氫冷發電機吸附式氫氣干燥裝置運行維護探討

鈕志峰，程途

(江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213011)

0 引言

氫冷發電機正常運行時，發電機內氫氣濕度主要由干燥裝置來控制。當發電機機內氫氣濕度過低時，氫氣太干燥引起絕緣材料的收縮，造成固定結構松弛，甚至會使絕緣墊塊產生裂紋。當發電機機內氫氣濕度過高時，一方面會降低氫氣純度，使通風摩擦損耗增大，冷卻效果降低；另一方面，不僅會降低繞組的電氣強度(特別是結露時)，而且會加速轉子護環的應力損失，特別是在較高的工作溫度下，應力腐蝕會使轉子護環出現裂紋[1]。氫氣干燥裝置運行狀態直接關系到發電機的安全、經濟運行，如何保證氫氣干燥裝置良好的運行狀況是氫冷發電機運行維護的主要工作之一。

1 設備概況

江蘇華電戚墅堰發電有限公司(以下簡稱戚電公司)S109FA，M701F4燃氣-蒸汽聯合循環機組配置的發電機均為全氫冷發電機，發電機均設置有吸附式氫氣干燥裝置來保證發電機機殼內氫氣濕度符合規范要求。

吸附式氫氣干燥裝置主要由2個(1用1備)吸收塔(簡稱#1塔、#2塔)、1個冷卻器、1個氣水分離器，以及相應的閥門測量儀表組成，其原理流程如圖1所示。以#1塔工作在吸濕狀態，#2塔工作在再生狀態為例，主要工作原理是：發電機內氫氣在發電機轉子軸端風扇的差壓帶動下進入#1塔，用塔內活性氧化鋁填料來吸收氫氣中的水分，被吸除水分后的氫氣回流到發電機，起到降低發電機機內氫氣濕度的目的。#2塔則通過電加熱的方法，將塔內吸濕后的活性氧化鋁填料中的水分蒸發，并被自帶的風機吹入冷卻器進行冷卻，氫氣中的水蒸氣被凝結成水滴，并在分離器內將水滴分離出來，經疏水器自動排出，從而使#2塔中的活性氧化鋁填料得到脫水、再生，恢復吸濕能力。當#1塔工作在吸濕狀態8 h、#2塔工作在再生狀態8 h后，干燥裝置通過四通閥，自動將氫氣回路切至#1塔再生、#2塔吸濕狀態，完成2個吸收塔的輪換[2]。

圖1 氫氣干燥裝置原理流程

Fig.1 Principle and flow of hydrogen drying device

2 發電機氫氣濕度規定

《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求 (2014版)》 中提出，應“按照DL/T 651—1998《氫冷發電機氫氣濕度技術要求》的要求，嚴格控制氫冷發電機機內氫氣濕度。發電機氫氣濕度控制標準規定(以露點溫度表示)，發電機殼體內氫氣在正常運行氫壓下，允許濕度的低限為露點-25 ℃，高限根據發電機內最低溫度確定，最低溫度5 ℃時，露點溫度高限-5 ℃,當最低溫度≥10 ℃時，露點溫度高限為0 ℃[3-5]。實際運行時，發電機內最低溫度均大于10 ℃，所以發電機氫氣露點溫度運行中控制在-25～0 ℃。

3 存在的問題及分析處理

發電機氫氣干燥裝置運行狀況直接影響發電機內氫氣濕度，氫氣干燥裝置出現異常情況時將導致發電機氫氣濕度超標，影響發電機的安全、經濟運行。戚電公司氫氣干燥裝置投運至今，多次出現不同原因的異常情況，下面主要從發電機機內氫氣濕度偏高、濕度偏低、疏水回路堵塞、加熱單元電氣故障等方面進行分析。

3.1 發電機機內氫氣濕度偏高

發電機氫氣濕度變化受季節影響較大，通常夏季濕度偏高，其他季節濕度偏低。2016年某臺發電機氫氣月平均濕度變化趨勢如圖2所示。

圖2 2016年某臺發電機氫氣月平均濕度變化趨勢

Fig.2 Change of monthly average humidity ofhydrogen in a generator in 2016

實際運行中，往往會由于夏季高溫，氫氣干燥裝置再生回路冷卻器冷卻水溫度較高(最高時達37 ℃)，冷卻器后的出氫溫度很難達到設計要求的38 ℃以下[2]，冷卻器冷卻效果變差，再生吸收塔被加熱的水汽不能很好地冷卻凝結，氣水分離效果下降，部分水汽被重新帶入吸收塔內，導致再生吸收塔含水率較高，重新轉吸濕運行后，吸收塔的吸濕能力下降，長時間運行使得發電機機內氫氣濕度超過規定的露點溫度高限(0 ℃)。

冷卻水溫度高受環境因素影響，暫無法改變，作者從提高冷卻器冷卻效果著手，通過關小氫氣再生閥(如圖1所示)的開度，降低氫氣干燥裝置吸收塔再生時氫氣循環流量，來降低冷卻器后的出氫溫度(符合氫氣干燥器廠家說明情況)；同時，再生吸收塔出口氫溫得到提高，增大冷卻器入口溫差。提高冷卻效果，讓再生吸收塔被加熱的水汽能很好地冷卻凝結，氣水更好地進行分離，從而保證吸收塔的再生效果。通過實際運行，在夏季高溫時已能保證發電機機內氫氣濕度在規定范圍內。在實際調整氫氣再生閥開度的過程中，應監視好再生吸收塔出口氫溫與塔溫溫差不能過大，防止再生閥開度過小，造成再生吸收塔氫氣循環中斷，除濕失效。

3.2 發電機內氫氣濕度偏低

冬春季發電機機內氫氣濕度往往接近低限運行，如圖2所示。主要原因是，環境溫度降低，氫氣干燥裝置冷卻水溫度降低，冷卻器冷卻效果大大提高，干燥裝置的吸收塔再生時脫水能力增強，塔內干燥度高，運行后對氫氣的去濕能力大大提高。由于去濕能力提高，所以有時會造成發電機機內氫氣濕度超過規定的露點溫度低限(-25 ℃)，許多電廠通常的做法是停用氫氣干燥裝置，但氫氣干燥裝置長時間停運，會造成疏水回路存水并引起管路結垢腐蝕，投運后引起疏水不暢。

在實際運行中，為盡可能不停用氫氣干燥裝置，會在發電機內氫氣濕度逐漸隨環境溫度降低而降低時，通過提前降低氫氣干燥裝置的除濕能力，來控制發電機機內氫氣濕度。作者從降低冷卻器冷卻效果著手，通過開大氫氣再生閥(如圖1所示)的開度，增加氫氣干燥裝置吸收塔再生時氫氣循環流量，并減少冷卻水流量，來提高冷卻器后的出氫溫度；同時，再生吸收塔出口氫溫降低，降低了冷卻器入口溫差。降低冷卻效果，從而降低吸收塔的再生效果，即在一定程度上降低氫氣干燥裝置的運行效果。這樣氫氣干燥裝置可以長期投運，同時發電機機內氫氣濕度又能維持在規定范圍之內。

3.3 氫氣干燥裝置疏水回路堵塞

發電機氫氣干燥裝置疏水回路堵塞同樣會導致發電機機內氫氣濕度高，影響發電機安全運行。疏水回路堵塞后，氣水分離器內積存的水無法排出，堵塞在再生回路底部管路，再生循環的氫氣無法流通，吸收塔再生失效。再生后的吸收塔轉運行后，無法起到去濕作用，反而使發電機氫氣濕度進一步惡化。

在實際運行中，戚電公司機組的氫氣干燥裝置多次出現疏水回路堵塞。2015年，#1發電機氫氣干燥裝置再生吸收塔加熱除濕結束后，冷卻過程中塔溫較高(180 ℃)，吸收塔再生出口氫溫25 ℃，氫氣干燥裝置自動疏水器只有少量水排出，人工排放疏水器有大量水排出，排水后吸收塔再生出口氫溫上升到85 ℃，氫氣循環恢復。2015年，#2發電機氫氣干燥裝置再生吸收塔加熱過程中，塔溫174 ℃，吸收塔再生出口氫溫40 ℃，氫氣干燥裝置自動疏水器無水排出，氫氣干燥裝置進氫露點20 ℃，人工排放疏水器有大量水排出，排水后吸收塔再生出口氫溫上升，干燥裝置進氫露點恢復至-17 ℃。由于發電機氫露點溫度的變化是一個長期緩慢的過程，為了能提前發現疏水回路堵塞，通過觀察、分析：當出現氫氣干燥裝置再生吸收塔溫度較高，吸收塔再生出口氫溫嚴重下降(<60 ℃)，冷卻器后溫度接近于冷卻水溫度時，再排除氫氣再生閥嚴重節流或關閉的情況下，可以確認為干燥裝置底部疏水管路被堵塞。

疏水回路堵塞的原因主要有以下幾方面：疏水回路維護保養不到位；氫氣干燥裝置吸附濕氣的活性氧化鋁在長期運行后產生的粉末碎屑沉淀在疏水管路中引起堵塞；氫氣干燥裝置長時間停運，疏水回路存水不流通，引起管路結垢腐蝕。通過定期對干燥裝置疏水回路進行維護，防止疏水不暢。結合機組檢修(3～5年)更換吸收塔內的活性氧化鋁填料，避免干燥裝置長時間停運。采取上述措施后，從2016年起，氫氣干燥裝置疏水回路未再發生堵塞。

3.4 加熱單元電氣故障

吸收塔再生加熱是利用設置在塔內的電加熱絲來完成的，電加熱絲埋設在活性氧化鋁填料中。在某次機組檢修時，氫氣干燥裝置更換活性氧化鋁填料，機組運行后投運干燥裝置，發現吸收塔加熱器加熱一投用就發生跳閘。裝置停用后檢查開關未發現異常，電加熱絲檢查也沒發現明顯故障，再次投用裝置及電加熱器仍然跳閘。

根據現場情況，對氫氣干燥裝置疏水器進行排水，水量較多，同時，對再生吸收塔氫氣進行排放，更換再生吸收塔內的氫氣。吸收塔加熱器加熱投用后發生跳閘的時間明顯延長，經過多次上述操作，吸收塔加熱器未再出現跳閘。

通過分析，確認主要是更換吸收塔活性氧化鋁填料時，環境濕度較大，填料長時間暴露在空氣中，吸附了大量的水分，在加熱器加熱投用后，再生吸收塔內產生大量水汽，造成電加熱絲部分被水汽短路，電加熱器電流超限，引起開關跳閘。所以，在更換吸收塔填料時應避免填料長時間與外界空氣接觸受潮。

4 結束語

本文通過對吸附式發電機氫氣干燥裝置運行過程中控制濕度和異常分析處理等4個方面進行分析總結，提出了氫氣干燥裝置正常運行及異常情況的調整處理方法，以維持氫氣干燥裝置良好的運行狀態，較好地控制氫冷發電機機內氫氣濕度。希望本文能對各電廠同類型氫氣干燥裝置運行中出現問題的解決提供一定參考。