发电机第三代吸附式氢气除湿装置的应用

吴福雨

(鹤壁同力发电有限责任公司，河南 鹤壁 458000)

0 引言

氢气因具有热容量大、密度小、磨擦损耗小等优点，被广泛用作发电机的冷却介质。目前，燃煤电厂发电机组单机容量不断扩大，运行氢压也随之提高，对氢气质量特别是氢气湿度(即露点温度)提出了更严格的要求。大量研究结果和事故案例表明，发电机内氢气湿度高，不仅会引起发电机转子和定子绕组绝缘性能下降，诱发相间短路；还会导致转子护环上产生应力腐蚀裂纹，造成护环过早损坏，影响发电机的效率和安全运行。

1 设备状况

某电厂2台发电机由东方电机厂生产，型号为QFSN—300—2—20B，冷却方式为水—氢—氢，即发电机定子线圈及引线、出线水内冷，转子绕组、定子铁芯及端部氢冷。发电机配套用氢气除湿装置为压缩机冷凝式，型号QLG-IIIB，工作压力不大于0.8 MPa，氢气流量120 Nm3/h，出口氢气含湿量1 g/m3。每台发电机配置2套氢气除湿装置，分别对应于发电机的汽机端和励磁端，2套设备安装在汽机房6.3 m运转层发电机下方，同时投入，连续工作。1，2号机组发电机氢气除湿装置分别于2005年7月和9月正式投运。

2 设备存在的问题及危害

已有氢气除湿装置采用空压机冷凝式，冷却介质为氟利昂。该设备的工作原理为：利用压缩机压缩氟利昂，高压吸收热量对氢气进行冷却，让其温度降到规定的露点以下，使其中的水蒸气以结露或结霜的方式分离出来，从而达到降低氢气湿度的目的。由于氟利昂的渗透性特别强，加之设备已工作10年以上，出现老化磨损，常因氟利昂泄漏和设备故障而达不到预期除湿效果。设备在安全性、稳定性和可靠性上的欠缺，导致发电机氢气湿度参数严重超标(露点经常在0 ℃以上，夏季更高)，发电机运行中存在重大安全隐患，因此需对该氢气除湿装置进行技改换型。

3 设备改造方案

通过对其他电厂和市场上现有氢气除湿装置的调研，根据多年设备改造工作实践经验，选用1台第三代除湿装置装设于发电机汽机端，能同时替代原励磁端、汽机端除湿机的作用(汽机端氢气湿度大，装在该端除湿效果更好)。此设备改造的具体方案如下。

(1) 将原有2台氢气除湿装置全部拆除，改为配置1台第三代吸附式氢气除湿装置(QXG-III型，工作压力不大于1.0 MPa，吸湿流量100 Nm3/h，出口氢气露点：-10 ℃—-60 ℃可调节)，安装于发电机的汽机端。

(2) 原励磁端除湿装置氢气进、出口端的管道采用连接管连通。

(3) 新设备与现有氢系统管路正确连接，氢系统其他配置保持不变。

改造时间定于机组停运后大修期间。

4 第三代吸附式氢气除湿装置机械系统

4.1 装置机械系统结构及工作原理

第三代吸附式氢气除湿装置机械系统主要由2台干燥塔(吸收塔)、1台前置旋风分离除油过滤器、1台冷凝器、1台气水分离器、1台后置过滤器和2个联动的气动四通阀组成。装置正常运行时，2台干燥塔同时工作，1台吸湿、1台再生，定时交替，循环作业。

(1) 吸湿过程。来自发电机内部的潮湿氢气，先经过除湿装置氢气入口进入旋风分离除油过滤器，将夹带在氢气中的雾化油分离、过滤和清除。之后，干净的氢气进入干燥塔，氢气中的水分在经过塔内时被干燥剂吸附层吸收。最后，含水量极低的氢气经后置过滤器到达装置出口，再经发电机氢气入口回到发电机内部。

(2) 再生过程。利用埋入在干燥剂吸附层的电加热器，加热已经吸湿饱和的干燥剂，使其中的水重新汽化成水蒸气。同时，一小部分氢气经干燥塔内置循环风机增速流过干燥剂吸附层，将释放出的水蒸气带入冷凝器，与冷却水进行热交换。水蒸气凝结成水后，再通过气水分离器及自动排水阀排到装置外部，而氢气回到正在再生的这台干燥塔内并形成再生循环。

4.2 装置机械系统优点

与前几代设备相比，第三代吸附式氢气除湿装置机械部分设计新颖、结构独特、性能优越。

(1) 采用双干燥塔型式、全封闭系统设计，使装置能够持续除湿、高效工作，且无气体消耗。除油、过滤、除湿一体化结构设计，确保油污及灰尘不会进入吸湿干燥塔内部，不惧怕发电机密封油渗漏，延长干燥剂使用寿命，保证干燥剂粉尘不会流出而污染发电机。整机结构紧凑、体积小巧，便于运输、安装和检修。

(2) 干燥塔内置漩涡式自循环风机，采用铝合金轻便式结构，体积小、拆装方便、检修简单。启动后风压高、风量稳定，全速运转时可产生大约1 000 mm高水柱的氢气压力差和约140 Nm3/h的氢气流量，既可增大被处理系统中气体流量，又可在发电机停止运行而需要继续干燥氢气时提供充足的循环流量，以保持发电机内氢气湿度达标。

(3) 装置有干燥剂放出口和加入口，不需拆卸其他部件即可更换干燥剂，维护保养方便，设计人性化。吸湿干燥剂(活性氧化铝)的使用寿命长(4年以上)，为固态、多孔状高疏松度颗粒；有很大的比表面积，常温下极易吸收水分，高温下又能将吸收的水分释放，恢复吸湿能力，从而再生。重复再生的活性氧化铝，其除湿性能和除湿效率仍然很高。

(4) 装置的2台干燥塔吸湿和再生定时转换、循环工作。封闭在再生系统内的氢气由吸收塔内置风机推动和四通阀导向，始终流过工作在再生状态的吸收塔；被干燥的氢气则由四通阀导向，始终流过处于吸湿状态的吸收塔，实现对来自发电机的氢气不间断除湿，除湿效率高。

(5) 装置还配有1套CO2置换系统，用于除湿装置等氢系统设备检修前的排氢和检修后的充氢。

5 第三代吸附式氢气除湿装置电控系统

5.1 装置电气控制系统结构

第三代吸附式氢气除湿装置是一套全自动、机电一体化、柜式集装型产品。其电气控制主要由可编程逻辑控制系统(programmable logic controller，PLC)、触摸式显示屏系统、氢气湿度测量系统、加热再生温度测量控制系统、故障报警显示系统等组成。

5.2 装置电气控制系统优点

与前两代装置相比，第三代吸附式氢气装置电气元器件更加先进，控制回路功能设计更加齐全、完善，自动功能更加强大，操作使用更加简单，故障率更低。

(1) 装置电气控制使用新型防爆开关、防爆电磁阀及全固态电气元器件，不产生火花，安全可靠。电气回路配置了防爆电源开关、触点封闭式继电器、熔断器、“运行/停止”主令开关、电源变压器、就地指示灯、湿度测量元件及变送器等功能不同的电气元件，装置电气控制系统工作可靠性很高。

(2) 装置采用最新自动控制技术。智能化控制程序，功能完备、性能可靠，能对装置工作过程及故障情况进行准确控制和判断，自动优化运行方式，最大限度提高装置除湿效率，且没有误操作的可能。高分辨率彩色液晶屏触摸式“人机界面”(高端一体化工控机界面)，配合功能强大、性能卓越的操作监控软件，通过与PLC系统通信，可实现装置运行参数在线显示、工作模式和参数在线设置、工作状态动画模拟显示、故障报警实时显示、历史查询和操作帮助在线提示、设备手动操作和测试运行等系列功能。

(3) 装置的干燥剂再生加热温度、前后过滤器液位、气水分离器液位、冷凝器温度、2个联动的气动四通阀位置、自循环风机启停、2台干燥塔的定时工作转换等都采用PLC逻辑程序自动控制。整个工作过程中，PLC执行逻辑控制程序并与工控机通信，使设备完全处于自动化连续运行状态，无需人员值守和调节，装置自动化程度大幅度提升。

6 设备改造实施措施

6.1 装置安装技术措施

新装置布置在原汽机端氢气除湿装置位置，机柜落地安装，其上方留有0.8 m的空间，便于后期设备维修(加热器更换等)。电源使用原汽机端氢气除湿装置电源间隔，电源电缆新敷设。氢气系统主管路改接用的管道、阀门统一采用不锈钢材料。装置氢系统管路、冷却水管路、压缩空气管路在改接和新安装时，都应无“U”形弯；管道的选择路径不得妨碍现场设备巡视和检修。

氢气除湿装置进、出氢气管路具体改接方法：原汽机端除湿机的进、出氢管道改接至新除湿机的氢气进、出口端；原励磁端除湿机氢气进、出口端的管道采用连通管连通(连通管内径5 mm，为氢系统主管道通径的10 %)。连通后，可使励磁端的氢气具备发电机体外循环条件，励磁端原有氢气循环风机和湿度检测仪仍能起到相应作用，发电机励端氢气湿度得以继续检测。

装置冷凝器外用冷却水，取自就近汽机开式冷却水系统母管，进、出水管路上分别装设控制阀门和压力表。考虑到开式冷却水系统水质相对较差，在冷却水进水管路上加装滤网。装置驱动及控制用压缩空气由外部接入，气源取自就近汽机仪表用压缩空气系统，管路装配控制阀门和压力表。

6.2 装置调试技术措施

氢系统管路、阀门及氢气除湿装置安装完毕投运前，进行氢系统气密性试验，所有管路和阀门的焊缝、连接面应无泄漏。装置本体采用外用压缩空气，进行气密保压试验。试验压力0.5 MPa，时间不小于3天，用2只干燥塔上的2块压力表观察气密保压情况(装置运行氢压0.3—0.35 MPa)。装置的上电调试严格执行设备使用说明书中的操作步骤，调试时需要注意以下几点：

(1) 装置最初启动前或每次排氢减压后、投运前，都必须使用CO2排除系统中的氢气，避免氢气、空气直接接触混合后爆炸，引起事故；

(2) 装置未净化前不能通电，若装置净化不彻底或失败，不能操作设备按钮或开关，只能在远处安全位置将电源切断，防止设备内产生电火花；

(3) 在装置“测试运行”状态下设备不能较长时间通电运行，防止装置内部过热，发生意外。

6.3 装置改造安全措施

氢气属易燃物质，与空气混合后又可能爆炸。因此，设备改造施工期间，务必做好装置的氢气源及电源隔离、现场消防灭火、人员及设备防护等系列安全措施，避免火灾和人身伤害事故的发生。

7 装置的运行维护及注意事项

为保证新装置的高效稳定运行，应按每日、每月、每季、每年、每4年检查(检修)规定的项目，做好定期维护保养工作。

(1) 每日检查1次装置电气控制箱和人机界面上的各种显示参数；若有故障报警，及时关闭装置电源总开关并进行检修。

(2) 每月检查1次装置氢气泄漏情况，发现异常及时处理。检查气水分离器，放出内部积水。检查油气分离过滤器中的油位，达到浮子高度时将油排出；放油时应视分离器内的液面高度排油，注意不要将氢气排出。

(3) 每季度清洗1次气水分离器自动排水阀，清洗阀门时，应将其前端的隔离阀关闭。检查装置冷却水，水源应清洁干净，水中不含有酸性、碱性腐蚀物质，以及易堵塞冷凝器内部水道的杂物或可沉淀溶解物。由于装置冷却水温度越低，使用效果越佳，若冷却水温度升高，则应加大流量作为补偿。

(4) 每年清洗1次冷凝器传热管，更换冷却水管路过滤网。检查装置电气控制系统、电气元件及接线，拆除装置内部电磁阀、氢气湿度传感器、铂热电阻、压力表、温度表等热工元件，送至专业部门校验，确保其准确可靠，必要时更换。

(5) 每4年对装置进行1次全面大修和保养，更换吸收塔内干燥剂和氢气自循环风机，消除设备缺陷。

8 设备改造效果

1，2号发电机氢气除湿装置，自2016年8月改造完毕投入使用以来，一直工作正常，运行良好，发电机氢气露点由0 ℃以上降为-18 ℃以下。跟踪检查结果表明，第三代吸附式氢气装置具有吸附容量大、除湿能力强、工作性能可靠、运行稳定等优点，能保持发电机在运行中和停机期间氢气湿度指标长期合格。另外，该装置自动化程度高、故障率低、工作稳定，在降低运维人员工作量的同时，还节省了设备维护费用，具有一定的经济效益。

第三代吸附式氢气除湿装置除湿效果显著，成功地解决了一直困扰该厂发电机氢气湿度超标的难题，消除了发电机安全隐患，保证了机组长期可靠稳定运行。