660MW燃煤機組發電機氫氣干燥器運行研究

霍夢強

（神華國能哈密電廠，新疆 哈密 839000）

0 前言

氫氣濕度超標將會對發電機組內部構件產生不良影響，對發電機組的內部運行產生威脅。為了能夠適應未來生產要求，需要運用干燥設備，因此，該設備被認為是電站輔機的重要組成部分。從未來技術發展情況來看，隨著燃煤機組的功率不斷提升，該設備對運行環境的要求更加苛刻，為了能夠適應發展要求，需要進一步了解氫氣干燥設備的運行情況，并尋找優化措施。

1 氫氣濕度超標對發電機安全性的影響

從現行的技術發展情況來看，人們已經開發出吸附式干燥與冷凝干燥2 種技術，其中吸附式干燥因為具有設備簡單、適用范圍廣等優點而得到廣泛推廣。與傳統技術相比，吸附式干燥器在技術上具有先進性，在吸附再生作用的影響下可以保證氫氣的適度達標，確保下一階段的生產操作過程順利進行，并且隨著干燥劑的性能不斷完善，干燥的成本不斷下降，相關技術的經濟指標也越來越好，具有廣闊的發展前景[1]。

在燃煤機運行過程中，氫氣濕度超標的影響較為明顯，主要會出現以下幾方面問題：1）氫氣濕度超標會影響原子氫的變化，改變鋼的物理性質。在燃煤機運行過程中，隨著設備溫度的提升，氫對鋼的影響越來越明顯，其中溶解于鋼的晶格原子氫會在隨后的變形中出現脆化現象，同時隨著氫向鋼內部的擴散，與滲入鋼中的碳發生化學反應，生成一定量的甲烷，但是因為該物質在鋼中的擴散能力弱，所以很容易聚集在晶界孔隙內并發展為局部高壓，導致脆化現象。根據相關調查結果顯示，當氫氣的相對濕度達到50%以上時，則氫氣所產生的應力腐蝕情況會進一步加劇，且隨著氫氣相對濕度的增加，會逐漸影響發電機轉子護環的性能，在腐蝕作用的影響下導致設備表面出現裂紋，影響安全運行[2]。2）氫氣濕度超標會改變氫氣中水分含量的變化，在節點強度較低的情況下，定子繞組可能會在低絕緣電阻的影響下出現性能變化，電壓的下降可能會導致絕緣擊穿、電暈以及閃絡等問題。

2 發電機氫氣干燥器的運行特征

目前市面上常見的發電機氫氣干燥器是對氫氣做干燥的設備，利用活性氧化鋁對水分子的吸附特性實現干燥運行。從性能上來看，活性氧化鋁作為一種固態干燥劑，經過活性氧化鋁吸收塔快速清除其中的水蒸氣，其中高疏松度氧化鋁有很強的吸濕功能，該材料的表面積較大，利用該材料的無毒特性以及化學特性等，可以實現安全生產。在火電廠運行期間，當活性氧化鋁吸收的水分達到飽和狀態后，可經過再生-加熱等方面清除掉干燥劑自身的水分，并維持其正常的吸水效果，且氧化鋁的吸水性能不受再生效果的影響。

在設備干燥運行過程中，在高密電加熱器干燥劑的影響下可以促使被束縛的水分汽化，并且所有封裝的氫氣通過吸附層后可以帶走多余的水蒸氣，當干燥劑恢復至原有的特性后，可繼續清除其中的水分，將氫氣以及內部的水蒸氣冷卻之后，促使冷凝水快速排除，達到了除濕的目的。

3 氫氣干燥器的運行狀況分析

為了能夠更好地了解660MW 燃煤機組發電機氫氣干燥器的運行，在該研究中采用案例分析法，該發電機組采用了水-氫-氫冷卻的運行模式，為水內冷定子繞組，轉子繞組為氫氣內冷，鐵芯采用了氫氣外部冷卻的技術模式。在該設備中，氫氣為發電機運行的關鍵冷卻介質，因此其性能對火電廠燃煤運行的影響較為明顯，所以為了能夠保證氫氣品質，則需要關注氫氣干燥器的運行數據變化。

該項目中所介紹的氫氣干燥器雙塔吸附式干燥器，對氫氣的干燥處理流程為借助活性氧化鋁的強吸水性來降低發電機組中氫氣的水蒸氣水平，并且當活性氧化鋁大量吸收水分并且達到飽和狀態后，可通過再生加熱的方法來消除水分的影響，最終維持正常的吸濕效果，且其活性氧化鋁的性能以及狀態不會受到重復再生效果的影響。而在處于再生狀態的干燥塔中后，可經電加熱器的干燥器使水分汽化，并且封裝的氫氣在流過吸附之后可以帶走經過的水蒸氣，此時干燥劑會恢復正常的特性，并經過冷卻器的氫氣冷卻作用后可析出冷凝水，該部分冷凝水會在汽水分離作用下排出。在上述狀態下，干燥塔會持續的處于吸濕狀態，而另一個干燥塔會因為再生狀態而產生持續的干燥效果。該文所介紹的設備每隔8h 可自動轉換一次，其中處于再生狀態的塔可以在4h 內完成加熱，并在余下的4h內實現冷卻，冷卻器的水為循環水模式，冷析結束后水自然排出。

在該設備投產以來，根據檢測結果發現發電機的濕度長期偏離正常值，針對該問題對氫氣干燥器做檢查后，結果顯示調節再生溫度的正常值為（163.0±28.0）℃，但是該設備的溫度卻經常下降至130℃以下，在長期的低溫狀態下會影響干燥劑的再生效果，進一步觀察后發現大部分干燥劑尚在使用期內就出現失效的問題。同時在對加熱器進行觀察后，未發現電加熱器的異常情況；油水分離器觀察結果可以發現，發電機內設置了密封油系統，可以有效避免發電機內氫氣泄露，但是氫氣中往往會攜帶少量的油。該設備的基本結構如圖1 所示。

圖1 干燥器的基本結構

4 氫氣干燥器的運行控制分析

4.1 設備的數值設定方法

為保證氫氣干燥器的正常運行要求，相關人員需要了解660MW燃煤機組發電機正常運行時設定的運行數據，其中的標準資料如表1 所示。

表1 數值的設定結果

4.2 設備運行的控制

在發電機組氫氣干燥器運行期間，運行控制的基本流如下：1）在檢查設備與控制箱確定一切正常之后啟動電源，并合上隔離開關。2）切換四通閥。根據上文介紹的工況，四通閥的控制流程第一步為①號塔吸濕，②號塔加熱；第二步為①號塔吸濕，②號塔冷卻；第三步為②號塔吸濕，①號塔加熱；第四步為②號塔吸濕，①號塔冷卻。

4.3 清理自動排水器

在氫氣干燥器運行期間，應每周清理疏水閥一次，之后每隔3 個月清理1 次，在清理過程中應重點關注以下問題：1）在清理前需要關閉排水隔離閥與排水連通閥；2）取下疏水閥自由的流動組件與螺栓；3）經中性清潔劑徹底清理疏水閥，確保排水孔通暢無質量問題；4）完成疏水閥的重新組裝并與輸水線連接；5）取下疏水閥上方的絲堵并注水直至排水，最后旋緊絲堵；6）打開排水隔離閥與排水連通閥之后，測量泄漏情況，并在加熱后做最后一次檢查。

從設備運行角度來看，一旦浮子疏水器因為故障而無法正常運行，將會導致冷凝水無法從分離器中排除，干燥器無法恢復正常的功能，活性氧化鋁的吸濕性能下降，吸濕效果不理想，最終影響了氫氣干燥器的正常運行能力。因此為了能夠消除潛在質量隱患，則需要做好浮子疏水器的清理工作，這是設備運行中需要重點考慮的問題。

4.4 再生氣流量的設置

再生氣流量閥在啟動之后需要結合工況來進行調整，這樣才能維持滿意的再生溫度，其中的關鍵點如下：1）在設備出口氣體溫度的設置上，標準溫度為（82±11）℃。2）冷卻塔出口氣體的溫度為（38.0±2.0）℃。3）再生塔內的溫度為（163.0±28.0）℃。在設備運行期間，當控制閥的相關運行數值控制合理的情況下，可在2h 內達到理想的運行溫度。

同時為能夠發揮干燥器的最大效益，需要工作人員能夠盡可能地實現再生塔的出口溫度、冷卻器出口溫度以及干燥塔內溫度之間的平衡，而一般情況下設備在運行的早期階段，塔內溫度超過82℃后水開始排出，并且從排水過程來看，其排水量受到分離器中氫氣濕度等因素的影響，若在安裝期間干燥器的含水量極低，則初期進行的再生循環中只會排出較少的水。在這種工況下應考慮以下問題：1）若再生氣流量較少，其原因可能為①再生塔的出口溫度異常升高；②冷卻出口的氣體溫度異常；③再生塔內的溫度較高。正常情況下控制閥需以1/8 轉向控制閥門，維持再生氣流的穩定性，并且在這個過程中需要設定15min～20min 的穩定溫度時期，這是運行人員需重點關注的問題[3]。2）針對再生氣流量過高的工況，則需要考慮以下問題：①再生塔的出口溫度過低，這一情況需要結合再生氣流量的具體數值進行判斷；②冷卻出口的氣體溫度較高；③再生塔內的溫度較低。

再生過程主要是通過內部風機進行的，當氫氣被持續加壓后可以促使氣體上升并與加熱的干燥劑融合，最終帶走其中的水分，當通過低溫冷區器之后使水分冷凝。目前所使用的新型離心型汽水分離器可以將水快速地從氫氣中分離出來，當水在分離系統的作用下流向疏水閥之后，氫氣在冷卻作用的影響下會經四通閥再次返回到底部，并且設備的加熱過程也同時開始。

在正常工況下，設備會存在數量相同的打開與關閉閥門，該項目中所采用的XQS-D 型干燥器能夠實現自動化運行，濕氣流經內部的風機，風機可以在PLC 控制系統下有流程的控制吸濕環節。但是在自動化運行過程中，設備依然有可能出現一系列故障問題，主要表現：1）開關故障。正常運行條件下①號塔吸濕開關與②號塔轉換開關之間的節點是斷開的，而②號塔吸濕期間與①號塔的開關節點斷開。若這個過程中出現了不正確的切換過程將會出現故障。而系統針對該故障會啟動自動計時，10s 后HLI（報警燈）亮起，故障點輸出閉合。2）風機故障。在設備正常運行條件下設備處于啟動狀態，風扇穩定地運行，并且在電機保護時在啟動輔助點并閉合電機后系統將會自動啟動KM1，此時PLC 開始輸入信號，保證氫氣干燥器的正常運行。

4.5 吸濕與再生時間的控制

現階段的氫氣干燥器均為自動運行裝置，設備經PLC定時循環控制后能夠進行自動運行，結合前文的介紹可知，設備會每隔8h 做一次循環并重復上述行為。但是根據案例設備的運行工況可以發現，再生塔②塔在經過連續2h 的加熱之后就自動切換至冷卻狀態，這種情況導致塔內的冷卻溫度異常，難以維持理想的吸濕效果，自然也難以釋放充足的干燥劑來吸收其中的潮氣，最終氣流經過冷凝器、干燥層以及汽水分離器的流動后出現異常，干燥劑失活。針對該問題，將再生塔的時間重新調整為4h，經過試運行結果發現①號塔與②號塔的運行，溫度基本恢復正常，汽水分離器中開始大量的排出水分，設備干燥度顯著提升，并且相關數據開始恢復至正常值。

4.6 遠程信號控制與運行管理

在遠程運行狀態中，人機界面可選擇氫氣干燥器遠程控制模塊，其中氫氣干燥器在斷電后，其狀態畫面可以自動調整為本地控制形式。在運行過程中需要重點考慮以下幾方面要求：1）在遠程控制運行期間，遠程控制信號保持閉合的狀態下實現閉合脈沖，此時干燥器可快速投入使用。2）停止。在氫氣干燥器投入使用之后，遠程控制線可斷開脈沖，此時氫氣干燥器可停止運行。

在運行管理中，還需要重點關注以下問題：1）關閉總電源之后，檢查所有進入控制箱導管的密封性，為確保干燥效果，須用密封附件或者密封膠泥做密封處理；2）測量加熱器與電機的電阻值情況，并將相關數據等級在《干燥器動作記錄表格》中，將該數據作為未來排除設備故障的重要依據；3）所有檢查以及測量的數據被等級在案后，此時氫氣干燥器可通過氫氣置換掉其中的二氧化碳氣體，最終提升至正常運行壓力，檢查有無氫氣泄漏情況；4）檢查設備的運行狀態，檢查電機啟動保護器斷路器的是否處于ON 位置；5）確保容器均處于標準的壓力狀態下。

5 電氣防爆控制箱的換氣

5.1 技術要求

根據我國《爆炸性氣體環境用電氣設備》的相關規定，案例項目的氫氣干燥器電氣防爆控制箱采用了正壓保護防暴形式，該裝置允許使用在爆炸類氣體環境危險場所Ⅱ類第2 區的位置，即經換氣將控制箱內的危險分類從第二區下降至非危險的正壓防爆保護下。根據設備的不同工況，非可燃性儀表及其對應的惰性氣體需要考慮到保護氣體氣源的要求，而根據處置經驗，需要在電氣防爆控制箱上增添警告標志，并且在打開設備前采用適當方式清除其中的惰性氣體。

在送電之前須對電氣防爆控制箱內做5 倍容積的換氣，維持最小壓力為25MPa；換氣氣流調節閥設定在175MPa 以下并完全打開換氣出口閥。在最初換氣時間結束后快速關閉出口閥門，并通過連續的供氣來維持防爆控制箱的正壓值。

5.2 換氣操作的相關注意事項

在換氣操作中，需要嚴格按照說明書做加壓與換氣，并且在該項操作結束前嚴禁送電。除此之外，相關人員還需要重點關注以下問題：1）在換氣減壓閥門入口加壓期間，所設置的最大供氣壓力為1667kPa；2）打開防爆控制箱周圍的換氣出口閥，保證換氣期間控制箱的最小壓力為174kPa；3）電氣防爆控制箱的換氣時間在明確之后并黏貼在告示牌上，并做5 倍容積換氣量；4）在換氣結束后，關閉換氣出口閥實現連續換氣，將隔離空間正壓維持在（1.2±0.6）kPa[4]。

針對氫氣干燥器電氣防爆的技術要求，在現場需通過正壓開關監視器來記錄其中的壓力變化情況，理想條件下正壓壓力應高于設定值，若下降到壓差開關的設定值之下，則會產生報警器失電情況，此時人機界面可以顯示“換氣正壓故障”的指示燈；設備上外殼電源須及時切斷，并且重新輸電之后才能重新為防爆控制器換氣。

6 結語

660MW 燃煤機組發電機氫氣干燥器在運行期間受到很多因素的影響，為了能夠更好地適應復雜工況的運行要求，相關人員則需要在了解設備運行工況的基礎上，總結設備運行效率異常的原因，并制定科學合理的預防對策，強化整體設備的運行能力，消除潛在質量隱患，這樣才能充分優化設備的運行過程，最終有效規避質量問題，成為支持燃煤機組運行的關鍵。