秦山第二核电厂氢气干燥器的运行及故障处理

王瑞军

【摘 要】氢气湿度超标对氢冷发电机组内部部件会产生不良影响，甚至威胁到发电机组的安全可靠运行。调节氢气湿度的主要设备——氢气干燥器的运行状态好坏，直接关系到发电机运行状态的好坏。了解氢气干燥器的运行原理，及时处理氢气干燥器运行中出现的故障，是每一位电厂运行人员的必修功课。

【关键词】发电机冷却方式；氢气湿度；氢气干燥器；故障处理

0 前言

从20世纪30年代末，容量大于50MW的汽轮发电机由空气冷却逐步过渡到了氢气冷却。氢气的比重小，纯氢的密度仅为空气的1/14，导热系数为空气的7倍，在同一温度和流速下，放热系数为空气的1.4～1.5倍。由于密度小，因此，在相同气压下，氢气冷却的通风损耗、风摩耗均为空气的1/10，而且通风噪声亦可减小。氢冷电机的效率提高了，而且温升明显下降。由于电机内氢气必须维持规定纯度，为此必须额外设置一套供氢装置，给设计和安装带来了困难。另外，密封防爆问题始终是氢气冷却发电机安全运行的一个隐患。中和风险与收益，对于大容量汽轮发电机组，氢冷仍然是一个不错的选择。

发电机内氢气湿度增大，纯度就会降低，则发电机通风损耗会急剧上升，从而降低效率，严重影响定子和转子绕组对地绝缘强度，进而加速转子护环的应力腐蚀速度，影响发电机运行安全。所以，对氢气湿度的控制就显得尤为重要。

1 秦山第二核电厂发电机的冷却方式

1.1 发电机的冷却方式

汽轮发电机所采用的冷却方式较为丰富，包括空冷、氢冷、水冷、油冷及蒸发冷，其各有优缺点。选择一种适合的冷却方式是发电机安全经济运行的保障。

1.2 秦山第二核电厂1/2号组发电机的冷却方式

秦山第二核电厂1/2号机组的两台发电机组是由哈尔滨电机有限责任公司制造，型号为：QFSN-650-2。其中：Q表示汽轮机；F表示发电机；S和N表示冷却方式为：水-氢-氢；发电机组的额定容量为722.2MVA，额定功率为650MW，额定功率因数为0.9。

本发电机采用“水-氢-氢”冷却方式，即：定子绕组水内冷，定子铁心及端部结构件氢气表面冷却，转子绕组气隙取氢气内冷的冷却方式。

2 氢气湿度对发电机的影响

2.1 发电机内氢气湿度超标的原因

2.1.1 密封及润滑油系统对氢气湿度的影响

因氢冷发电机在正压下运行，为避免氢气泄漏，配有相应的密封油系统。密封油经过密封油泵送入密封瓦，通过密封油压差阀来调整氢油压力，达到密封发电机内氢气的作用。氢气直接同密封油接触，如果密封油内水分含量超标，将会引起发电机氢气的湿度超标。在秦山第二核电厂，润滑油系统为密封油系统提供补油并作为其紧急备用，由于润滑油系统在润滑汽轮机各轴瓦时受到轴封系统的影响，使润滑油的水分含量增加，从而密封油的水分含量也会增加，进而影响到氢气的湿度。

2.1.2 发电机密封情况对氢气湿度的影响

发电机防止氢气泄漏的方式是用密封油进入密封瓦来达到密封，若密封瓦间隙过大，为避免发电机内氢气向外泄漏，有时将压差阀调整的比正常更负一些，而不考虑密封油可能向发电机内泄漏。一旦密封油流入发电机，同样会在很大程度上影响到氢气的湿度。

2.1.3 设备泄露对氢气湿度的影响

由于发电机内部线棒、水接头、水盒等部位渗水，造成氢气湿度增大。

发电机氢气冷却器泄露引起氢气湿度增大 。由于冷却器铜管破裂或制造存在砂眼，铜管与管板的胀口质量不良，冷却器密封垫不严，将发生冷却水直接与氢气接触，造成氢气湿度增大。

2.1.4 氢气补给对其湿度的影响

秦山第二核电厂使用采购的氢气，其生产厂家采用的是电解水产生的氢气，这样供给发电机的氢源就不可避免地含有一定的水分。因此，补氢或充氢会有一些水分进入发电机。

2.2 氢气湿度过高或过低对发电机的危害

氢气是一种无色、无味、极轻且易燃、易爆的气体。使用氢气作为发电机冷却介质一定要严格控制好氢气的湿度和纯度，否则会给发电机的稳定运行带来巨大的安全隐患。

氢气湿度过高，会使发电机转子护环产生应力腐蚀纹损可使裂纹快速发展，并且会降低定子的电气绝缘强度，易使定子绝缘薄弱处发生表面爬电、闪络、相间短路等，还会使发电机通风损耗增大影响经济性。

若机内产生结露现象，不仅降低了气体的绝缘强度，也使定子绕组端部的绝缘水平进一步降低，成为短路事故发生的诱发因素。

氢气湿度过低，可导致定子端部垫块收缩和支撑环产生裂纹等。

3 秦山第二核电厂氢气干燥器的运行说明

3.1 氢气干燥装置

目前，人们已开发研究出基于吸附干燥和冷凝干燥两种原理，形式多样的氢气干燥器。吸附式干燥器干燥程度深，设备简单，省电节能，适应范围广，但氢气处理量小，需再生，存在吸附剂油雾污染而中毒失效的固有缺点；冷凝式干燥器能持续去湿，无需再生，操作简单并能对被干燥的氢气降温，加强了氢气对电机的冷却作用，但冷凝式氢气干燥器的制冷深度和干燥程度很难满足现行电力标准DL/T 651-1998的要求。现场使用条件下两者各有自已的发展领域和市场潜力。

3.2 秦山第二核电厂的氢气干燥器

秦山第二核电厂现在使用的是牡丹江市联合电力设备有限公司生产的XFG-1F-1型氢气干燥器，每个机组配置两台。XFG-1F型氢气干燥器是清除氢冷发电机氢冷系统氢气中水蒸汽的专用设备，其流程简图如图1。

吸附式氢气干燥器对氢气进行干燥处理的原理是利用活性氧化铝对水分子具有较强吸附力的特性。活性氧化铝是一种固态干燥剂，清除氢冷系统氢气中的水蒸气是将氢气通过一定量的活性氧化铝的吸收塔来实现的。高疏松度的活性氧化铝具有非常大的表面积和强吸湿能力；另外，对绝大数气体和水蒸气来说，使用活性氧化铝作为干燥剂主要是利用它的化学惰性和无毒特性。当活性氧化铝吸收水分达到饱和后，再生-通过加热来清除干燥剂自身束缚的水分，从而恢复它的吸湿能力，并且活性氧化铝的性能和效率并不受重复再生的影响。在设备的干燥塔中，埋入式的高密电加热器加热干燥剂使束缚的水分汽化；与此同时一股封装的氢气流过吸附层带走释放出的水蒸气，干燥剂恢复最初的特性，然后将氢气（含有水蒸气）冷却，冷凝水通过汽水分离器排出，一般情况下活性氧化铝的吸湿性能可通过加热方式来完成它的再生，并可重复进行。

图1 干燥器流程简图

设备设计有两个干燥塔，当一个干燥塔处于吸湿状态时，另外一个处于再生状态。所以吸附式干燥器能连续对氢气干燥。在设定工作周期，可编程序控制器自动的通过气阀控制四通阀门，并把干燥剂饱和的干燥塔自动转换到再生循环状态；同时干燥剂再生完成的干燥塔切换到在线吸湿状态，完全实现设备的自动切换。

3.3 秦山第二核电厂氢气的运行规定及相关限值

秦山第二核电厂主发电机异常运行及事故处理导则中规定：“新鲜的氢气纯度不得低于99.5%，氧气杂质不得高于0.5%，露点温度必须低于-25℃。发电机氢气湿度在额定氢压（0.4±0.02MPa.g）下应该控制在2g/m3以下，超过此值应该投入氢气干燥器，若干燥器已投运则检查干燥器是否运行正常，若干燥器失效则应通过GRV系统的小直径管线进行充排氢操作来降低氢气湿度。为了防止氢气过于干燥导致发电机绝缘材料开裂，应该控制氢气的露点温度在-25℃以上，最低不能低于-35℃，必要时可以通过停运干燥器来达到上述控制值。”我们按照技术导则的要求把发电机的氢气湿度严格控制在0.8～1.6g/m3。

4 氢气干燥器的故障现象分析及处理

秦山第二核电厂1/2机组的氢气干燥器运行过程经常会出现一些问题，其中最让运行人员头疼是除湿效果不理想。我们通常的做法是停运故障设备，切换到另一台运行，然后寻求常规岛专工和维修人员来处理故障设备。如果两台氢气干燥器都有问题，那么在外援未到位的时间段内将有可能置发电机运行在不利的状态。

4.1 氢气干燥器出现液位故障报警

氢气干燥器出现液位故障报警，这个现象误报的可能性不大，基本为活性碳进油，需打开活性碳塔底排油阀（注意开度，防止氢气泄漏）进行排油，以免使油进入氧化铝塔而导致氧化铝中毒。

4.2 氢气干燥器出现开关值报警

氢气干燥器出现开关值报警，这种现象为氢气干燥器四通切换阀切换不到位所致，最大可能为四通阀控制用压空失去所致，应首先确认压空是否正常，其次检查阀门是否有卡涩现象。

4.3 氢气干燥器除湿效果不理想

氢气干燥器流程简图（图1）中：

V1—再生控制阀

V2—排水隔离阀

V3—排水连通阀

4.3.1 检查氢气干燥器的运行温度

检查氢气干燥器三个重要运行温度是否正常：再生塔出口气体温度82℃±11℃；冷却器出口气体温度38℃左右；干燥器塔内温度163℃±28℃。

如果这三个温度不在以上所述范围内，则通过调节再生阀（V1）开度来进行调节，使温度在规定范围。

如果控制阀V1 设定的适当，在大约进入加热步骤2个小时后应该能达到摄氏82℃±11℃的干燥塔出口气体温度。但是：

（1）如果再生气流太低

A.干燥塔出口气体温度相应变低；

B.冷却器出口气体温度正常；

C.干燥塔塔内温度变高。

控制阀V1 应该以1/8转向的增幅来打开阀门，以增加再生气流，再调整之前，应该有15～20分钟的时间稳定温度。

（2）如果再生气流太高

A.干燥塔出口气体温度可能太高，变太低或正常，这要根据再生气流变的有多高；

B.冷却器出口气体温度将变太高；

C.干燥塔内温度变太低。

控制阀V1 应该以1/8转向的减幅来关闭阀门，以减少再生气流，再调整之前应该有15～20分钟的时间稳定温度。

为了最大效率地使用干燥器，应尽可能使再生塔出口温度、冷却器出口气体温度、干燥器塔内温度三项取得平衡。

4.3.2 观察氢气干燥器的疏水器

观察氢气干燥器疏水器是否有水滴出，防止疏水器被氧化铝粉末堵塞。

设备运转头两周应每周清理疏水阀一次，以后每3个月清理一次。清理工作由维修人员完成，但运行人员需注意：当清理疏水阀时排水隔离阀V2和排水连通阀V3必须于关闭状态，否则将有氢气泄漏发生危险，清理完后应立即将V2、V3阀打开（排水隔离阀V2和排水连通阀V3关闭时间太长会损坏干燥器）。

4.3.3 核对氢气干燥器的设定参数

通过人机界面确认氢气干燥器设定的再生及工作时间正常。

氢气干燥器是一个完全自动的，具有双塔而且可以连续操作的系统，吸湿气流是利用在内部吹向吸收容器的风机来帮助解决的，其工作循环时间是8个小时的吸湿和8个小时的再生，再生过程又包括4个小时的加热和4个小时的冷却。

另外，可以根据设备实际运行情况来调整加热器的工作循环时间（吸湿/再生时间、加热时间和冷却时间都可以调正，只要匹配就可以），以达到最佳的除湿效果。

一旦再生塔达到温度（大约需加热2小时），阀门V1应该做适当调整，直到达到最佳温度为止，该塔出口温度应该显示82℃±11℃，该塔内温度应该在163℃±28℃，当完成了所有的调整后，设备需要15～20分钟来达到一个比较稳定的状态。

4.3.4 判断氢气干燥器干燥剂的运行状况

如果氢气干燥器运行温度正常，疏水器未堵塞但没有疏水流出，则考虑可能为氢气干燥器的干燥剂氧化铝失效。

干燥器的每个塔装有23公斤的活性氧化铝干燥剂，在正常操作条件下，干燥剂应能维持3～5年，如果氢气有油质显现或很脏。干燥剂的使寿命可能短些，当干燥剂的性能已下降到不可接受的水平时必须更换。

4.4 氢气干燥器四通阀有内漏

氢气干燥器再生阀气流正常的情况下，如果再生塔温度上升缓慢，除湿效果差，则有可能四通阀出现内漏，应联系维修人员处理。

5 结束语

发电机的运行过程中，其内部氢气中水分难以避免的累积。因此，发电机的氢气干燥器能否及时正常投入运行，有效控制发电机内氢气的湿度在合格值之内，对发电机的安全运行具有重要的意义。

因此，作为运行值班人员要认真学习氢气干燥器相关知识，及时处理氢气干燥器运行中出现的故障。

【参考文献】

[1]秦山第二核电厂培训系列教材.经验反馈资料[S].

[2]秦山第二核电厂主发电机异常运行及故障处理导则，2006[Z].

[3]秦山第二核电厂培训系列教材.核电厂中、高级运行，2009[Z].

[4]牡丹江市联合电力设备有限公司XFG-1F-1型氢气干燥器说明书[S].

[5]氢冷发电机氢气湿度的技术要求.电力标准DL/T 651-1998[S].

[责任编辑：汤静]