發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)對氫氣濕度有很高的要求，氫氣濕度是氫冷發(fā)電機(jī)運(yùn)行的主要技術(shù)指標(biāo)之一，氫冷系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)劣直接影響機(jī)組的安全。本文闡述了氫氣濕度超標(biāo)的危害，并分析了導(dǎo)致氫氣濕度異常的原因，提出防止氫氣濕度超標(biāo)的對策。

關(guān)鍵詞：氫冷發(fā)電機(jī)；濕度異常；原因分析及對策

在百萬千瓦級發(fā)電機(jī)組中，水-氫-氫冷卻方式是當(dāng)前主要的發(fā)電機(jī)冷卻方式。氫氣憑其導(dǎo)熱絕緣性能好、轉(zhuǎn)動阻力小等優(yōu)點(diǎn)，成為發(fā)電機(jī)理想的冷卻介質(zhì)。但氫氣濕度過高威脅發(fā)電機(jī)的安全，在國家電力公司制定的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中，明確規(guī)定“嚴(yán)格控制氫冷發(fā)電機(jī)氫氣的濕度在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，并做好氫氣濕度的控制措施”[1]。DL/T6511998《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度的技術(shù)要求》規(guī)定，運(yùn)行中發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度應(yīng)在25℃～0℃露點(diǎn)溫度。本文以秦三廠1號機(jī)組108大修后發(fā)電機(jī)氫氣濕度異常為例，分析了導(dǎo)致氫氣濕度上升原因，提出防止氫氣濕度超標(biāo)的對策。

1 發(fā)電機(jī)氫氣濕度異常的危害

（1）損壞發(fā)電機(jī)絕緣。

在水-氫-氫冷卻的發(fā)電機(jī)組中，氫氣用于冷卻轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯。氫氣濕度過高會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組受潮，線棒絕緣性能降低，氣體的絕緣強(qiáng)度下降。發(fā)電機(jī)長期在氫氣濕度超標(biāo)的工況下運(yùn)行，可能導(dǎo)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(fā)電機(jī)絕緣性能的主要因素之一。

（2）影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。

發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度增大導(dǎo)致冷卻氣體的密度增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損耗增大，效率降低。圖1為氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度和氫氣純度與損耗的關(guān)系[2]，從圖中可以看出，隨著氫氣濕度增大、純度降低，發(fā)電機(jī)損耗上升。

（3）造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)應(yīng)力腐蝕。

汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)是固定轉(zhuǎn)子兩端繞組，不讓轉(zhuǎn)子在離心力作用下向外飛逸的重要結(jié)構(gòu)。由于工作條件的限制，護(hù)環(huán)受到很大應(yīng)力的同時(shí)還要工作在復(fù)雜的氫環(huán)境下。發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度高，將對與其接觸的金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，并與金屬的氫脆作用相互催化，發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中常在護(hù)環(huán)的內(nèi)、外圓表面或端面有沿晶或穿晶裂紋出現(xiàn)以至于炸裂，這將導(dǎo)致絕緣瓦與護(hù)環(huán)端部的轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生摩擦，造成轉(zhuǎn)子線圈接地或短路。

氫氣濕度的大小對護(hù)環(huán)裂紋擴(kuò)展速率有較大的影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)相對濕度由100%減少至50%時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率由8×2.54×104cm/h減至8×2.54×106cm/h（圖2）[2]，應(yīng)力腐蝕擴(kuò)展速率要降低兩個(gè)數(shù)量級。合理控制發(fā)電機(jī)氫氣濕度，[JP2]就可以得到護(hù)環(huán)合理的裂紋擴(kuò)展壽命，確保發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。[JP]

總之，氫氣濕度超標(biāo)時(shí)影響發(fā)電機(jī)絕緣和效率，超標(biāo)嚴(yán)重時(shí)會造成發(fā)電機(jī)重要部件的損壞，將嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。但值得一提的是，并不是發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的濕度越低越好，因?yàn)闈穸冗^低時(shí)，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電氣絕緣材料因機(jī)內(nèi)過于干燥而產(chǎn)生裂紋，同樣會使絕緣下降，所以發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度不應(yīng)低于25℃露點(diǎn)溫度。

2 秦三廠1號發(fā)電機(jī)氫氣濕度異常分析及處理

秦三廠1號機(jī)組108大修啟動后出現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度高的報(bào)警，經(jīng)取樣分析氫氣濕度為17.2%，折算至露點(diǎn)為3℃。接下來將從發(fā)電機(jī)運(yùn)行相關(guān)系統(tǒng)，氫氣供給，發(fā)電機(jī)檢修工作進(jìn)行分析，查找氫氣濕度超標(biāo)原因，并給出處理方法。

（1）發(fā)電機(jī)密封油含水量過大。

秦三廠發(fā)電機(jī)兩端設(shè)置油膜式軸密封油來阻止發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣沿軸漏出。秦三廠發(fā)電機(jī)密封油與發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)潤滑油是共用的。在1號機(jī)組出現(xiàn)氫氣濕度超標(biāo)后，對潤滑油取樣分析，結(jié)果為33.38ppm，小于化學(xué)控制值100ppm。之后連續(xù)監(jiān)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(fā)電機(jī)密封油含水量過大導(dǎo)致氫氣濕度異常的可能性。

（2）發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)發(fā)生泄漏。

秦三廠發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)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(dǎo)致發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)進(jìn)水從而引起氫氣濕度增大，同時(shí)也會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)漏液報(bào)警。但實(shí)際并無報(bào)警，檢查液位開關(guān)也未發(fā)現(xiàn)進(jìn)液。定子冷卻水壓力低于氫氣壓力，當(dāng)冷卻水管或定子線棒上發(fā)生小的滲漏時(shí)，理論上氫氣會向冷卻水泄漏，不會導(dǎo)致機(jī)內(nèi)氫氣濕度增加。對定子冷卻水覆蓋氣取樣后發(fā)現(xiàn)氫氣含量只有0.08%V且保持穩(wěn)定，確認(rèn)定子冷卻水沒有滲漏。

通過上述分析檢查，排除發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水泄漏導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氫氣濕度上升的可能性。

（3）發(fā)電機(jī)檢修過程中引入的水分。

秦三廠1號機(jī)組108大修時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被抽出進(jìn)行檢查，海濱環(huán)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(dá)到環(huán)境溫度下的飽和狀態(tài)。機(jī)組重新啟動后所吸收的水分逐漸釋放到氫氣中，表現(xiàn)為氫氣濕度上升。氫冷器冷卻水根據(jù)計(jì)劃提前充水加壓以便于查漏，充水時(shí)水溫偏低，約19℃左右。導(dǎo)致發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)的空氣被冷卻，氫冷器翅片上結(jié)露積水。每臺氫冷器總管束113根，單管外側(cè)換熱長度約3420mm，外露表面積約3m2，每個(gè)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(qiáng)。由此看出，發(fā)電機(jī)檢修過程中引入的水分成為發(fā)電機(jī)氫氣濕度上升的主要成因。（4）發(fā)電氣氫氣濕度異常的處理。秦三廠1號機(jī)組108大修后出現(xiàn)發(fā)電機(jī)氫氣濕度升高后，對發(fā)電機(jī)氫氣進(jìn)行連續(xù)置換，流量約10m3/h，經(jīng)過大約10天的氫氣置換，發(fā)電機(jī)氫氣濕度恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。3 控制氫氣濕度改進(jìn)建議（1）監(jiān)測發(fā)電機(jī)置換氣體的濕度。當(dāng)發(fā)電機(jī)檢修完成后，須先用二氧化碳置換發(fā)電機(jī)內(nèi)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(dǎo)致氫氣濕度增加，尤其是氫氣。所以需要加強(qiáng)新氫氣濕度的監(jiān)測并在氣體置換規(guī)程中增加確認(rèn)步驟，確保進(jìn)入發(fā)電機(jī)的氣體露點(diǎn)低于40℃。（2）發(fā)電機(jī)檢修時(shí)的過程控制。由上文分析，檢修過程中引入的水分是導(dǎo)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作區(qū)域的空氣濕度。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和氫冷器回裝前，須進(jìn)行表面除濕；對于發(fā)電機(jī)內(nèi)部腔室，檢修過程中須進(jìn)行熱風(fēng)保養(yǎng)，防止內(nèi)部表面結(jié)露。（3）發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水運(yùn)行控制。為避免冷卻水提前投運(yùn)而導(dǎo)致冷卻器表面結(jié)露這種情況，需要加強(qiáng)發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水運(yùn)行控制，在發(fā)電機(jī)檢修規(guī)程中增加開蓋前停運(yùn)發(fā)電機(jī)定冷水和氫冷器的步驟，同時(shí)在定冷水和氫冷器的啟動規(guī)程中增加發(fā)電機(jī)封蓋的前提條件。（4）氫氣干燥器優(yōu)化變更。秦三廠發(fā)電機(jī)氫氣干燥器設(shè)計(jì)容量偏小，干燥劑容易飽和，干燥回路循環(huán)流量也偏小。目前大型發(fā)電機(jī)組多使用雙床吸附式氫氣脫水裝置，通過磁力驅(qū)動風(fēng)機(jī)將發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣進(jìn)行大流量的強(qiáng)制循環(huán)干燥，當(dāng)一個(gè)干燥器進(jìn)行干燥時(shí)，另一干燥器在相同壓力下進(jìn)行再生，再生氫氣返回到磁力驅(qū)動風(fēng)機(jī)入口循環(huán)使用，兩個(gè)循環(huán)流量可以調(diào)節(jié)，過程全自動。該裝置除濕量大，不污染氫氣，維修維護(hù)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(yōu)勢，更適合作為發(fā)電機(jī)的氫氣除濕裝置。4 結(jié)語氫氣濕度對氫冷發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。各電廠都應(yīng)嚴(yán)格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無論機(jī)組運(yùn)行或停運(yùn)，都要監(jiān)測發(fā)電機(jī)氫氣濕度，一旦發(fā)現(xiàn)氫氣濕度超標(biāo)，須及時(shí)查明原因并及時(shí)處理。本文介紹了氫氣濕度高的危害，并結(jié)合實(shí)際，分析導(dǎo)致氫氣濕度異常增加的原因，并提出了改進(jìn)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(xiàn)：[1]防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（國能安全【2014】161號）.[2]馮復(fù)生.氫氣濕度對氫冷汽輪發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的影響.大電機(jī)科技，No5.1994.[3]氫氣冷卻系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程（9841230OM001）.[4]趙占飛.各種類型的氫氣除濕裝置優(yōu)缺分析，全國火電300MW級機(jī)組能效對標(biāo)競賽第三十九界年會論文集.