水内冷汽轮发电机内冷水系统漏氢量定量在线检测装置的研究

崔 明，姜 浩，王成申，孙 斌，杨 明，袁东月，何 鑫

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2. 国电吉林龙华长春热电一厂，长春 130052；3.吉林电力股份有限公司四平热电厂，吉林 四平 136001)

目前各电厂在200 MW及以上水内冷汽轮发电机组上都安装了内冷水系统漏氢量在线监测装置，能时时监测内冷水箱所含氢气体积含量。国家能源局2014(161)号文件《防止电力生产事故的二十五项重点要求》重新对内冷水系统漏氢量检测标准进行了修改 ，并给出了要求值，但目前国家、行业标准对水内冷发电机内冷水含氢气的检测方法、参数控制等方面没有明确规定。为了确定水内冷发电机内冷水系统漏氢量定量的检测方法，研制了新型水内冷发电机内冷水系统漏氢量在线检测装置(以下简称在线检测装置)。

1 原在线检测装置存在的问题

a.内冷水箱安装的氢气传感器所测得的数据不真实。连接氢气传感器的垂直方向管路气体不流动，内冷水箱运行时，由于氢气质量相对较轻，溢出的氢气在上部垂直管路聚集，导致所测氢气含量很高，所以测得的数据不真实。

b.原在线检测装置氢气传感器量程小。该量程为0～4%，不能满足国家能源局2014(161)号文件《防止电力生产事故的二十五项重点要求》规定的10%的检测指标要求。当内冷水箱测点发出报警时，运行人员无法判定内冷水系统漏氢量是否超标。

c.所装气体流量表不能检测氢气的流量。安装的气体流量表的量程较大、灵敏度低，内冷水箱所排出的气体中除了氢气以外，还有其他组分气体，因此安装的气体流量表不能检测氢气的流量。

2 新型在线检测装置的研制

2.1 传感器的选择

水内冷发电机内冷水系统漏氢量在线检测装置主要部件之一是氢气传感器，选择合适的传感器是研发该检测装置关键的一步。目前市场上有6类测量氢气的传感器，其测量原理、量程、代表设备及优缺点见表1。针对水内冷发电机内冷水系统漏氢量在线检测装置的特殊性，最终确定选用在线热导原理式传感器，它具有测量范围宽、线性好、反应速度快等优点。

表1 不同传感器特点的对比

2.2 试验室的模拟试验

在确定传感器之后，研制的新型内冷水系统漏氢量在线检测装置在制造企业的试验室进行模拟试验，以确定该装置是否满足检测要求。

在制造企业的试验室内，搭接一个与现场内冷水系统运行方式基本相同的水回路，包括：水箱、循环水泵、传感器、氢气检测装置、混有饱和水蒸气的氢气、标准氢气等。

在搭接的水回路中保持通入气体为湿气(混有饱和水蒸气的氢气)的条件下，测试不同温度下，传感器显示值与氢气体积分数间的关系，传感器示值与氢气体积分数间的线性关系见图1。

图1 传感器示值与氢气体积分数间的线性关系

通过上述传感器示值与氢气体积分数间的测试数据可知，通入湿气时，在不同温度下传感器示值对氢气的体积分数均呈较好的线性关系，且直线的斜率、截距与温度间也有规律可循，因此，当内冷水箱温度变化时，该传感器可以满足水内冷发电机内冷水系统漏氢量在线检测的要求。

2.3 在线检测装置的检测原理

内冷水系统漏氢量在线检测装置由监控主机、传感单元及远传气体流量计组成。特制的传感单元可对氢气体积分数进行大量程测量。膜式流量计可以最小程度减少水汽、温度等因素影响，能准确计量气体泄漏量。

在线检测装置由传感单元检测内冷水箱内实时氢气体积分数，由气体流量计采集流量数据，经通信上传给监控主机，由主机处理这些数据，对气体泄漏量与氢气体积分数进行时间上积分，即可计算出氢气泄漏量。装置具有显示实时氢气体积分数、日平均滑窗含氢量、日累计氢气泄漏量、日排气量、总排气量功能，并能够存储每日氢气泄漏量以及前一天微小时间段(若干分钟)内气体泄露数据，提供历史氢气泄漏量查询功能。内冷水系统漏氢量在线检测装置屏幕显示的参数见图2。

图2 在线监测装置屏幕显示的参数

3 现场试验

3.1 在线检测装置安装位置

在内冷水箱上部排至大气的管路中接入冷凝器、远传气体流量计、氢气传感器，并经过多次改进和完善已经定型，现场安装位置见图3。目前已在吉林省2座发电厂2台350 MW汽轮发电机上成功安装新型内冷水系统漏氢量在线检测装置，运行效果较好。

图3 在线检测装置安装示意图

3.2 内冷水箱含氢量与水位之间的关系

在新型在线检测装置的现场测试过程中发现，内冷水箱氢气体积分数与水位之间存在一定的关系见图4，图中曲线1为在线监测装置测得的内冷水箱氢气体积分数，曲线2为内冷水箱水位高度。为了缩短测试时间，采用人工操作降低内冷水箱的水位，当内冷水箱水位下降到一定高度时，自动开启补水系统，使内冷水箱水位开始上升，当开启排氢阀门时，在内冷水箱上部聚集的氢气突然集中释放出来，所测得氢气体积分数从0值跃变到某一数值。随着测量时间延长，氢气不断释放，测得的氢气体积分数不断下降，约4 h左右浓度降低至0；当再次降低内冷水箱水位，自动开启补水系统时，上述过程再次重复。通过上述测试过程可以看出：当水内冷发电机内冷水箱中存在氢气时，其含量释放速度与内冷水箱水位变化情况有关。

图4 某电厂内冷水箱氢气体积分数与水位之间的关系

3.3 在线检测装置与标准器对比测试

为了确定研究的内冷水系统漏氢量在线检测方法的准确性，选用标准器“氢冷发电机安全检修测试仪”进行比对，它能够准确地检测氢气含量。将标准器“氢冷发电机安全检修测试仪”串接在研制的内冷水系统漏氢量在线检测装置之后，使内冷水箱的气体先后流经内冷水系统漏氢量在线检测装置和标准器。在对比测试前，首先开启“氢冷发电机安全检修测试仪”自带的匀速抽气泵，每5 s记录1次2种测量方式测得的数据，直至两者数据稳定。由于标准器“氢冷发电机安全检修测试仪”连接在内冷水系统漏氢量在线检测装置之后，故在短时间尺度内标准器测得的瞬时氢气体积分数滞后于在线检测装置测得的瞬时氢气体积分数。每次对比测试约2 min后两者数据趋于稳定，5次对比测试后进行计算分析，标准器“氢冷发电机安全检修测试仪”测得的平均氢气体积分数为8.69%，内冷水系统漏氢量在线检测装置测得的平均氢气体积分数为8.43%，误差-3.0%，说明在长时间尺度内氢气体积分数偏差较小。

通过2种测量方法测得的数据对比得出：本文检测装置所测量的氢气体积分数，能够满足内冷水系统漏氢量在线检测的要求。

4 结束语

根据国家能源局2014(161)号文件，应定量地开展水内冷发电机内冷水系统漏氢量在线检测，这对保证发电机的安全稳定运行具有重要意义。针对目前水内冷发电机内冷水系统漏氢量在线检测装置存在的问题，研发了新型在线检测装置，并探讨了其检测方法，首先选择内冷水系统漏氢量在线检测装置的传感器，在线热导原理式传感器的量程为0～20%，能够满足国家能源局2014(161)号文件要求。管路中的气体可以正常流动，氢气不会产生聚集的问题。在氢气传感器之前增加了冷凝器，避免了水蒸汽对传感器的干扰，并延长了传感器的使用寿命。膜式流量计灵敏度高，能准确计量气体泄漏量，然后在制造企业的试验室进行了模拟试验，最后在吉林省内2座电厂2台350 MW汽轮发电机安装了该在线检测装置，并通过现场与标准器进行测试数据比对，说明在长时间尺度内氢气体积分数偏差较小。由此证明了本文的检测方法的有效性，检测方法切实可行，检测精度能够满足内冷水系统漏氢量检测的要求，