海陽(yáng)核電廠氫氣干燥器的運(yùn)行及優(yōu)缺點(diǎn)分析

張 弛

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

0 引言

對(duì)于氫冷汽輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其定子線圈絕緣水平往往與氫氣的濕度密切相關(guān)，汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，常常因?yàn)槊芊庥椭泻窟^(guò)大、制氫站來(lái)氫濕度過(guò)高等原因而使發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度增高。過(guò)高的氫氣濕度會(huì)相應(yīng)增加發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗，降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率，加速絕緣材料的腐蝕速度，縮短發(fā)電機(jī)使用壽命，對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行造成極大的危害，氫氣濕度超標(biāo)已成為影響氫冷汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率和使用壽命的重要因素之一。在發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)中加裝干燥設(shè)備，可以使氫氣濕度降至標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，避免發(fā)生惡性及災(zāi)難性事故，是確保大容量氫冷汽輪發(fā)電機(jī)組可靠運(yùn)行的重要措施[1-3]。

1 幾種類型氫氣干燥器的簡(jiǎn)介

氫氣去濕的方法主要分為兩種，一種是冷凝式除濕，即使用制冷設(shè)備將氫氣的溫度降低，使其中的水分以結(jié)露或結(jié)霜的形式析出，再經(jīng)過(guò)化霜將析出的水分排出，從而達(dá)到氫氣去濕的目的。根據(jù)使用制冷設(shè)備的不同，冷凝式除濕裝置又分為機(jī)械制冷式和電子制冷式二種，通常前者稱冷凝式氫氣干燥器，后者稱電子致冷式（或稱半導(dǎo)體致冷式）氫氣干燥器。另一種是吸附式除濕，即使氫氣以一定的速度、壓力流過(guò)裝有吸濕劑的容器，使其中的水分被吸濕劑吸收，從而達(dá)到氫氣去濕的目的。

吸附式除濕干燥程度深，節(jié)電節(jié)能，但吸濕量有限，需再生，干燥劑消耗量和設(shè)備維護(hù)工作量很大；而冷凝式除濕能持續(xù)干燥去濕，無(wú)需再生，操作簡(jiǎn)單，并能使被干燥的氫氣降溫，但是其制冷深度和干燥程度很難滿足現(xiàn)行電力標(biāo)準(zhǔn)。兩者各有其發(fā)展領(lǐng)域和市場(chǎng)潛力，文中后續(xù)將主要針對(duì)海陽(yáng)核電廠使用的吸附式除濕干燥器優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 海陽(yáng)核電廠氫氣干燥器的運(yùn)行總結(jié)

2.1 氫氣干燥裝置的結(jié)構(gòu)

海陽(yáng)核電廠氫氣干燥器由三菱公司生產(chǎn)，設(shè)備主要由2個(gè)干燥塔，四通導(dǎo)向閥、泄壓閥、壓力平衡閥、冷凝器、再生風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)等部件組成，每個(gè)干燥塔內(nèi)置吸濕劑和再生加熱器，其流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 干燥器流程簡(jiǎn)圖

2.2 氫氣干燥裝置的工作流程

干燥器采用雙塔切換吸附的運(yùn)行方式對(duì)氫氣進(jìn)行干燥，封閉在再生列內(nèi)的氫氣由再生風(fēng)機(jī)推動(dòng)和四通閥導(dǎo)向始終流過(guò)再生列吸收塔，發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣則由循環(huán)風(fēng)機(jī)和四通閥導(dǎo)向始終流過(guò)干燥列吸收塔進(jìn)行除濕，再生列干燥塔和干燥列干燥塔定期進(jìn)行切換，因此能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣進(jìn)行不間斷的干燥。整個(gè)工作過(guò)程由PLC按預(yù)定程序自動(dòng)控制，也可以進(jìn)行手動(dòng)控制。由于手動(dòng)模式下，所有設(shè)備均要手動(dòng)操作，流程十分繁瑣，一旦操作失誤即可能造成設(shè)備超壓、加熱器超溫等嚴(yán)重后果，所以不建議使用手動(dòng)模式。

將氫氣干燥器投入自動(dòng)模式后，氫氣干燥器會(huì)按照如下方式運(yùn)行：

1）被選擇為干燥列的干燥塔，會(huì)持續(xù)對(duì)氫氣干燥2周（336 h），2周后會(huì)自動(dòng)切換至另一列進(jìn)行氫氣干燥。

2）對(duì)于另一列未被選為干燥列的干燥塔，在投入自動(dòng)模式后立即開(kāi)始再生。

3）再生過(guò)程：再生風(fēng)機(jī)和再生加熱器啟動(dòng)，SV-1（泄壓電磁閥）自動(dòng)開(kāi)啟將再生列壓力降至50 kpa并始終保證其不超壓，再生過(guò)程持續(xù)300 min；再生過(guò)程中產(chǎn)生的凝結(jié)水通過(guò)SV-3（疏水電磁閥）進(jìn)行排放，SV-3會(huì)在再生加熱器啟動(dòng)后的30 min時(shí)第一次開(kāi)啟，并且在此后的每5 min開(kāi)關(guān)一次，每次開(kāi)10 s；再生過(guò)程中加熱器維持500℃，干燥劑溫度約為150℃。

4）經(jīng)過(guò)300 min再生，干燥塔會(huì)進(jìn)行1 h的冷卻，冷卻完畢后SV-2A/2B（平衡電磁閥）開(kāi)啟，將再生列和干燥列的氫氣干燥塔的壓力進(jìn)行平衡，干燥列干燥塔投入備用，等待干燥塔的定期切換。

2.3 氫氣干燥裝置的常見(jiàn)故障

2.3.1 進(jìn)出口露點(diǎn)溫度報(bào)警

氫氣干燥器（干燥列）進(jìn)出口露點(diǎn)溫度分別達(dá)到（+5/0）℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)報(bào)警，表明發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度已不合格。海陽(yáng)核電廠出現(xiàn)多次該報(bào)警的原因是干燥塔自動(dòng)模式下切換時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2周，并且不會(huì)根據(jù)露點(diǎn)溫度自動(dòng)切換，當(dāng)制氫站供氫濕度較高時(shí)，干燥劑經(jīng)常會(huì)在3天左右就失效，從而產(chǎn)生上述報(bào)警。

針對(duì)該問(wèn)題，建議增加相應(yīng)邏輯，當(dāng)干燥列出口露點(diǎn)溫度達(dá)到-20℃時(shí)，立即自動(dòng)進(jìn)行干燥塔切換，確保發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

2.3.2 干燥塔進(jìn)油

由于發(fā)電機(jī)密封油與發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣存在接觸，難以避免進(jìn)入干燥塔的氫氣中含有一定量的油沫，油沫附著在干燥劑表面，會(huì)嚴(yán)重影響干燥塔的除濕效率，進(jìn)而導(dǎo)致干燥器失效。海陽(yáng)核電廠2020年2月對(duì)氫氣干燥器的定期維護(hù)過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)干燥劑表面的油污過(guò)多，已經(jīng)失效，最終只能整體更換干燥塔處理。

對(duì)于吸附式干燥器進(jìn)油問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多電廠都有類似的問(wèn)題，只有改進(jìn)發(fā)電機(jī)的制造工藝水平，減小密封油向氫氣的泄露才能治本。海陽(yáng)核電廠的汽輪發(fā)電機(jī)組由三菱哈動(dòng)提供，其制造工藝水平較高，相比其他國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)，漏油量比較小，此外運(yùn)行處還會(huì)持續(xù)對(duì)干燥器疏水中的水中油進(jìn)行取樣跟蹤，以確定干燥劑的失效周期。

2.3.3 再生列干燥塔超壓

再生列干燥塔在再生過(guò)程中，由于是密閉系統(tǒng)且有電加熱器一直加熱，其壓力會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)其壓力升至55 kpa時(shí)，SV-1（泄壓電磁閥）自動(dòng)開(kāi)啟，通過(guò)1-HCS-V3429（HCS背壓氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥）維持再生列干燥塔壓力不超過(guò)50 kpa。由于1-HCS-V3429可以人為調(diào)節(jié)，故存在故障的可能性，一旦其無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能導(dǎo)致再生列干燥塔超壓，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警并停止干燥塔再生。海陽(yáng)核電廠商業(yè)運(yùn)行以來(lái)，多次出現(xiàn)再生列干燥塔超壓報(bào)警，均是由于1-HCS-V3429故障無(wú)法實(shí)現(xiàn)其調(diào)壓功能。

針對(duì)該缺陷，運(yùn)行值已多次提出相應(yīng)整改要求，并由維修人員對(duì)1-HCS-V3429進(jìn)行故障處理。

3 海陽(yáng)核電廠氫氣干燥器的優(yōu)缺點(diǎn)分析

封閉再生吸附式氫氣干燥器具有出口氫氣濕度小、可持續(xù)除濕、除濕效果好、干燥劑可再生重復(fù)使用、干燥劑再生不消耗氫氣、振動(dòng)和噪聲小，不易出故障等優(yōu)點(diǎn)。

由于采用吸濕劑除濕，再生吸附式氫氣干燥裝置主要缺點(diǎn)是：

1）氫氣中的油污、灰塵對(duì)除濕效果影響很大，甚至使吸濕劑失去除濕能力；

2）吸濕劑在再生加熱時(shí)和冷卻時(shí)都會(huì)產(chǎn)生溫度的不均勻變化，由于熱脹冷縮原理產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力變化，這種變化最終將導(dǎo)致吸濕劑顆粒粉末化，粉末可能由氫氣流帶入發(fā)電機(jī)內(nèi)，造成對(duì)發(fā)電機(jī)的污染；

3）由于吸附劑的性質(zhì)是能把比其直徑小的分子吸附到孔穴的內(nèi)部中來(lái)，因此，當(dāng)吸附劑接觸空氣時(shí)將吸收大量的空氣，包括氧氣。如果氣體置換時(shí)使用二氧化碳，則又會(huì)吸附大量的二氧化碳。在干燥器投入運(yùn)行后，在再生過(guò)程中將這些氣體脫附釋放出來(lái)，會(huì)在密封的再生系統(tǒng)中形成氫氣和空氣或二氧化碳的混合氣，輕則會(huì)在一定程度上影響發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度，重則由于再生系統(tǒng)內(nèi)有電加熱器，可能點(diǎn)燃混合氣體發(fā)生燃燒或爆炸。

雖然吸附式氫氣干燥器存在上述缺點(diǎn)，但這不代表這種產(chǎn)品是不可靠的，相比于冷凝式干燥器的一些缺陷，吸附式干燥器是更好的選擇，而且隨著技術(shù)的不斷迭代更新，新式的吸附式氫氣干燥器早已問(wèn)世，將老式吸附式干燥器的一些缺陷進(jìn)行了處理，現(xiàn)將其特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

新一代雙塔型氫氣干燥器采用開(kāi)環(huán)方式進(jìn)行再生，將再生塔釋放出水氣和污染物全部排空，徹底清除了干燥塔工作時(shí)所吸附的污染物和水氣，大幅度提高回路中氫氣純度；同時(shí)也省去了水冷卻系統(tǒng)，降低了運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。其代價(jià)只是多消耗了少量氫氣（每次再生約放空6～10 m3的氫氣）。由于再生徹底，再生塔每次可連續(xù)工作15天以上，甚至30天。因而，這種再生方法在全年運(yùn)行中，所消耗的氫氣是非常有限的。此外，通過(guò)對(duì)進(jìn)出口露點(diǎn)的設(shè)定和監(jiān)測(cè)，干燥塔進(jìn)行自動(dòng)切換，使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的最佳運(yùn)行狀態(tài)，保證氫氣純度的提高，效果十分理想。

4 結(jié)語(yǔ)

再生吸附式氫氣干燥器技術(shù)源于美國(guó)，在西方比較普及，該技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟，具有出口氫氣濕度小、可持續(xù)除濕、除濕效果好、干燥劑可再生重復(fù)使用、干燥劑再生不消耗氫氣、振動(dòng)和噪聲小，不易出故障等優(yōu)點(diǎn)。雖然也存在一些缺陷，但通過(guò)合理運(yùn)行及定期維修，都是可以處理的。

作為運(yùn)行值班人員要認(rèn)真學(xué)習(xí)氫氣干燥器相關(guān)知識(shí)，及時(shí)處理氫氣干燥器運(yùn)行中出現(xiàn)的故障。