密封墊不嚴，將發生冷卻水直接與氫氣接觸，造成氫氣濕度增大。

2.1.4 氫氣補給對其濕度的影響

秦山第二核電廠使用采購的氫氣，其生產廠家采用的是電解水產生的氫氣，這樣供給發電機的氫源就不可避免地含有一定的水分。因此，補氫或充氫會有一些水分進入發電機。

2.2 氫氣濕度過高或過低對發電機的危害

氫氣是一種無色、無味、極輕且易燃、易爆的氣體。使用氫氣作為發電機冷卻介質一定要嚴格控制好氫氣的濕度和純度，否則會給發電機的穩定運行帶來巨大的安全隱患。

氫氣濕度過高，會使發電機轉子護環產生應力腐蝕紋損可使裂紋快速發展，并且會降低定子的電氣絕緣強度，易使定子絕緣薄弱處發生表面爬電、閃絡、相間短路等，還會使發電機通風損耗增大影響經濟性。

若機內產生結露現象，不僅降低了氣體的絕緣強度，也使定子繞組端部的絕緣水平進一步降低，成為短路事故發生的誘發因素。

氫氣濕度過低，可導致定子端部墊塊收縮和支撐環產生裂紋等。

3 秦山第二核電廠氫氣干燥器的運行說明

3.1 氫氣干燥裝置

目前，人們已開發研究出基于吸附干燥和冷凝干燥兩種原理，形式多樣的氫氣干燥器。吸附式干燥器干燥程度深，設備簡單，省電節能，適應范圍廣，但氫氣處理量小，需再生，存在吸附劑油霧污染而中毒失效的固有缺點；冷凝式干燥器能持續去濕，無需再生，操作簡單并能對被干燥的氫氣降溫，加強了氫氣對電機的冷卻作用，但冷凝式氫氣干燥器的制冷深度和干燥程度很難滿足現行電力標準DL/T 651-1998的要求。現場使用條件下兩者各有自已的發展領域和市場潛力。

3.2 秦山第二核電廠的氫氣干燥器

秦山第二核電廠現在使用的是牡丹江市聯合電力設備有限公司生產的XFG-1F-1型氫氣干燥器，每個機組配置兩臺。XFG-1F型氫氣干燥器是清除氫冷發電機氫冷系統氫氣中水蒸汽的專用設備，其流程簡圖如圖1。

吸附式氫氣干燥器對氫氣進行干燥處理的原理是利用活性氧化鋁對水分子具有較強吸附力的特性。活性氧化鋁是一種固態干燥劑，清除氫冷系統氫氣中的水蒸氣是將氫氣通過一定量的活性氧化鋁的吸收塔來實現的。高疏松度的活性氧化鋁具有非常大的表面積和強吸濕能力；另外，對絕大數氣體和水蒸氣來說，使用活性氧化鋁作為干燥劑主要是利用它的化學惰性和無毒特性。當活性氧化鋁吸收水分達到飽和后，再生-通過加熱來清除干燥劑自身束縛的水分，從而恢復它的吸濕能力，并且活性氧化鋁的性能和效率并不受重復再生的影響。在設備的干燥塔中，埋入式的高密電加熱器加熱干燥劑使束縛的水分汽化；與此同時一股封裝的氫氣流過吸附層帶走釋放出的水蒸氣，干燥劑恢復最初的特性，然后將氫氣（含有水蒸氣）冷卻，冷凝水通過汽水分離器排出，一般情況下活性氧化鋁的吸濕性能可通過加熱方式來完成它的再生，并可重復進行。

圖1 干燥器流程簡圖

設備設計有兩個干燥塔，當一個干燥塔處于吸濕狀態時，另外一個處于再生狀態。所以吸附式干燥器能連續對氫氣干燥。在設定工作周期，可編程序控制器自動的通過氣閥控制四通閥門，并把干燥劑飽和的干燥塔自動轉換到再生循環狀態；同時干燥劑再生完成的干燥塔切換到在線吸濕狀態，完全實現設備的自動切換。

3.3 秦山第二核電廠氫氣的運行規定及相關限值

秦山第二核電廠主發電機異常運行及事故處理導則中規定：“新鮮的氫氣純度不得低于99.5%，氧氣雜質不得高于0.5%，露點溫度必須低于-25℃。發電機氫氣濕度在額定氫壓（0.4±0.02MPa.g）下應該控制在2g/m3以下，超過此值應該投入氫氣干燥器，若干燥器已投運則檢查干燥器是否運行正常，若干燥器失效則應通過GRV系統的小直徑管線進行充排氫操作來降低氫氣濕度。為了防止氫氣過于干燥導致發電機絕緣材料開裂，應該控制氫氣的露點溫度在-25℃以上，最低不能低于-35℃，必要時可以通過停運干燥器來達到上述控制值。”我們按照技術導則的要求把發電機的氫氣濕度嚴格控制在0.8～1.6g/m3。

4 氫氣干燥器的故障現象分析及處理

秦山第二核電廠1/2機組的氫氣干燥器運行過程經常會出現一些問題，其中最讓運行人員頭疼是除濕效果不理想。我們通常的做法是停運故障設備，切換到另一臺運行，然后尋求常規島專工和維修人員來處理故障設備。如果兩臺氫氣干燥器都有問題，那么在外援未到位的時間段內將有可能置發電機運行在不利的狀態。

4.1 氫氣干燥器出現液位故障報警

氫氣干燥器出現液位故障報警，這個現象誤報的可能性不大，基本為活性碳進油，需打開活性碳塔底排油閥（注意開度，防止氫氣泄漏）進行排油，以免使油進入氧化鋁塔而導致氧化鋁中毒。

4.2 氫氣干燥器出現開關值報警

氫氣干燥器出現開關值報警，這種現象為氫氣干燥器四通切換閥切換不到位所致，最大可能為四通閥控制用壓空失去所致，應首先確認壓空是否正常，其次檢查閥門是否有卡澀現象。

4.3 氫氣干燥器除濕效果不理想

氫氣干燥器流程簡圖（圖1）中：

V1—再生控制閥

V2—排水隔離閥

V3—排水連通閥

4.3.1 檢查氫氣干燥器的運行溫度

檢查氫氣干燥器三個重要運行溫度是否正常：再生塔出口氣體溫度82℃±11℃；冷卻器出口氣體溫度38℃左右；干燥器塔內溫度163℃±28℃。

如果這三個溫度不在以上所述范圍內，則通過調節再生閥（V1）開度來進行調節，使溫度在規定范圍。

如果控制閥V1 設定的適當，在大約進入加熱步驟2個小時后應該能達到攝氏82℃±11℃的干燥塔出口氣體溫度。但是：

（1）如果再生氣流太低

A.干燥塔出口氣體溫度相應變低；

B.冷卻器出口氣體溫度正常；

C.干燥塔塔內溫度變高。

控制閥V1 應該以1/8轉向的增幅來打開閥門，以增加再生氣流，再調整之前，應該有15～20分鐘的時間穩定溫度。

（2）如果再生氣流太高

A.干燥塔出口氣體溫度可能太高，變太低或正常，這要根據再生氣流變的有多高；

B.冷卻器出口氣體溫度將變太高；

C.干燥塔內溫度變太低。

控制閥V1 應該以1/8轉向的減幅來關閉閥門，以減少再生氣流，再調整之前應該有15～20分鐘的時間穩定溫度。

為了最大效率地使用干燥器，應盡可能使再生塔出口溫度、冷卻器出口氣體溫度、干燥器塔內溫度三項取得平衡。

4.3.2 觀察氫氣干燥器的疏水器

觀察氫氣干燥器疏水器是否有水滴出，防止疏水器被氧化鋁粉末堵塞。

設備運轉頭兩周應每周清理疏水閥一次，以后每3個月清理一次。清理工作由維修人員完成，但運行人員需注意：當清理疏水閥時排水隔離閥V2和排水連通閥V3必須于關閉狀態，否則將有氫氣泄漏發生危險，清理完后應立即將V2、V3閥打開（排水隔離閥V2和排水連通閥V3關閉時間太長會損壞干燥器）。

4.3.3 核對氫氣干燥器的設定參數

通過人機界面確認氫氣干燥器設定的再生及工作時間正常。

氫氣干燥器是一個完全自動的，具有雙塔而且可以連續操作的系統，吸濕氣流是利用在內部吹向吸收容器的風機來幫助解決的，其工作循環時間是8個小時的吸濕和8個小時的再生，再生過程又包括4個小時的加熱和4個小時的冷卻。

另外，可以根據設備實際運行情況來調整加熱器的工作循環時間（吸濕/再生時間、加熱時間和冷卻時間都可以調正，只要匹配就可以），以達到最佳的除濕效果。

一旦再生塔達到溫度（大約需加熱2小時），閥門V1應該做適當調整，直到達到最佳溫度為止，該塔出口溫度應該顯示82℃±11℃，該塔內溫度應該在163℃±28℃，當完成了所有的調整后，設備需要15～20分鐘來達到一個比較穩定的狀態。

4.3.4 判斷氫氣干燥器干燥劑的運行狀況

如果氫氣干燥器運行溫度正常，疏水器未堵塞但沒有疏水流出，則考慮可能為氫氣干燥器的干燥劑氧化鋁失效。

干燥器的每個塔裝有23公斤的活性氧化鋁干燥劑，在正常操作條件下，干燥劑應能維持3～5年，如果氫氣有油質顯現或很臟。干燥劑的使壽命可能短些，當干燥劑的性能已下降到不可接受的水平時必須更換。

4.4 氫氣干燥器四通閥有內漏

氫氣干燥器再生閥氣流正常的情況下，如果再生塔溫度上升緩慢，除濕效果差，則有可能四通閥出現內漏，應聯系維修人員處理。

5 結束語

發電機的運行過程中，其內部氫氣中水分難以避免的累積。因此，發電機的氫氣干燥器能否及時正常投入運行，有效控制發電機內氫氣的濕度在合格值之內，對發電機的安全運行具有重要的意義。

因此，作為運行值班人員要認真學習氫氣干燥器相關知識，及時處理氫氣干燥器運行中出現的故障。

【參考文獻】

[1]秦山第二核電廠培訓系列教材.經驗反饋資料[S].

[2]秦山第二核電廠主發電機異常運行及故障處理導則，2006[Z].

[3]秦山第二核電廠培訓系列教材.核電廠中、高級運行，2009[Z].

[4]牡丹江市聯合電力設備有限公司XFG-1F-1型氫氣干燥器說明書[S].

[5]氫冷發電機氫氣濕度的技術要求.電力標準DL/T 651-1998[S].

[責任編輯：湯靜]