三河電廠二期發(fā)電機氫氣干燥器缺點及安全隱患排查治理

王占彬

（三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 三河 065201）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求增加。由于發(fā)電機的運行將對整個機組的安全狀況產(chǎn)生直接影響，因此，發(fā)電機可以說是火力發(fā)電廠生產(chǎn)設(shè)備中關(guān)鍵的一個。而對于發(fā)電機運行來說，發(fā)電機容量的提升導(dǎo)致產(chǎn)生的熱能也大幅度增加，可能會導(dǎo)致很多安全性問題。因此，要增加發(fā)電機容量首先要解決發(fā)電機冷卻技術(shù)問題。在對大型汽輪發(fā)電機進行冷卻時，冷卻介質(zhì)普遍選用氫氣。發(fā)電廠多采用的是氫冷發(fā)電機，該設(shè)備利用各種氫氣干燥器達到除濕冷卻的目的。氫氣作為冷卻介質(zhì)也存在很多缺點。除氫爆以外，發(fā)電機氫氣濕度超標(biāo)，也可能造成損失。比如，曾出現(xiàn)過幾十起氫冷發(fā)電機定子端部絕緣擊穿的案例，這就是氫氣濕度超標(biāo)使得發(fā)電機絕緣水平下降導(dǎo)致的。同時氫氣濕度超標(biāo)還有可能使得轉(zhuǎn)子護環(huán)及其附屬部件的腐蝕加快，這樣的案例也有多起，表現(xiàn)為機組護環(huán)受到應(yīng)力侵蝕而腐壞。另外，如果氫氣濕度超標(biāo)，那么發(fā)電機內(nèi)氣體的比重增大，將使發(fā)電機通風(fēng)損耗增大，考慮極限值，全國將多耗幾十萬甚至幾百萬千瓦時的電能，這是很大的資源浪費。因此，有必要嚴(yán)格降低氫氣含水量，以確保發(fā)電機運行的安全性和經(jīng)濟性。近年來，不少制造廠家、發(fā)電廠和相關(guān)研究人士都致力于這方面的研究和治理。

1 概述

發(fā)電機干燥器是用于電站發(fā)電機組的除濕設(shè)備，其功能實質(zhì)上是專門用來除去氫冷發(fā)電機內(nèi)部氫氣中的水蒸氣，干燥氫氣進而冷卻產(chǎn)生大量熱量的發(fā)電機，保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

氫氣干燥器按照除濕方法不同可以分為兩類，一是冷凝式干燥器，二是吸附式干燥器。冷凝式干燥器又可以分為兩類，一類使用半導(dǎo)體制冷，通常稱作電子制冷式氫氣除濕器，第二類使用機械設(shè)備制冷，通常稱作冷凝式除濕器。它們二者的共同點是通過冷卻的方式將氫氣中所含的水化作霜或露的狀態(tài)，然后再把霜或露形態(tài)的水排去，使氫氣中的含水量降低。吸附式干燥器不同之處在于，其內(nèi)部裝有具有極強吸水能力的干燥劑，利用干燥劑實現(xiàn)除濕的效果。

三河發(fā)電廠二期工程安裝有2臺300MW發(fā)電機組，發(fā)電機由東方電機股份有限公司制造，型號為QFSN-300-2-20B，采用水-氫-氫冷卻方式，即定子水冷，轉(zhuǎn)子與定子鐵心氫內(nèi)冷。三河發(fā)電廠二期工程兩臺機組供氫都是由北京京輝氣體有限公司所供純氫氫氣瓶來完成。發(fā)電機內(nèi)部氫氣除濕是由牡丹江市北方電站設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XFG-1F型吸附式氫氣干燥器（內(nèi)部裝有AL2O3）24小時不停工作來完成。

2 二期發(fā)電機氫氣干燥器工作原理

XFG-1F型吸附式氫氣干燥器，是一種以活性氧化鋁為干燥劑的連續(xù)運行雙塔式自動再生氫氣干燥裝置，利用活性氧化鋁的性能特點去除氫氣中的水分，一個干燥塔吸濕，另一個塔再生，循環(huán)交替，從而實現(xiàn)氫氣的連續(xù)干燥。干燥塔內(nèi)部的電加熱器加熱，將水分蒸發(fā)為氣體，再通過底部的風(fēng)扇產(chǎn)生動力，驅(qū)動蒸汽運動到冷卻器，蒸汽又被冷卻為液態(tài)，然后從疏水閥流出。整個工作流程在PLC的檢測下進行，并且在一個周期結(jié)束后，由PLC控制實現(xiàn)兩個干燥塔工作狀態(tài)的切換。

XFG-1F型氫氣干燥器實現(xiàn)氫氣干燥功能主要依靠活性氧化鋁?；钚匝趸X常溫狀態(tài)下為固體，當(dāng)塔內(nèi)放滿活性氧化鋁時，由于其高疏松度和高吸附性，氫氣在干燥塔內(nèi)循環(huán)運動，氫氣中所含的水分將被活性氧化鋁吸附，從而達到除濕的效果。吸收水分以后，可利用干燥器底部的電加熱器將活性氧化鋁進行加熱處理，使水分蒸發(fā)，從而重新獲得吸附能力，而產(chǎn)生的水蒸氣通過氫氣帶到冷卻管冷卻排出。通過這種手段，可以實現(xiàn)活性氧化鋁的重復(fù)使用，而且在加熱處理的過程中，活性氧化鋁的除濕力不會發(fā)生損耗，從這一方面來說具有很大的優(yōu)越性。除了很強的吸收能力以外，活性氧化鋁不具毒性，且活躍度低，不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，狀態(tài)較為穩(wěn)定，因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用活性氧化鋁作為干燥劑，相對安全穩(wěn)定。

3 二期發(fā)電機除濕控制系統(tǒng)的缺點

三河電廠二期發(fā)電機目前使用的是比較老型的XFG-1F型發(fā)電機吸附式氫氣干燥器，導(dǎo)致系統(tǒng)在電氣控制方面存在以下主要缺點。

（1）采用交流接觸器控制運轉(zhuǎn)回路，動作時會產(chǎn)生電火花，如果存在氫氣泄漏時，會引燃?xì)錃?，產(chǎn)生事故。同時，交流接觸器線圈通、斷電時會產(chǎn)生浪涌電流，容易造成PLC輸出接點的損壞。

（2）控制電路和PLC軟件功能比較落后，在正常情況下，能控制設(shè)備自動運行，但在非正常情況下則存在一些問題。

①設(shè)備在運行中突然斷電短時間又復(fù)電后，運行狀態(tài)復(fù)位到初始運行狀態(tài)，由于控制開關(guān)處于“運行”位置，因此會重新運行，如果斷電前運行在相反的工作狀態(tài)，如A塔加熱再生，B塔吸濕運行，復(fù)電后工作狀態(tài)復(fù)位到初始運行狀態(tài)的A塔吸濕運行，B塔加熱再生，從而將內(nèi)部高溫再生中的塔置于吸濕回路中，使高溫、高濕的水汽直接進入發(fā)電機，對發(fā)電機造成危害。

②在再生循環(huán)風(fēng)機故障或冷卻水不流通時，高溫再生的塔在定時冷卻時間內(nèi)不能被冷卻下來，內(nèi)部仍然是高溫，再生放出的水汽也無法排出，設(shè)備仍然會按照預(yù)定的程序定時切換工作狀態(tài)，從而使再高溫、高濕的水汽直接進入發(fā)電機，對發(fā)電機造成危害。這種危害由于設(shè)備不報警，通常不能被立即發(fā)現(xiàn)，可能對發(fā)電機造成持續(xù)的危害，甚至影響發(fā)電機的安全運行，安全隱患很大（2009年4月，三河電廠曾出現(xiàn)過再生氣流控制閥人為誤關(guān)，造成干燥劑再生時產(chǎn)生的水汽頻繁打入發(fā)電機內(nèi)部）。

③由于采用兩塊溫度調(diào)節(jié)儀表分別顯示和控制兩個塔的加熱溫度，溫度調(diào)節(jié)儀表設(shè)置不當(dāng)或發(fā)生損壞時，內(nèi)置加熱器會失控，不斷電一直加熱，不可靠，不安全。

④由于每個溫度調(diào)節(jié)儀表僅有2個輸出接點，一個接點用于控制加熱溫度，另一個接點用于高溫報警，因此，不能測量再生塔再生冷卻時溫度是否冷卻下來。不能正常冷卻時，造成高溫、高濕的水汽直接進入發(fā)電機，對發(fā)電機造成危害的情況。

⑤內(nèi)置風(fēng)機常轉(zhuǎn)（設(shè)備通電后一直運轉(zhuǎn)），不會在不需要的時候自動停止，造成風(fēng)機使用壽命低，損壞率高。

⑥運行中需要重新操作啟動時，同樣可能會自動將高溫塔置于吸濕回路運行，造成高溫高濕的氫氣直接流回發(fā)電機，對發(fā)電機不良影響較大。

⑦內(nèi)置風(fēng)機或加熱器斷路時不能報警，往往發(fā)現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)氫氣濕度明顯上升后才知發(fā)生故障等。

⑧無法自動控制發(fā)電機內(nèi)部露點溫度，容易出現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部露點溫度過低，損壞絕緣的現(xiàn)象。目前，運行人員仍手動控制發(fā)電機內(nèi)部露點溫度。

（3）自動排水器在使用一段時間后就可能發(fā)生堵塞，且堵塞滯后無法直觀發(fā)現(xiàn)。電廠基建投產(chǎn)初期，就出現(xiàn)過自動排水器堵塞，造成內(nèi)部風(fēng)機整體被淹現(xiàn)象。

（4）人機界面為文本式，程序過于簡單，功能有限，不能人機交互，工作人員無法從界面觀察到設(shè)備運行狀態(tài)，即使在設(shè)備發(fā)生故障時，工作人員也無法獲得警報，操作和參數(shù)設(shè)置都需經(jīng)過認(rèn)真學(xué)習(xí)后才能操作。

4 故障原因、安全隱患排查分析

4.1 露點溫度超標(biāo)原因排查

針對廠內(nèi)發(fā)電機氫氣偶爾出現(xiàn)露點溫度超標(biāo)的情況，對可能的原因進行排查分析。

（1）潤滑油系統(tǒng)的影響

三河電廠發(fā)電機使用的是吸附式氫氣干燥器，配備了密封油系統(tǒng)以防止氫氣外泄。但是，密封油不能保證完全密封，或者密封油本身所帶的水分可能會流入發(fā)電機，加大氫氣含水量。于是針對密封油系統(tǒng)進行檢測，結(jié)果顯示到氫氣干燥器24小時連續(xù)高效運轉(zhuǎn)，且發(fā)電機膛內(nèi)露點溫度一直低于-2.5℃。因此，基本可以排除潤滑油系統(tǒng)的影響。

（2）氫氣來源的影響

二期發(fā)電機所用氫氣來自北京京輝氣體有限公司提供的99.9%純氫氫瓶，其露點溫度為-45℃。氫氣進入發(fā)電機前首先要經(jīng)過前置過濾器和后置過濾器，濾除氫氣內(nèi)部的水分、油脂、灰塵等雜質(zhì)，因此，氫氣來源不是造成氫氣露點溫度超標(biāo)的主要原因。

（3）氫冷器和定冷水管路的影響

發(fā)電機定子線圈的冷卻是由定子冷卻水來完成。本體內(nèi)部氫氣的冷卻是由4組氫氣冷卻器來完成，其內(nèi)部水壓為0.18MPa～0.2MPa＜0.25MPa。在上述壓力作用下，管道內(nèi)的水分不會滲入發(fā)電機，因此認(rèn)為氫冷器不是加大氫氣含水量的主要原因。

（4）發(fā)電機干燥器的影響

發(fā)電機配有一臺XFG-1F型吸附式氫氣干燥器。干燥器通過雙塔交替工作實現(xiàn)24h連續(xù)干燥。當(dāng)一個干燥塔對發(fā)電機氫氣進行除濕時，另一個干燥塔內(nèi)干燥劑在進行再生工作。針對發(fā)電機干燥器進行調(diào)查，從電廠機組人員記錄的各裝置部位溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雙塔工作狀態(tài)進行置換時，氫氣干燥器出口氫氣露點溫度瞬間升高，其值遠遠高于發(fā)電機內(nèi)部露點溫度。因此，認(rèn)為發(fā)電機干燥器的故障造成了發(fā)電機膛內(nèi)露點溫度超標(biāo)。

排查得知氫氣露點溫度超標(biāo)不符合電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是由于發(fā)電機氫氣干燥器無法正常工作，這無疑會給發(fā)電機的運行甚至電廠的運行帶來很大的隱患。

4.2 其他潛在安全隱患分析

由于二期發(fā)電機原有設(shè)計理念陳舊，現(xiàn)已無法滿足發(fā)電機整體安全運行穩(wěn)定性，除了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題外，還能存在一些潛在隱患，如氫爆等。下面對發(fā)電機未暴露的潛在隱患進行具體分析，從而使優(yōu)化更全面、系統(tǒng)。

（1）氫爆隱患。XFG-1F型氫氣干燥器控制箱與兩個塔連接線路之間有保護管。當(dāng)氫氣干燥器塔內(nèi)接線柱密封老化損壞后，塔內(nèi)氫氣將通過保護管直接進入到控制箱內(nèi)部，造成控制箱內(nèi)部氫氣純度波動。當(dāng)控制箱內(nèi)氫氣波動至4%及以上，而此時，如果控制箱內(nèi)部加熱器切換（再生塔加熱器的投停使用的是普通接觸器控制），將使接觸器觸點部位產(chǎn)生電火花，引起氫爆。

（2）發(fā)電機絕緣開裂隱患。由于氫氣干燥器運行方式單一，并未與發(fā)電機內(nèi)部露點值形成閉環(huán)控制，常將發(fā)電機內(nèi)部氫氣濕度數(shù)值降至規(guī)定范圍（-14℃）以內(nèi)，這嚴(yán)重影響發(fā)電機內(nèi)部定子繞組絕緣運行工況，長期這樣運行易導(dǎo)致發(fā)電機絕緣開裂損壞。XFG-1F氫氣干燥器從投產(chǎn)到升級改造前，由于其除濕效果很好（只能單純地進行除濕，其濕度超過下限的情況下（-14℃）時，只能進行人為手工停運。發(fā)電機內(nèi)部絕緣在超標(biāo)的情況下運行。（一般每隔七天都要進行停運操作，有時運行人員忘記關(guān)注也可能造成超過七天以上都在超標(biāo)的時候運行）。

分析上述絕緣出現(xiàn)裂紋的原因是氫氣露點溫度過低引起的，時長超過-14℃運行，且運行時間較長，一般1～3天才發(fā)現(xiàn)，并人為手動停止運行。

（3）塔內(nèi)積水損壞電機隱患。氫氣干燥器整體管路采用純金屬設(shè)計，其正常運行中無法正常觀察到內(nèi)部有無積水現(xiàn)象。當(dāng)自動排水器在使用一段時間后，可能發(fā)生堵塞現(xiàn)象，造成塔內(nèi)積水。水位達到一定高度后，將會造成塔內(nèi)風(fēng)機電機進水損壞。

（4）工作人員操作不當(dāng)，易造成高濕氣體進入發(fā)電機內(nèi)部造成損害。氫氣干燥器在運行中突然斷電短時間又復(fù)電后，運行狀態(tài)復(fù)位到初始運行狀態(tài)，由于控制開關(guān)處于“運行”位置，因此會重新運行。如果斷電前運行在相反的工作狀態(tài)，A塔加熱再生，B塔吸濕運行，復(fù)電后工作狀態(tài)復(fù)位到初始運行狀態(tài)的A塔吸濕運行，B塔加熱再生，從而將內(nèi)部高溫再生中的塔置于吸濕回路中，使高溫、高濕的水汽直接進入發(fā)電機，對發(fā)電機造成危害。

5 治理方案

（1）為避免發(fā)電機干燥器運行過程中，氫氣進入到控制箱內(nèi)部，現(xiàn)將控制箱進行整體微正壓封閉，并采用新型固體繼電器開關(guān)替換原有接觸器，實現(xiàn)無觸點化控制，從根源上避免“氫爆”現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）采用西門子SIMATIC S7-CPU224型PLC和溫度模擬量輸入模塊，將發(fā)電機露點溫度信號直接引入PLC進行全程監(jiān)控，通過閉環(huán)控制更加準(zhǔn)確地將發(fā)電機露點控制在規(guī)定范圍內(nèi)（-2.5～-14℃），減少人員的干預(yù)，提高氫氣系統(tǒng)整體可靠性。

（3）在發(fā)電機干燥器底部安裝水位在線監(jiān)測裝置。當(dāng)自動排水器發(fā)生堵塞，積水進入到在線監(jiān)測裝置后，監(jiān)測器將會發(fā)出報警并停運發(fā)電機干燥器。

（4）采用最新的功能完善的控制程序，該控制程序集多年運行經(jīng)驗和細(xì)節(jié)控制的改進，無論如何操作和頻繁斷電，設(shè)備都能對所有的運行情況和故障情況進行準(zhǔn)確的判斷和控制，配合人機界面進行顯示和控制。

（5）采用高分辨率全彩色7英寸大屏幕觸控式“人機界面”，配合功能完備的操作軟件，可以直觀反映設(shè)備運行狀況，并在異常情況下發(fā)出警報，簡單操作后便能夠?qū)錃夂靠刂圃谧顑?yōu)范圍。

6 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

針對現(xiàn)有隱患進行有效治理的同時，對發(fā)電機干燥器控制箱內(nèi)部程序進行優(yōu)化，以實現(xiàn)不錯的節(jié)能效果。

（1）調(diào)整塔內(nèi)再生加熱器溫度，既達到正常保持發(fā)電機內(nèi)部濕度，又減少加熱器投運時間。經(jīng)多方試驗證明，活性氧化鋁在180℃可完全再生。目前XFG-1F型控制箱將加熱溫度設(shè)定在200℃。按照再生塔三秒鐘升高0.1℃測算，可減少加熱器投入時間為10分鐘，每個再生過程中（再生過程為8小時），可節(jié)約1.064kW×0.1667h=0.177度電。每年可節(jié)約0.177×365×24/8=194.18度電。比如在天氣干燥的冬季，發(fā)電機內(nèi)部濕度相對平穩(wěn)，可降低活性氧化鋁的再生溫度，達到進一步節(jié)能的目的。

（2）縮短塔內(nèi)風(fēng)機運行時間，節(jié)約電機消耗電能，延長發(fā)電機壽命。干燥器每個塔均安裝有一臺風(fēng)機，現(xiàn)有風(fēng)機運行方式為24小時運轉(zhuǎn)，進出口壓差1kPa。當(dāng)干燥器的一個塔處于除濕狀態(tài)時，該塔進出口壓差10kPa遠大于風(fēng)機本身產(chǎn)生的進出口壓差1kPa。由此推斷，在該塔處于干燥器時，可以停運該電機運行。按照每天單側(cè)塔風(fēng)機運行測算，可節(jié)約0.5kW×24=12度電，每年可節(jié)約365×12=4380度電。同時延長了塔內(nèi)風(fēng)機壽命1倍。

7 運行效果

由下圖1可以看出，氫氣干燥器改造完成后，發(fā)電機膛內(nèi)露點溫度值運行穩(wěn)定，能夠自動控制干燥器啟停，有效保障發(fā)電機氫氣系統(tǒng)運行可靠性，氫氣干燥器隱患排查處理優(yōu)化的效果是有效良好的。

圖1 發(fā)電機膛內(nèi)氫氣露點曲線

處于秋冬交接季節(jié)時，空氣濕度低，干燥器在自動控制狀態(tài)（目前露點溫度控制在-12℃停運，-6℃啟動；加熱器最高溫度限制在160℃）下，月干燥器正常除濕工作約3天，其月節(jié)約電量較改造前可節(jié)約：27（每月運轉(zhuǎn)天數(shù)）×24（電機運轉(zhuǎn)小時數(shù)）×0.5kW（電機功率）+27（每月運轉(zhuǎn)天數(shù)）×12（加熱器投運小時數(shù)）×1.064kW（加熱器功率）=668.736kW×h。

改進前，發(fā)電機干燥器內(nèi)部風(fēng)機電機處于常轉(zhuǎn)狀態(tài)，使用壽命一般為1.5年。而更換一臺電機費用在逐年升高，目前，一臺電機的價格大概在2萬元。現(xiàn)在改進之后，電機的使用壽命可達到5年。

8 結(jié)論

發(fā)電機內(nèi)部氫氣露點溫度的大小直接影響到氫冷發(fā)電機的安全運行，甚至還會損壞發(fā)電機內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)。因此在機組的正常運行過程中，將干燥器運行狀態(tài)由人為干預(yù)更改為自動閉環(huán)控制，避免了發(fā)電機內(nèi)部氫氣露點溫度失控，使發(fā)電機的安全運行得到保證。同時，通過氫氣干燥器控制箱改造，消除了設(shè)備運行中的隱患，減少了工作人員工作量；優(yōu)化了運行方式，達到了節(jié)能的效果。

9 鞏固措施

發(fā)電機內(nèi)部氫氣露點溫度可能會對氫冷發(fā)電機的安全性產(chǎn)生直接影響，甚至還可能會導(dǎo)致發(fā)電機內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)損壞。因此在機組的正常運行過程中，將干燥器運行狀態(tài)由人為干預(yù)更改為自動閉環(huán)控制，避免了發(fā)電機內(nèi)部氫氣露點溫度失控，使發(fā)電機的安全運行得到保證。同時，通過氫氣干燥器控制箱改造，消除了設(shè)備運行中的隱患，減少了工作人員工作量；優(yōu)化了運行方式，達到了節(jié)能的效果。

氫氣干燥器改造完成后，只對運行和檢修班組人員進行了口頭操作說明，并未進行詳細(xì)說明改造原因、改造部位等情況。下一步，我們將利用現(xiàn)場講解等方式，對改造原因、改造部位進行說明，并細(xì)化定期工作、檢修規(guī)程、故障原因查找分析等編制工作，有效保障氫氣干燥器改造后安全穩(wěn)定運行。