監視氫冷發電機氫氣露點的重要性

據相關機構發布到互聯網的統計數據，目前我國在役發電機中，完全或部分采用氫氣作為冷卻介質的發電機占比超過六成（主要是火電機組），基于此實際情況，本文試圖從采用氫氣的優點、對氫氣系統的控制措施、氫氣露點超標的危害與原因等諸方面探討一下監視氫冷發電機氫氣露點的重要性。

一、為什么越來越多的發電機采用氫氣作為冷卻介質

相對于傳統冷卻介質（比如空氣），氫氣具有明顯的優點：

1、標準狀況下，氫氣密度僅為空氣的 1/14 ，是地球上最輕的物質。

2、氫的分子運動速度最快，從而有最大的擴散速度和很高的導熱性，其導熱能力是空氣的7倍。

3、氫氣的密度很小，其流動阻力也很小，可以明顯減少通風摩擦損耗。

4、在發電機給定輸出功率和繞組溫度時，用氫氣代替空氣可以節省大約20%的發電機結構材料。

二、相關職能部門對氫氣系統有什么規定

在國家電力公司制定的《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》11.2.2中明確提出要“嚴格控制氫冷發電機氫氣的濕度在規程允許的范圍內，并做好氫氣濕度的控制措施”， 氫冷發電機的氫氣濕度通常采用絕對濕度和露點兩種表示方法。我國最早氫氣濕度采用絕對濕度，隨著對大型發電機氫氣濕度超標的危害性認識的不斷深化，濕度標準歷經多次演變，要求越來越高。近年來，為了能夠使氫氣濕度的計量更加直觀和通用，推薦逐步以露點表示法代替采用多年的絕對濕度表示法。

DL/T651-1998《氫冷發電機氫氣濕度的技術要求》規定，運行中發電機內的氫氣濕度應在-25～-5℃露點溫度。為防止發電機電氣絕緣因機內過于干燥而開裂，發電機內的氫氣濕度不應低于-25℃露點溫度;但氫氣濕度超標通常是指運行中發電機內的氫氣濕度超過-5℃露點溫度。

三、氫氣露點是個什么概念

氫氣露點溫度是指氫氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。形象地說，就是氫氣中的水蒸氣變為露珠時候的溫度叫露點溫度。露點溫度本來是個溫度值，為什么用它來表示濕度呢？這是因為，當氫氣中水汽已達到飽和時，氣溫與露點相同;當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。所以露點與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在100%的相對濕度時，周圍環境的溫度就是露點溫度。露點越小于周圍環境的溫度，結露的可能性就越小，也就意味著氫氣越干燥。露點不受溫度影響，但受壓力影響，因為壓力會影響到飽和時的溫度。氫氣中水蒸氣含量愈少，露點愈低，由此可見，露點的概念就是濕度的概念。

四、氫氣露點（濕度）超標有什么危害

1、發電機機內氫氣露點過高時，會在發電機定子線圈表面結露，造成災難性的后果。濕度過高的環境下，氫氣濕度越高，氫氣中水分越高，氣體的介電強度就低，定子繞組受潮，降低絕緣電阻，從而降低了絕緣表面放電電壓，容易發生閃絡和絕緣擊穿，發電機定子繞組線棒絕緣性能下降，易于發生表面爬電，以致拉弧放電，造成短路事故。如果絕緣達不到要求就有可能造成發電機匝間短路，嚴重時可能造成發電機內部相間短路而燒壞發電機。氫氣中的濕度大是影響發電機絕緣的主要危害因素之一。

氫氣在氫冷發電機中主要是起冷卻作用。作為冷卻介質，時刻與發電機的定子繞組的電氣絕緣發生接觸。氫氣濕度過高會降低發電機內部的定子繞組線棒絕緣性能，長期在氫氣濕度超標工況下運行的發電機組，可能因為絕緣性能的降低使內部產生局部放電，從而破壞電氣絕緣，導致單相或相間短路事故，危及發電機的安全。雖然目前還沒有確切的證據表明某臺發電機的定子接地或相間短路故障與氫氣濕度超標存在直接的因果關系，但可以發現部分發生了定子接地或相間短路故障的氫冷發電機確實長年運行在氫氣濕度不合格的工況下。

2、發電機內氫氣露點升高，可能造成發電機轉子護環應力腐蝕。發電機要求在規定的絕緣條件下運行，氫氣露點過高，將使發電機絕緣受潮，會給轉子護環的機械強度帶來有害的影響。理論和實踐表明，發電機內部氫氣濕度過高是采用50Mnl8Cr4Wn材料的發電機轉子護環發生應力腐蝕裂紋的主要誘因。

發電機氫氣濕度高，將對其接觸的金屬產生應力腐蝕，而應力腐蝕與金屬氫脆相互起到催化作用。常溫下原子氫進入鋼中，使鋼變脆，但這種作用極其緩慢。在高溫高壓條件下（如溫度為370 ℃ ，壓力為9.8MPa），氫對鋼有強烈的脆化作用。一是溶解于鋼的晶格中的原子氫在隨后的緩慢變形中引起脆化作用，而鋼的組織并無變化;二是氫向鋼的內部擴散，與鋼中滲碳體發生化學反應，生成的甲烷在鋼中擴散能力很小，聚集在晶界上原有的空隙內，形成局部高壓，使晶界變寬，引起脆化。據有關資料介紹，對非18Cr18Mn材料的護環，氫氣相對濕度在 50 %以上時，對其應力腐蝕將急劇加速，即使是采用18Cr18Mn材料的護環，氫氣相對濕度在80%以上時，同樣會使發電機轉子護環產生應力腐蝕。由于應力腐蝕使護環產生裂紋;同時絕緣瓦松動，引起絕緣瓦同護環端部轉子線圈摩擦，引起轉子線圈接地或短路。

3、由于氫氣濕度超標，機內氣體比重增大將使發電機通風損耗增大，其高值與低值相比較，每年多耗電能。由于氫氣中濕度大，水分高，使氣體密度增大，增加了發電機通風損耗，降低了發電機的運行效率。過高的氫氣露點也會使氫氣純度降低，增加了排補氫次數，加大了補氫量，影響發電機經濟運行。

五、氫氣露點超標的原因

1、氫源濕度大，目前電廠制氫站采用70℃～80℃堿性水溶液電解制取氫氣，產品氫氣中不可避免地帶有水分，雖然水冷卻器可以除去部分水分，但效果并不明顯，因此，由于補氫或充氫使大量水分進入發電機內。

2、機組啟動前由于壓縮空氣打風壓或用CO2進行氫氣置換過程中帶進發電機內并且遺留在發電機內的水氣，逐漸揮發到發電機內氫氣中而造成氫氣濕度增大，露點升高。

3、密封油進入發電機內引起氫氣濕度增大，由于汽輪機軸封結構原因，目前國產機組潤滑油進入水蒸氣，當含有水的油回到主油箱后，由于重力作用，水的大部分將沉淀在主油箱底部，而另一部分以細小水滴方式存在于油流中，被油泵重新打入潤滑油、密封油及調速油系統中。由于目前我國密封油系統的結構是：密封瓦為雙環式，供油系統分為空、氫兩個回路，并且各回路之間相對獨立，如果密封瓦空、氫側油壓完全相等，則在密封瓦兩側的中間帶不會發生竄油現象。為此，設計了用于平衡空、氫兩側油壓的平衡閥，但其設計的靈敏度有限，也就是說，空氫兩側油壓將有一定的壓差。在這一壓差的作用下，空側油將經密封瓦的中間帶竄入氫側，與氫側油共同排至氫側回油腔。在這一過程中，油中的部分水分將被高溫汽化析出，在風扇的負壓的作用下，隨氫氣進入發電機內，造成氫氣濕度增大。

4、發電機氫氣冷卻器泄露引起氫氣濕度增大。由于發電機氫氣冷卻器銅管破裂或制造工藝存在砂眼、銅管與管板的脹口質量不良、冷卻器密封墊不嚴，或者運行中冷卻器銅管內水壓較銅管外氫壓高等等原因，將發生冷卻水直接漏入氫氣中，造成氫氣濕度增大。

5、其他原因，諸如發電機內部線棒、水接頭等部位滲水，造成氫氣濕度增大等等。

六、防止氫氣露點超標所采取的防范措施

1、發電機正常運行中，運行人員必須監視氫氣露點保持在標準規定的-25℃～-5℃之間，純度在合格范圍以上。新補進的氫氣露點應該≤-25℃，且越低越好。

2、保證發電機內氫氣露點合格從氫氣源頭就加以控制。制氫裝置運行中加強對在線露點儀的監視，如果露點升高，值班員須查找原因，及時處理。

3、發電機密封油壓應該高于氫壓，保證氫氣不外漏，但是壓差不能過高，防止密封油竄到氫氣中。運行中監視差壓閥和平衡閥的跟蹤動作情況，減少空氫側密封油水分進入發電機內氫氣中的機會。密封油與潤滑油系統為一個油系統，應保證油凈化裝置、濾油機運行正常，定期對主油箱放水。軸封壓力調整應該按照規程規定執行，防止軸封壓力過高引起蒸汽竄入潤滑油中。軸封經過大小修或發現軸封不嚴應該及時更換，防止機組高負荷運行時軸封不嚴而引起漏汽進入潤滑油中。

4、嚴格控制發電機氫氣冷卻器冷卻水壓力和氫氣壓力的配合，尤其是在氫壓不正常的情況下，氫氣壓力應該始終高于冷卻水壓力，防止氫冷器泄漏造成冷卻水竄進氫氣內。

總之，氫冷發電機內氫氣濕度過高，不僅危害發電機定子、轉子繞組的絕緣強度，而且會使轉子護環產生應力腐蝕裂紋;而氫氣濕度過低，又可導致對某些部件產生有害的影響，如定子端部墊塊的收縮和支撐環的裂紋等，為了保證氫冷發電機安全經濟運行，運行人員必須提高對氫氣露點超標的危害的認識，明確氫冷發電機監視氫氣露點的重要性，嚴格控制氫氣露點在規定的范圍內，除了以上防范措施以及生產現場的可行辦法外，還可以通過啟停配套的發電機入口氫氣干燥器對發電機氫氣露點加以控制。

廣州珠江天然氣發電有限公司 葉述鋒