發(fā)電機第三代吸附式氫氣除濕裝置的應用

吳福雨

(鶴壁同力發(fā)電有限責任公司，河南 鶴壁 458000)

0 引言

氫氣因具有熱容量大、密度小、磨擦損耗小等優(yōu)點，被廣泛用作發(fā)電機的冷卻介質(zhì)。目前，燃煤電廠發(fā)電機組單機容量不斷擴大，運行氫壓也隨之提高，對氫氣質(zhì)量特別是氫氣濕度(即露點溫度)提出了更嚴格的要求。大量研究結(jié)果和事故案例表明，發(fā)電機內(nèi)氫氣濕度高，不僅會引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子繞組絕緣性能下降，誘發(fā)相間短路；還會導致轉(zhuǎn)子護環(huán)上產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，造成護環(huán)過早損壞，影響發(fā)電機的效率和安全運行。

1 設(shè)備狀況

某電廠2臺發(fā)電機由東方電機廠生產(chǎn)，型號為QFSN—300—2—20B，冷卻方式為水—氫—氫，即發(fā)電機定子線圈及引線、出線水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯及端部氫冷。發(fā)電機配套用氫氣除濕裝置為壓縮機冷凝式，型號QLG-IIIB，工作壓力不大于0.8 MPa，氫氣流量120 Nm3/h，出口氫氣含濕量1 g/m3。每臺發(fā)電機配置2套氫氣除濕裝置，分別對應于發(fā)電機的汽機端和勵磁端，2套設(shè)備安裝在汽機房6.3 m運轉(zhuǎn)層發(fā)電機下方，同時投入，連續(xù)工作。1，2號機組發(fā)電機氫氣除濕裝置分別于2005年7月和9月正式投運。

2 設(shè)備存在的問題及危害

已有氫氣除濕裝置采用空壓機冷凝式，冷卻介質(zhì)為氟利昂。該設(shè)備的工作原理為：利用壓縮機壓縮氟利昂，高壓吸收熱量對氫氣進行冷卻，讓其溫度降到規(guī)定的露點以下，使其中的水蒸氣以結(jié)露或結(jié)霜的方式分離出來，從而達到降低氫氣濕度的目的。由于氟利昂的滲透性特別強，加之設(shè)備已工作10年以上，出現(xiàn)老化磨損，常因氟利昂泄漏和設(shè)備故障而達不到預期除濕效果。設(shè)備在安全性、穩(wěn)定性和可靠性上的欠缺，導致發(fā)電機氫氣濕度參數(shù)嚴重超標(露點經(jīng)常在0 ℃以上，夏季更高)，發(fā)電機運行中存在重大安全隱患，因此需對該氫氣除濕裝置進行技改換型。

3 設(shè)備改造方案

通過對其他電廠和市場上現(xiàn)有氫氣除濕裝置的調(diào)研，根據(jù)多年設(shè)備改造工作實踐經(jīng)驗，選用1臺第三代除濕裝置裝設(shè)于發(fā)電機汽機端，能同時替代原勵磁端、汽機端除濕機的作用(汽機端氫氣濕度大，裝在該端除濕效果更好)。此設(shè)備改造的具體方案如下。

(1) 將原有2臺氫氣除濕裝置全部拆除，改為配置1臺第三代吸附式氫氣除濕裝置(QXG-III型，工作壓力不大于1.0 MPa，吸濕流量100 Nm3/h，出口氫氣露點：-10 ℃—-60 ℃可調(diào)節(jié))，安裝于發(fā)電機的汽機端。

(2) 原勵磁端除濕裝置氫氣進、出口端的管道采用連接管連通。

(3) 新設(shè)備與現(xiàn)有氫系統(tǒng)管路正確連接，氫系統(tǒng)其他配置保持不變。

改造時間定于機組停運后大修期間。

4 第三代吸附式氫氣除濕裝置機械系統(tǒng)

4.1 裝置機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

第三代吸附式氫氣除濕裝置機械系統(tǒng)主要由2臺干燥塔(吸收塔)、1臺前置旋風分離除油過濾器、1臺冷凝器、1臺氣水分離器、1臺后置過濾器和2個聯(lián)動的氣動四通閥組成。裝置正常運行時，2臺干燥塔同時工作，1臺吸濕、1臺再生，定時交替，循環(huán)作業(yè)。

(1) 吸濕過程。來自發(fā)電機內(nèi)部的潮濕氫氣，先經(jīng)過除濕裝置氫氣入口進入旋風分離除油過濾器，將夾帶在氫氣中的霧化油分離、過濾和清除。之后，干凈的氫氣進入干燥塔，氫氣中的水分在經(jīng)過塔內(nèi)時被干燥劑吸附層吸收。最后，含水量極低的氫氣經(jīng)后置過濾器到達裝置出口，再經(jīng)發(fā)電機氫氣入口回到發(fā)電機內(nèi)部。

(2) 再生過程。利用埋入在干燥劑吸附層的電加熱器，加熱已經(jīng)吸濕飽和的干燥劑，使其中的水重新汽化成水蒸氣。同時，一小部分氫氣經(jīng)干燥塔內(nèi)置循環(huán)風機增速流過干燥劑吸附層，將釋放出的水蒸氣帶入冷凝器，與冷卻水進行熱交換。水蒸氣凝結(jié)成水后，再通過氣水分離器及自動排水閥排到裝置外部，而氫氣回到正在再生的這臺干燥塔內(nèi)并形成再生循環(huán)。

4.2 裝置機械系統(tǒng)優(yōu)點

與前幾代設(shè)備相比，第三代吸附式氫氣除濕裝置機械部分設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)越。

(1) 采用雙干燥塔型式、全封閉系統(tǒng)設(shè)計，使裝置能夠持續(xù)除濕、高效工作，且無氣體消耗。除油、過濾、除濕一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保油污及灰塵不會進入吸濕干燥塔內(nèi)部，不懼怕發(fā)電機密封油滲漏，延長干燥劑使用壽命，保證干燥劑粉塵不會流出而污染發(fā)電機。整機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，便于運輸、安裝和檢修。

(2) 干燥塔內(nèi)置漩渦式自循環(huán)風機，采用鋁合金輕便式結(jié)構(gòu)，體積小、拆裝方便、檢修簡單。啟動后風壓高、風量穩(wěn)定，全速運轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生大約1 000 mm高水柱的氫氣壓力差和約140 Nm3/h的氫氣流量，既可增大被處理系統(tǒng)中氣體流量，又可在發(fā)電機停止運行而需要繼續(xù)干燥氫氣時提供充足的循環(huán)流量，以保持發(fā)電機內(nèi)氫氣濕度達標。

(3) 裝置有干燥劑放出口和加入口，不需拆卸其他部件即可更換干燥劑，維護保養(yǎng)方便，設(shè)計人性化。吸濕干燥劑(活性氧化鋁)的使用壽命長(4年以上)，為固態(tài)、多孔狀高疏松度顆粒；有很大的比表面積，常溫下極易吸收水分，高溫下又能將吸收的水分釋放，恢復吸濕能力，從而再生。重復再生的活性氧化鋁，其除濕性能和除濕效率仍然很高。

(4) 裝置的2臺干燥塔吸濕和再生定時轉(zhuǎn)換、循環(huán)工作。封閉在再生系統(tǒng)內(nèi)的氫氣由吸收塔內(nèi)置風機推動和四通閥導向，始終流過工作在再生狀態(tài)的吸收塔；被干燥的氫氣則由四通閥導向，始終流過處于吸濕狀態(tài)的吸收塔，實現(xiàn)對來自發(fā)電機的氫氣不間斷除濕，除濕效率高。

(5) 裝置還配有1套CO2置換系統(tǒng)，用于除濕裝置等氫系統(tǒng)設(shè)備檢修前的排氫和檢修后的充氫。

5 第三代吸附式氫氣除濕裝置電控系統(tǒng)

5.1 裝置電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第三代吸附式氫氣除濕裝置是一套全自動、機電一體化、柜式集裝型產(chǎn)品。其電氣控制主要由可編程邏輯控制系統(tǒng)(programmable logic controller，PLC)、觸摸式顯示屏系統(tǒng)、氫氣濕度測量系統(tǒng)、加熱再生溫度測量控制系統(tǒng)、故障報警顯示系統(tǒng)等組成。

5.2 裝置電氣控制系統(tǒng)優(yōu)點

與前兩代裝置相比，第三代吸附式氫氣裝置電氣元器件更加先進，控制回路功能設(shè)計更加齊全、完善，自動功能更加強大，操作使用更加簡單，故障率更低。

(1) 裝置電氣控制使用新型防爆開關(guān)、防爆電磁閥及全固態(tài)電氣元器件，不產(chǎn)生火花，安全可靠。電氣回路配置了防爆電源開關(guān)、觸點封閉式繼電器、熔斷器、“運行/停止”主令開關(guān)、電源變壓器、就地指示燈、濕度測量元件及變送器等功能不同的電氣元件，裝置電氣控制系統(tǒng)工作可靠性很高。

(2) 裝置采用最新自動控制技術(shù)。智能化控制程序，功能完備、性能可靠，能對裝置工作過程及故障情況進行準確控制和判斷，自動優(yōu)化運行方式，最大限度提高裝置除濕效率，且沒有誤操作的可能。高分辨率彩色液晶屏觸摸式“人機界面”(高端一體化工控機界面)，配合功能強大、性能卓越的操作監(jiān)控軟件，通過與PLC系統(tǒng)通信，可實現(xiàn)裝置運行參數(shù)在線顯示、工作模式和參數(shù)在線設(shè)置、工作狀態(tài)動畫模擬顯示、故障報警實時顯示、歷史查詢和操作幫助在線提示、設(shè)備手動操作和測試運行等系列功能。

(3) 裝置的干燥劑再生加熱溫度、前后過濾器液位、氣水分離器液位、冷凝器溫度、2個聯(lián)動的氣動四通閥位置、自循環(huán)風機啟停、2臺干燥塔的定時工作轉(zhuǎn)換等都采用PLC邏輯程序自動控制。整個工作過程中，PLC執(zhí)行邏輯控制程序并與工控機通信，使設(shè)備完全處于自動化連續(xù)運行狀態(tài)，無需人員值守和調(diào)節(jié)，裝置自動化程度大幅度提升。

6 設(shè)備改造實施措施

6.1 裝置安裝技術(shù)措施

新裝置布置在原汽機端氫氣除濕裝置位置，機柜落地安裝，其上方留有0.8 m的空間，便于后期設(shè)備維修(加熱器更換等)。電源使用原汽機端氫氣除濕裝置電源間隔，電源電纜新敷設(shè)。氫氣系統(tǒng)主管路改接用的管道、閥門統(tǒng)一采用不銹鋼材料。裝置氫系統(tǒng)管路、冷卻水管路、壓縮空氣管路在改接和新安裝時，都應無“U”形彎；管道的選擇路徑不得妨礙現(xiàn)場設(shè)備巡視和檢修。

氫氣除濕裝置進、出氫氣管路具體改接方法：原汽機端除濕機的進、出氫管道改接至新除濕機的氫氣進、出口端；原勵磁端除濕機氫氣進、出口端的管道采用連通管連通(連通管內(nèi)徑5 mm，為氫系統(tǒng)主管道通徑的10 %)。連通后，可使勵磁端的氫氣具備發(fā)電機體外循環(huán)條件，勵磁端原有氫氣循環(huán)風機和濕度檢測儀仍能起到相應作用，發(fā)電機勵端氫氣濕度得以繼續(xù)檢測。

裝置冷凝器外用冷卻水，取自就近汽機開式冷卻水系統(tǒng)母管，進、出水管路上分別裝設(shè)控制閥門和壓力表?？紤]到開式冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)相對較差，在冷卻水進水管路上加裝濾網(wǎng)。裝置驅(qū)動及控制用壓縮空氣由外部接入，氣源取自就近汽機儀表用壓縮空氣系統(tǒng)，管路裝配控制閥門和壓力表。

6.2 裝置調(diào)試技術(shù)措施

氫系統(tǒng)管路、閥門及氫氣除濕裝置安裝完畢投運前，進行氫系統(tǒng)氣密性試驗，所有管路和閥門的焊縫、連接面應無泄漏。裝置本體采用外用壓縮空氣，進行氣密保壓試驗。試驗壓力0.5 MPa，時間不小于3天，用2只干燥塔上的2塊壓力表觀察氣密保壓情況(裝置運行氫壓0.3—0.35 MPa)。裝置的上電調(diào)試嚴格執(zhí)行設(shè)備使用說明書中的操作步驟，調(diào)試時需要注意以下幾點：

(1) 裝置最初啟動前或每次排氫減壓后、投運前，都必須使用CO2排除系統(tǒng)中的氫氣，避免氫氣、空氣直接接觸混合后爆炸，引起事故；

(2) 裝置未凈化前不能通電，若裝置凈化不徹底或失敗，不能操作設(shè)備按鈕或開關(guān)，只能在遠處安全位置將電源切斷，防止設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生電火花；

(3) 在裝置“測試運行”狀態(tài)下設(shè)備不能較長時間通電運行，防止裝置內(nèi)部過熱，發(fā)生意外。

6.3 裝置改造安全措施

氫氣屬易燃物質(zhì)，與空氣混合后又可能爆炸。因此，設(shè)備改造施工期間，務必做好裝置的氫氣源及電源隔離、現(xiàn)場消防滅火、人員及設(shè)備防護等系列安全措施，避免火災和人身傷害事故的發(fā)生。

7 裝置的運行維護及注意事項

為保證新裝置的高效穩(wěn)定運行，應按每日、每月、每季、每年、每4年檢查(檢修)規(guī)定的項目，做好定期維護保養(yǎng)工作。

(1) 每日檢查1次裝置電氣控制箱和人機界面上的各種顯示參數(shù)；若有故障報警，及時關(guān)閉裝置電源總開關(guān)并進行檢修。

(2) 每月檢查1次裝置氫氣泄漏情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。檢查氣水分離器，放出內(nèi)部積水。檢查油氣分離過濾器中的油位，達到浮子高度時將油排出；放油時應視分離器內(nèi)的液面高度排油，注意不要將氫氣排出。

(3) 每季度清洗1次氣水分離器自動排水閥，清洗閥門時，應將其前端的隔離閥關(guān)閉。檢查裝置冷卻水，水源應清潔干凈，水中不含有酸性、堿性腐蝕物質(zhì)，以及易堵塞冷凝器內(nèi)部水道的雜物或可沉淀溶解物。由于裝置冷卻水溫度越低，使用效果越佳，若冷卻水溫度升高，則應加大流量作為補償。

(4) 每年清洗1次冷凝器傳熱管，更換冷卻水管路過濾網(wǎng)。檢查裝置電氣控制系統(tǒng)、電氣元件及接線，拆除裝置內(nèi)部電磁閥、氫氣濕度傳感器、鉑熱電阻、壓力表、溫度表等熱工元件，送至專業(yè)部門校驗，確保其準確可靠，必要時更換。

(5) 每4年對裝置進行1次全面大修和保養(yǎng)，更換吸收塔內(nèi)干燥劑和氫氣自循環(huán)風機，消除設(shè)備缺陷。

8 設(shè)備改造效果

1，2號發(fā)電機氫氣除濕裝置，自2016年8月改造完畢投入使用以來，一直工作正常，運行良好，發(fā)電機氫氣露點由0 ℃以上降為-18 ℃以下。跟蹤檢查結(jié)果表明，第三代吸附式氫氣裝置具有吸附容量大、除濕能力強、工作性能可靠、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，能保持發(fā)電機在運行中和停機期間氫氣濕度指標長期合格。另外，該裝置自動化程度高、故障率低、工作穩(wěn)定，在降低運維人員工作量的同時，還節(jié)省了設(shè)備維護費用，具有一定的經(jīng)濟效益。

第三代吸附式氫氣除濕裝置除濕效果顯著，成功地解決了一直困擾該廠發(fā)電機氫氣濕度超標的難題，消除了發(fā)電機安全隱患，保證了機組長期可靠穩(wěn)定運行。