水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量定量在線檢測(cè)裝置的研究

崔 明，姜 浩，王成申，孫 斌，楊 明，袁東月，何 鑫

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；2. 國電吉林龍華長(zhǎng)春熱電一廠，長(zhǎng)春 130052；3.吉林電力股份有限公司四平熱電廠，吉林 四平 136001)

目前各電廠在200 MW及以上水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)組上都安裝了內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線監(jiān)測(cè)裝置，能時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)冷水箱所含氫氣體積含量。國家能源局2014(161)號(hào)文件《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》重新對(duì)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改 ，并給出了要求值，但目前國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水含氫氣的檢測(cè)方法、參數(shù)控制等方面沒有明確規(guī)定。為了確定水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量定量的檢測(cè)方法，研制了新型水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置(以下簡(jiǎn)稱在線檢測(cè)裝置)。

1 原在線檢測(cè)裝置存在的問題

a.內(nèi)冷水箱安裝的氫氣傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)不真實(shí)。連接氫氣傳感器的垂直方向管路氣體不流動(dòng)，內(nèi)冷水箱運(yùn)行時(shí)，由于氫氣質(zhì)量相對(duì)較輕，溢出的氫氣在上部垂直管路聚集，導(dǎo)致所測(cè)氫氣含量很高，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)不真實(shí)。

b.原在線檢測(cè)裝置氫氣傳感器量程小。該量程為0～4%，不能滿足國家能源局2014(161)號(hào)文件《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》規(guī)定的10%的檢測(cè)指標(biāo)要求。當(dāng)內(nèi)冷水箱測(cè)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警時(shí)，運(yùn)行人員無法判定內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量是否超標(biāo)。

c.所裝氣體流量表不能檢測(cè)氫氣的流量。安裝的氣體流量表的量程較大、靈敏度低，內(nèi)冷水箱所排出的氣體中除了氫氣以外，還有其他組分氣體，因此安裝的氣體流量表不能檢測(cè)氫氣的流量。

2 新型在線檢測(cè)裝置的研制

2.1 傳感器的選擇

水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置主要部件之一是氫氣傳感器，選擇合適的傳感器是研發(fā)該檢測(cè)裝置關(guān)鍵的一步。目前市場(chǎng)上有6類測(cè)量氫氣的傳感器，其測(cè)量原理、量程、代表設(shè)備及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。針對(duì)水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置的特殊性，最終確定選用在線熱導(dǎo)原理式傳感器，它具有測(cè)量范圍寬、線性好、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

表1 不同傳感器特點(diǎn)的對(duì)比

2.2 試驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)

在確定傳感器之后，研制的新型內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置在制造企業(yè)的試驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以確定該裝置是否滿足檢測(cè)要求。

在制造企業(yè)的試驗(yàn)室內(nèi)，搭接一個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)冷水系統(tǒng)運(yùn)行方式基本相同的水回路，包括：水箱、循環(huán)水泵、傳感器、氫氣檢測(cè)裝置、混有飽和水蒸氣的氫氣、標(biāo)準(zhǔn)氫氣等。

在搭接的水回路中保持通入氣體為濕氣(混有飽和水蒸氣的氫氣)的條件下，測(cè)試不同溫度下，傳感器顯示值與氫氣體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系，傳感器示值與氫氣體積分?jǐn)?shù)間的線性關(guān)系見圖1。

圖1 傳感器示值與氫氣體積分?jǐn)?shù)間的線性關(guān)系

通過上述傳感器示值與氫氣體積分?jǐn)?shù)間的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，通入濕氣時(shí)，在不同溫度下傳感器示值對(duì)氫氣的體積分?jǐn)?shù)均呈較好的線性關(guān)系，且直線的斜率、截距與溫度間也有規(guī)律可循，因此，當(dāng)內(nèi)冷水箱溫度變化時(shí)，該傳感器可以滿足水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)的要求。

2.3 在線檢測(cè)裝置的檢測(cè)原理

內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置由監(jiān)控主機(jī)、傳感單元及遠(yuǎn)傳氣體流量計(jì)組成。特制的傳感單元可對(duì)氫氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行大量程測(cè)量。膜式流量計(jì)可以最小程度減少水汽、溫度等因素影響，能準(zhǔn)確計(jì)量氣體泄漏量。

在線檢測(cè)裝置由傳感單元檢測(cè)內(nèi)冷水箱內(nèi)實(shí)時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)，由氣體流量計(jì)采集流量數(shù)據(jù)，經(jīng)通信上傳給監(jiān)控主機(jī)，由主機(jī)處理這些數(shù)據(jù)，對(duì)氣體泄漏量與氫氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行時(shí)間上積分，即可計(jì)算出氫氣泄漏量。裝置具有顯示實(shí)時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)、日平均滑窗含氫量、日累計(jì)氫氣泄漏量、日排氣量、總排氣量功能，并能夠存儲(chǔ)每日氫氣泄漏量以及前一天微小時(shí)間段(若干分鐘)內(nèi)氣體泄露數(shù)據(jù)，提供歷史氫氣泄漏量查詢功能。內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置屏幕顯示的參數(shù)見圖2。

圖2 在線監(jiān)測(cè)裝置屏幕顯示的參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 在線檢測(cè)裝置安裝位置

在內(nèi)冷水箱上部排至大氣的管路中接入冷凝器、遠(yuǎn)傳氣體流量計(jì)、氫氣傳感器，并經(jīng)過多次改進(jìn)和完善已經(jīng)定型，現(xiàn)場(chǎng)安裝位置見圖3。目前已在吉林省2座發(fā)電廠2臺(tái)350 MW汽輪發(fā)電機(jī)上成功安裝新型內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置，運(yùn)行效果較好。

圖3 在線檢測(cè)裝置安裝示意圖

3.2 內(nèi)冷水箱含氫量與水位之間的關(guān)系

在新型在線檢測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)冷水箱氫氣體積分?jǐn)?shù)與水位之間存在一定的關(guān)系見圖4，圖中曲線1為在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的內(nèi)冷水箱氫氣體積分?jǐn)?shù)，曲線2為內(nèi)冷水箱水位高度。為了縮短測(cè)試時(shí)間，采用人工操作降低內(nèi)冷水箱的水位，當(dāng)內(nèi)冷水箱水位下降到一定高度時(shí)，自動(dòng)開啟補(bǔ)水系統(tǒng)，使內(nèi)冷水箱水位開始上升，當(dāng)開啟排氫閥門時(shí)，在內(nèi)冷水箱上部聚集的氫氣突然集中釋放出來，所測(cè)得氫氣體積分?jǐn)?shù)從0值躍變到某一數(shù)值。隨著測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)，氫氣不斷釋放，測(cè)得的氫氣體積分?jǐn)?shù)不斷下降，約4 h左右濃度降低至0；當(dāng)再次降低內(nèi)冷水箱水位，自動(dòng)開啟補(bǔ)水系統(tǒng)時(shí)，上述過程再次重復(fù)。通過上述測(cè)試過程可以看出：當(dāng)水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水箱中存在氫氣時(shí)，其含量釋放速度與內(nèi)冷水箱水位變化情況有關(guān)。

圖4 某電廠內(nèi)冷水箱氫氣體積分?jǐn)?shù)與水位之間的關(guān)系

3.3 在線檢測(cè)裝置與標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)比測(cè)試

為了確定研究的內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，選用標(biāo)準(zhǔn)器“氫冷發(fā)電機(jī)安全檢修測(cè)試儀”進(jìn)行比對(duì)，它能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)氫氣含量。將標(biāo)準(zhǔn)器“氫冷發(fā)電機(jī)安全檢修測(cè)試儀”串接在研制的內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置之后，使內(nèi)冷水箱的氣體先后流經(jīng)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置和標(biāo)準(zhǔn)器。在對(duì)比測(cè)試前，首先開啟“氫冷發(fā)電機(jī)安全檢修測(cè)試儀”自帶的勻速抽氣泵，每5 s記錄1次2種測(cè)量方式測(cè)得的數(shù)據(jù)，直至兩者數(shù)據(jù)穩(wěn)定。由于標(biāo)準(zhǔn)器“氫冷發(fā)電機(jī)安全檢修測(cè)試儀”連接在內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置之后，故在短時(shí)間尺度內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得的瞬時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)滯后于在線檢測(cè)裝置測(cè)得的瞬時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)。每次對(duì)比測(cè)試約2 min后兩者數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，5次對(duì)比測(cè)試后進(jìn)行計(jì)算分析，標(biāo)準(zhǔn)器“氫冷發(fā)電機(jī)安全檢修測(cè)試儀”測(cè)得的平均氫氣體積分?jǐn)?shù)為8.69%，內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置測(cè)得的平均氫氣體積分?jǐn)?shù)為8.43%，誤差-3.0%，說明在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)氫氣體積分?jǐn)?shù)偏差較小。

通過2種測(cè)量方法測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比得出：本文檢測(cè)裝置所測(cè)量的氫氣體積分?jǐn)?shù)，能夠滿足內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)的要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)國家能源局2014(161)號(hào)文件，應(yīng)定量地開展水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)，這對(duì)保證發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。針對(duì)目前水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置存在的問題，研發(fā)了新型在線檢測(cè)裝置，并探討了其檢測(cè)方法，首先選擇內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量在線檢測(cè)裝置的傳感器，在線熱導(dǎo)原理式傳感器的量程為0～20%，能夠滿足國家能源局2014(161)號(hào)文件要求。管路中的氣體可以正常流動(dòng)，氫氣不會(huì)產(chǎn)生聚集的問題。在氫氣傳感器之前增加了冷凝器，避免了水蒸汽對(duì)傳感器的干擾，并延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。膜式流量計(jì)靈敏度高，能準(zhǔn)確計(jì)量氣體泄漏量，然后在制造企業(yè)的試驗(yàn)室進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，最后在吉林省內(nèi)2座電廠2臺(tái)350 MW汽輪發(fā)電機(jī)安裝了該在線檢測(cè)裝置，并通過現(xiàn)場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)，說明在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)氫氣體積分?jǐn)?shù)偏差較小。由此證明了本文的檢測(cè)方法的有效性，檢測(cè)方法切實(shí)可行，檢測(cè)精度能夠滿足內(nèi)冷水系統(tǒng)漏氫量檢測(cè)的要求，