發電機第三代吸附式氫氣除濕裝置的應用

吳福雨

(鶴壁同力發電有限責任公司，河南 鶴壁 458000)

0 引言

氫氣因具有熱容量大、密度小、磨擦損耗小等優點，被廣泛用作發電機的冷卻介質。目前，燃煤電廠發電機組單機容量不斷擴大，運行氫壓也隨之提高，對氫氣質量特別是氫氣濕度(即露點溫度)提出了更嚴格的要求。大量研究結果和事故案例表明，發電機內氫氣濕度高，不僅會引起發電機轉子和定子繞組絕緣性能下降，誘發相間短路；還會導致轉子護環上產生應力腐蝕裂紋，造成護環過早損壞，影響發電機的效率和安全運行。

1 設備狀況

某電廠2臺發電機由東方電機廠生產，型號為QFSN—300—2—20B，冷卻方式為水—氫—氫，即發電機定子線圈及引線、出線水內冷，轉子繞組、定子鐵芯及端部氫冷。發電機配套用氫氣除濕裝置為壓縮機冷凝式，型號QLG-IIIB，工作壓力不大于0.8 MPa，氫氣流量120 Nm3/h，出口氫氣含濕量1 g/m3。每臺發電機配置2套氫氣除濕裝置，分別對應于發電機的汽機端和勵磁端，2套設備安裝在汽機房6.3 m運轉層發電機下方，同時投入，連續工作。1，2號機組發電機氫氣除濕裝置分別于2005年7月和9月正式投運。

2 設備存在的問題及危害

已有氫氣除濕裝置采用空壓機冷凝式，冷卻介質為氟利昂。該設備的工作原理為：利用壓縮機壓縮氟利昂，高壓吸收熱量對氫氣進行冷卻，讓其溫度降到規定的露點以下，使其中的水蒸氣以結露或結霜的方式分離出來，從而達到降低氫氣濕度的目的。由于氟利昂的滲透性特別強，加之設備已工作10年以上，出現老化磨損，常因氟利昂泄漏和設備故障而達不到預期除濕效果。設備在安全性、穩定性和可靠性上的欠缺，導致發電機氫氣濕度參數嚴重超標(露點經常在0 ℃以上，夏季更高)，發電機運行中存在重大安全隱患，因此需對該氫氣除濕裝置進行技改換型。

3 設備改造方案

通過對其他電廠和市場上現有氫氣除濕裝置的調研，根據多年設備改造工作實踐經驗，選用1臺第三代除濕裝置裝設于發電機汽機端，能同時替代原勵磁端、汽機端除濕機的作用(汽機端氫氣濕度大，裝在該端除濕效果更好)。此設備改造的具體方案如下。

(1) 將原有2臺氫氣除濕裝置全部拆除，改為配置1臺第三代吸附式氫氣除濕裝置(QXG-III型，工作壓力不大于1.0 MPa，吸濕流量100 Nm3/h，出口氫氣露點：-10 ℃—-60 ℃可調節)，安裝于發電機的汽機端。

(2) 原勵磁端除濕裝置氫氣進、出口端的管道采用連接管連通。

(3) 新設備與現有氫系統管路正確連接，氫系統其他配置保持不變。

改造時間定于機組停運后大修期間。

4 第三代吸附式氫氣除濕裝置機械系統

4.1 裝置機械系統結構及工作原理

第三代吸附式氫氣除濕裝置機械系統主要由2臺干燥塔(吸收塔)、1臺前置旋風分離除油過濾器、1臺冷凝器、1臺氣水分離器、1臺后置過濾器和2個聯動的氣動四通閥組成。裝置正常運行時，2臺干燥塔同時工作，1臺吸濕、1臺再生，定時交替，循環作業。

(1) 吸濕過程。來自發電機內部的潮濕氫氣，先經過除濕裝置氫氣入口進入旋風分離除油過濾器，將夾帶在氫氣中的霧化油分離、過濾和清除。之后，干凈的氫氣進入干燥塔，氫氣中的水分在經過塔內時被干燥劑吸附層吸收。最后，含水量極低的氫氣經后置過濾器到達裝置出口，再經發電機氫氣入口回到發電機內部。

(2) 再生過程。利用埋入在干燥劑吸附層的電加熱器，加熱已經吸濕飽和的干燥劑，使其中的水重新汽化成水蒸氣。同時，一小部分氫氣經干燥塔內置循環風機增速流過干燥劑吸附層，將釋放出的水蒸氣帶入冷凝器，與冷卻水進行熱交換。水蒸氣凝結成水后，再通過氣水分離器及自動排水閥排到裝置外部，而氫氣回到正在再生的這臺干燥塔內并形成再生循環。

4.2 裝置機械系統優點

與前幾代設備相比，第三代吸附式氫氣除濕裝置機械部分設計新穎、結構獨特、性能優越。

(1) 采用雙干燥塔型式、全封閉系統設計，使裝置能夠持續除濕、高效工作，且無氣體消耗。除油、過濾、除濕一體化結構設計，確保油污及灰塵不會進入吸濕干燥塔內部，不懼怕發電機密封油滲漏，延長干燥劑使用壽命，保證干燥劑粉塵不會流出而污染發電機。整機結構緊湊、體積小巧，便于運輸、安裝和檢修。

(2) 干燥塔內置漩渦式自循環風機，采用鋁合金輕便式結構，體積小、拆裝方便、檢修簡單。啟動后風壓高、風量穩定，全速運轉時可產生大約1 000 mm高水柱的氫氣壓力差和約140 Nm3/h的氫氣流量，既可增大被處理系統中氣體流量，又可在發電機停止運行而需要繼續干燥氫氣時提供充足的循環流量，以保持發電機內氫氣濕度達標。

(3) 裝置有干燥劑放出口和加入口，不需拆卸其他部件即可更換干燥劑，維護保養方便，設計人性化。吸濕干燥劑(活性氧化鋁)的使用壽命長(4年以上)，為固態、多孔狀高疏松度顆粒；有很大的比表面積，常溫下極易吸收水分，高溫下又能將吸收的水分釋放，恢復吸濕能力，從而再生。重復再生的活性氧化鋁，其除濕性能和除濕效率仍然很高。

(4) 裝置的2臺干燥塔吸濕和再生定時轉換、循環工作。封閉在再生系統內的氫氣由吸收塔內置風機推動和四通閥導向，始終流過工作在再生狀態的吸收塔；被干燥的氫氣則由四通閥導向，始終流過處于吸濕狀態的吸收塔，實現對來自發電機的氫氣不間斷除濕，除濕效率高。

(5) 裝置還配有1套CO2置換系統，用于除濕裝置等氫系統設備檢修前的排氫和檢修后的充氫。

5 第三代吸附式氫氣除濕裝置電控系統

5.1 裝置電氣控制系統結構

第三代吸附式氫氣除濕裝置是一套全自動、機電一體化、柜式集裝型產品。其電氣控制主要由可編程邏輯控制系統(programmable logic controller，PLC)、觸摸式顯示屏系統、氫氣濕度測量系統、加熱再生溫度測量控制系統、故障報警顯示系統等組成。

5.2 裝置電氣控制系統優點

與前兩代裝置相比，第三代吸附式氫氣裝置電氣元器件更加先進，控制回路功能設計更加齊全、完善，自動功能更加強大，操作使用更加簡單，故障率更低。

(1) 裝置電氣控制使用新型防爆開關、防爆電磁閥及全固態電氣元器件，不產生火花，安全可靠。電氣回路配置了防爆電源開關、觸點封閉式繼電器、熔斷器、“運行/停止”主令開關、電源變壓器、就地指示燈、濕度測量元件及變送器等功能不同的電氣元件，裝置電氣控制系統工作可靠性很高。

(2) 裝置采用最新自動控制技術。智能化控制程序，功能完備、性能可靠，能對裝置工作過程及故障情況進行準確控制和判斷，自動優化運行方式，最大限度提高裝置除濕效率，且沒有誤操作的可能。高分辨率彩色液晶屏觸摸式“人機界面”(高端一體化工控機界面)，配合功能強大、性能卓越的操作監控軟件，通過與PLC系統通信，可實現裝置運行參數在線顯示、工作模式和參數在線設置、工作狀態動畫模擬顯示、故障報警實時顯示、歷史查詢和操作幫助在線提示、設備手動操作和測試運行等系列功能。

(3) 裝置的干燥劑再生加熱溫度、前后過濾器液位、氣水分離器液位、冷凝器溫度、2個聯動的氣動四通閥位置、自循環風機啟停、2臺干燥塔的定時工作轉換等都采用PLC邏輯程序自動控制。整個工作過程中，PLC執行邏輯控制程序并與工控機通信，使設備完全處于自動化連續運行狀態，無需人員值守和調節，裝置自動化程度大幅度提升。

6 設備改造實施措施

6.1 裝置安裝技術措施

新裝置布置在原汽機端氫氣除濕裝置位置，機柜落地安裝，其上方留有0.8 m的空間，便于后期設備維修(加熱器更換等)。電源使用原汽機端氫氣除濕裝置電源間隔，電源電纜新敷設。氫氣系統主管路改接用的管道、閥門統一采用不銹鋼材料。裝置氫系統管路、冷卻水管路、壓縮空氣管路在改接和新安裝時，都應無“U”形彎；管道的選擇路徑不得妨礙現場設備巡視和檢修。

氫氣除濕裝置進、出氫氣管路具體改接方法：原汽機端除濕機的進、出氫管道改接至新除濕機的氫氣進、出口端；原勵磁端除濕機氫氣進、出口端的管道采用連通管連通(連通管內徑5 mm，為氫系統主管道通徑的10 %)。連通后，可使勵磁端的氫氣具備發電機體外循環條件，勵磁端原有氫氣循環風機和濕度檢測儀仍能起到相應作用，發電機勵端氫氣濕度得以繼續檢測。

裝置冷凝器外用冷卻水，取自就近汽機開式冷卻水系統母管，進、出水管路上分別裝設控制閥門和壓力表。考慮到開式冷卻水系統水質相對較差，在冷卻水進水管路上加裝濾網。裝置驅動及控制用壓縮空氣由外部接入，氣源取自就近汽機儀表用壓縮空氣系統，管路裝配控制閥門和壓力表。

6.2 裝置調試技術措施

氫系統管路、閥門及氫氣除濕裝置安裝完畢投運前，進行氫系統氣密性試驗，所有管路和閥門的焊縫、連接面應無泄漏。裝置本體采用外用壓縮空氣，進行氣密保壓試驗。試驗壓力0.5 MPa，時間不小于3天，用2只干燥塔上的2塊壓力表觀察氣密保壓情況(裝置運行氫壓0.3—0.35 MPa)。裝置的上電調試嚴格執行設備使用說明書中的操作步驟，調試時需要注意以下幾點：

(1) 裝置最初啟動前或每次排氫減壓后、投運前，都必須使用CO2排除系統中的氫氣，避免氫氣、空氣直接接觸混合后爆炸，引起事故；

(2) 裝置未凈化前不能通電，若裝置凈化不徹底或失敗，不能操作設備按鈕或開關，只能在遠處安全位置將電源切斷，防止設備內產生電火花；

(3) 在裝置“測試運行”狀態下設備不能較長時間通電運行，防止裝置內部過熱，發生意外。

6.3 裝置改造安全措施

氫氣屬易燃物質，與空氣混合后又可能爆炸。因此，設備改造施工期間，務必做好裝置的氫氣源及電源隔離、現場消防滅火、人員及設備防護等系列安全措施，避免火災和人身傷害事故的發生。

7 裝置的運行維護及注意事項

為保證新裝置的高效穩定運行，應按每日、每月、每季、每年、每4年檢查(檢修)規定的項目，做好定期維護保養工作。

(1) 每日檢查1次裝置電氣控制箱和人機界面上的各種顯示參數；若有故障報警，及時關閉裝置電源總開關并進行檢修。

(2) 每月檢查1次裝置氫氣泄漏情況，發現異常及時處理。檢查氣水分離器，放出內部積水。檢查油氣分離過濾器中的油位，達到浮子高度時將油排出；放油時應視分離器內的液面高度排油，注意不要將氫氣排出。

(3) 每季度清洗1次氣水分離器自動排水閥，清洗閥門時，應將其前端的隔離閥關閉。檢查裝置冷卻水，水源應清潔干凈，水中不含有酸性、堿性腐蝕物質，以及易堵塞冷凝器內部水道的雜物或可沉淀溶解物。由于裝置冷卻水溫度越低，使用效果越佳，若冷卻水溫度升高，則應加大流量作為補償。

(4) 每年清洗1次冷凝器傳熱管，更換冷卻水管路過濾網。檢查裝置電氣控制系統、電氣元件及接線，拆除裝置內部電磁閥、氫氣濕度傳感器、鉑熱電阻、壓力表、溫度表等熱工元件，送至專業部門校驗，確保其準確可靠，必要時更換。

(5) 每4年對裝置進行1次全面大修和保養，更換吸收塔內干燥劑和氫氣自循環風機，消除設備缺陷。

8 設備改造效果

1，2號發電機氫氣除濕裝置，自2016年8月改造完畢投入使用以來，一直工作正常，運行良好，發電機氫氣露點由0 ℃以上降為-18 ℃以下。跟蹤檢查結果表明，第三代吸附式氫氣裝置具有吸附容量大、除濕能力強、工作性能可靠、運行穩定等優點，能保持發電機在運行中和停機期間氫氣濕度指標長期合格。另外，該裝置自動化程度高、故障率低、工作穩定，在降低運維人員工作量的同時，還節省了設備維護費用，具有一定的經濟效益。

第三代吸附式氫氣除濕裝置除濕效果顯著，成功地解決了一直困擾該廠發電機氫氣濕度超標的難題，消除了發電機安全隱患，保證了機組長期可靠穩定運行。