秦山第二核電廠發(fā)電機氫氣濕度控制

張紅樂 葉丹萌 李鳳山 高照 王贊娥

摘 要：根據(jù)秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機氫氣濕度控制實際經(jīng)驗，介紹了氫氣濕度的不同表示方法及氫氣濕度電力行業(yè)標準，指出氫氣常壓露點溫度與運行氫壓露點溫度的區(qū)別，利用理想氣體狀態(tài)方程討論了兩者間相互轉換過程。通過秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機氫氣絕對濕度與運行氫壓露點溫度相互轉換計算實例，闡述了絕對濕度與運行氫壓露點溫度相互轉換方法，并得出秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機氫氣濕度滿足電力行業(yè)標準要求的結論。

關鍵詞：氫氣濕度 氫氣壓力 露點溫度

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0219-01

秦山第二核電廠1&2號機組兩臺汽輪發(fā)電機為哈爾濱電機廠有限責任公司制造的QFSN-650-2型汽輪發(fā)電機，采用水氫氫冷卻方式，即，定子繞組水內冷、定子鐵心及端部結構件氫氣表面冷卻、轉子繞組氣隙取氣氫內冷的冷卻方式。氫冷發(fā)電機應控制好氫氣濕度，濕度過高或過低都會給發(fā)電機穩(wěn)定運行帶來安全隱患。

1 氫氣濕度表示方法及氫氣干燥裝置

1.1 氫氣濕度表示方法

濕度指氣體中水汽含量，表示方法較多，常用的有絕對濕度和露點溫度。

（1）絕對濕度：濕氣中水汽質量與濕氣總體積之比。

（2）露點溫度：壓力為p、溫度為T、混合比為r的濕氣中，在此給定壓力下，濕氣被水飽和時的溫度。

絕對濕度與溫度有關，與水蒸氣壓力不存在單一函數(shù)關系，故會增加應用復雜性。露點溫度能清晰直觀表示濕氣濕度，不受溫度影響且與濕氣中水汽含量成單一函數(shù)關系。露點溫度表達了當物體溫度高于露點溫度時，不會在該物體上結露；反之，則會在該物體上結露。故采用露點溫度作為氫氣濕度表示方法，能直觀地表示發(fā)電機內是否結露的情況。

1.2 氫氣干燥裝置

目前，已開發(fā)出基于吸附干燥和冷凝干燥兩種原理氫氣干燥器。吸附式干燥器干燥程度深，設備簡單，但氫氣處理量小，需再生，存在吸附劑油霧污染而中毒失效的缺點；冷凝式干燥器能持續(xù)去濕，無需再生，并能對被干燥氫氣降溫，但制冷式氫氣干燥器制冷深度和干燥程度很難滿足現(xiàn)行電力行業(yè)標準要求。秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機采用吸附式氫氣干燥器。吸附式干燥器的吸附劑是一種具有豐富微孔結構和巨大微孔內表面的固體材料，對氣體中水分會強烈捕獲，并將其吸附到微孔內表面上，降低氣體濕度，常用的吸附劑有硅膠、活性氧化鋁和分子篩。秦山第二核電廠1&2號機組使用的吸附劑為活性氧化鋁，其密度為0.7～0.8 kg/m3，孔徑為40～50 mm，孔隙率為40%～50%。

2 氫氣濕度行業(yè)標準及壓力修正

2.1 氫氣濕度行業(yè)標準

1998年3月19日發(fā)布的中華人民共和國電力行業(yè)標準DL/T 651-1998《氫冷發(fā)電機氫氣濕度的技術要求》[1]中，采用露點溫度作為衡量氫氣濕度的標準。該標準自1998年9月1日起實施，適用于運行中及充氫停運的國產(chǎn)200 MW及以上氫冷發(fā)電機。該標準規(guī)定：發(fā)電機內運行氫壓下的允許濕度低限為露點溫度td=-25 ℃，根據(jù)發(fā)電機內最低溫度規(guī)定了允許濕度的高限，即發(fā)電機溫度最低為5 ℃時，濕度高限為露點溫度td=-5 ℃；發(fā)電機溫度最低≥10 ℃時，濕度高限為td=0 ℃。

2.2 氫氣濕度壓力修正

有些運行單位對上述標準中氫氣濕度規(guī)定存在誤解，認為濕度限值為采用便攜式濕度儀在機外所測值，因此造成相當數(shù)量發(fā)電機氫氣濕度過高[1]。必須聲明，采用便攜式儀表在機外測量氫氣濕度為常壓氫氣濕度，為與標準比較，應將測量值修正為機內壓力氫氣濕度。機內濕氫氣由干氫氣、干空氣和水蒸氣組成。濕氫氣能否當作理想氣體混合物，取決于其組成氣體是否具有理想氣體性質。干氫氣是理想氣體[2]，很寬壓力范圍內的干空氣及溫度不超過80 ℃的水蒸氣可以看做理想氣體[3]，因此溫度不超過80 ℃濕氫氣可看成理想氣體混合物，理想氣體混合物計算方法適用于濕氫氣。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRmT及道爾頓分壓定律piV=niRmT[2]，兩式中：p理想氣體壓力；pi理想氣體混合物中水蒸氣分壓力；V理想氣體體積；n理想氣體中氣體物質的量；ni理想氣體混合物中水蒸氣物質的量；Rm理想氣體通用氣體常數(shù)；T理想氣體溫度。用后式除以前式得pi/p=ni/n，含濕量一定的濕氫氣，ni/n為常數(shù)。故標準大氣壓pa下濕氫氣中水蒸氣分壓力pai與運行氫壓p下濕氫氣中水蒸氣分壓力pi之間有如下關系：pai/pa=pi/p。算例，采用便攜式儀表測量氫氣露點溫度tai，按水和水蒸氣熱力性質圖表[4]查得與該露點溫度對應的飽和水蒸氣壓力pai，將pai、pa和p代入上式，求得運行氫壓下飽和水蒸氣分壓pi，按水和水蒸氣熱力性質圖表[4]查得與該飽和水蒸氣分壓對應的飽和水蒸氣溫度tdi，tdi即為機內壓力下氫氣露點溫度。

3 氫氣濕度運行規(guī)定及相關限值

秦山第二核電廠1&2號機組主發(fā)電機正常運行及事故處理導則規(guī)定，發(fā)電機氫氣濕度在額定氫壓（0.5 MPa·a）下應控制在2 g/m3以下，超過此值應投入氫氣干燥器，為防止氫氣過于干燥導致發(fā)電機絕緣材料開裂，應控制氫氣露點溫度在-25 ℃以上。秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機氣體容積V=110 m3。濕氫氣平均溫度T=327.25K，即發(fā)電機內水蒸氣溫度。絕對濕度D=2 g/m3時，機內水蒸氣密度ρ=D=2 g/m3，比體積ν=1/ρ=0.5 m3/g。將上述值代入理想氣體狀態(tài)方程另一表達形式pν=RT[2]，式中R為水蒸氣氣體常數(shù)，為0.461 kJ/kg·K[2]，求出此時水蒸氣分壓力pi=302 Pa，由pi按水和水蒸氣熱力性質圖表[4]查得額定氫壓下水蒸氣露點溫度tdi=-9.3 ℃，故秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機氫氣濕度高限在額定氫壓下用露點溫度表示為td=-9.3 ℃。秦山第二核電廠1&2號機組運行中發(fā)電機氫氣濕度控制在0.8～1.6 g/m3之間，最低不低于0.6g/m3，可算出0.6 g/m3時對應額定氫壓下露點溫度為-23.7 ℃。

故秦山第二核電廠1&2號機組發(fā)電機氫氣濕度滿足電力行業(yè)標準要求。

4 結語

氫氣濕度對氫冷發(fā)電機安全穩(wěn)定運行有著極其重要的意義，鑒于氫氣濕度的重要性，相關部門制訂了行業(yè)標準，保證氫氣濕度在合理范圍內。各運行單位應通過氫氣濕度不同表示方法間相互轉換，將氫氣濕度控制在行業(yè)標準要求范圍內，保證發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1] 呂明，白亞民.發(fā)電機氫氣濕度標準的制定[J].華北電力技術，2004（8）：45-47.

[2] 郁嵐，衛(wèi)運鋼，尚玉琴.熱工基礎及流體力學[M].北京：中國電力出版社，2006：334.

[3] 劉暉，肖紅.關于濕壓縮空氣熱力性質計算的討論[J].壓縮機技術，2002（6）：11-12.