海阳核电厂氢气干燥器的运行及优缺点分析

2020-12-28张弛

江西电力 2020年12期

张弛

（山东核电有限公司，山东烟台 265100）

0 引言

对于氢冷汽轮发电机来说，其定子线圈绝缘水平往往与氢气的湿度密切相关，汽轮发电机在运行过程中，常常因为密封油中含水量过大、制氢站来氢湿度过高等原因而使发电机内的氢气湿度增高。过高的氢气湿度会相应增加发电机的通风损耗，降低发电机运行效率，加速绝缘材料的腐蚀速度，缩短发电机使用寿命，对发电机安全运行造成极大的危害，氢气湿度超标已成为影响氢冷汽轮发电机运行效率和使用寿命的重要因素之一。在发电机氢气系统中加装干燥设备，可以使氢气湿度降至标准范围之内，避免发生恶性及灾难性事故，是确保大容量氢冷汽轮发电机组可靠运行的重要措施[1-3]。

1 几种类型氢气干燥器的简介

氢气去湿的方法主要分为两种，一种是冷凝式除湿，即使用制冷设备将氢气的温度降低，使其中的水分以结露或结霜的形式析出，再经过化霜将析出的水分排出，从而达到氢气去湿的目的。根据使用制冷设备的不同，冷凝式除湿装置又分为机械制冷式和电子制冷式二种，通常前者称冷凝式氢气干燥器，后者称电子致冷式（或称半导体致冷式）氢气干燥器。另一种是吸附式除湿，即使氢气以一定的速度、压力流过装有吸湿剂的容器，使其中的水分被吸湿剂吸收，从而达到氢气去湿的目的。

吸附式除湿干燥程度深，节电节能，但吸湿量有限，需再生，干燥剂消耗量和设备维护工作量很大；而冷凝式除湿能持续干燥去湿，无需再生，操作简单，并能使被干燥的氢气降温，但是其制冷深度和干燥程度很难满足现行电力标准。两者各有其发展领域和市场潜力，文中后续将主要针对海阳核电厂使用的吸附式除湿干燥器优缺点进行分析。

2 海阳核电厂氢气干燥器的运行总结

2.1 氢气干燥装置的结构

海阳核电厂氢气干燥器由三菱公司生产，设备主要由2个干燥塔，四通导向阀、泄压阀、压力平衡阀、冷凝器、再生风机和循环风机等部件组成，每个干燥塔内置吸湿剂和再生加热器，其流程简图见图1。

图1 干燥器流程简图

2.2 氢气干燥装置的工作流程

干燥器采用双塔切换吸附的运行方式对氢气进行干燥，封闭在再生列内的氢气由再生风机推动和四通阀导向始终流过再生列吸收塔，发电机内的氢气则由循环风机和四通阀导向始终流过干燥列吸收塔进行除湿，再生列干燥塔和干燥列干燥塔定期进行切换，因此能够对发电机内的氢气进行不间断的干燥。整个工作过程由PLC按预定程序自动控制，也可以进行手动控制。由于手动模式下，所有设备均要手动操作，流程十分繁琐，一旦操作失误即可能造成设备超压、加热器超温等严重后果，所以不建议使用手动模式。

将氢气干燥器投入自动模式后，氢气干燥器会按照如下方式运行：

1）被选择为干燥列的干燥塔，会持续对氢气干燥2周（336 h），2周后会自动切换至另一列进行氢气干燥。

2）对于另一列未被选为干燥列的干燥塔，在投入自动模式后立即开始再生。

3）再生过程：再生风机和再生加热器启动，SV-1（泄压电磁阀）自动开启将再生列压力降至50 kpa并始终保证其不超压，再生过程持续300 min；再生过程中产生的凝结水通过SV-3（疏水电磁阀）进行排放，SV-3会在再生加热器启动后的30 min时第一次开启，并且在此后的每5 min开关一次，每次开10 s；再生过程中加热器维持500℃，干燥剂温度约为150℃。

4）经过300 min再生，干燥塔会进行1 h的冷却，冷却完毕后SV-2A/2B（平衡电磁阀）开启，将再生列和干燥列的氢气干燥塔的压力进行平衡，干燥列干燥塔投入备用，等待干燥塔的定期切换。

2.3 氢气干燥装置的常见故障

2.3.1 进出口露点温度报警

氢气干燥器（干燥列）进出口露点温度分别达到（+5/0）℃时，系统会产生相应报警，表明发电机内的氢气湿度已不合格。海阳核电厂出现多次该报警的原因是干燥塔自动模式下切换时间长达2周，并且不会根据露点温度自动切换，当制氢站供氢湿度较高时，干燥剂经常会在3天左右就失效，从而产生上述报警。

针对该问题，建议增加相应逻辑，当干燥列出口露点温度达到-20℃时，立即自动进行干燥塔切换，确保发电机内的氢气湿度在标准以内。

2.3.2 干燥塔进油

由于发电机密封油与发电机内的氢气存在接触，难以避免进入干燥塔的氢气中含有一定量的油沫，油沫附着在干燥剂表面，会严重影响干燥塔的除湿效率，进而导致干燥器失效。海阳核电厂2020年2月对氢气干燥器的定期维护过程中就发现干燥剂表面的油污过多，已经失效，最终只能整体更换干燥塔处理。

对于吸附式干燥器进油问题，国内很多电厂都有类似的问题，只有改进发电机的制造工艺水平，减小密封油向氢气的泄露才能治本。海阳核电厂的汽轮发电机组由三菱哈动提供，其制造工艺水平较高，相比其他国产发电机，漏油量比较小，此外运行处还会持续对干燥器疏水中的水中油进行取样跟踪，以确定干燥剂的失效周期。

2.3.3 再生列干燥塔超压

再生列干燥塔在再生过程中，由于是密闭系统且有电加热器一直加热，其压力会持续上升，当其压力升至55 kpa时，SV-1（泄压电磁阀）自动开启，通过1-HCS-V3429（HCS背压气动调节阀）维持再生列干燥塔压力不超过50 kpa。由于1-HCS-V3429可以人为调节，故存在故障的可能性，一旦其无法实现调压功能导致再生列干燥塔超压，系统会自动发出报警并停止干燥塔再生。海阳核电厂商业运行以来，多次出现再生列干燥塔超压报警，均是由于1-HCS-V3429故障无法实现其调压功能。

针对该缺陷，运行值已多次提出相应整改要求，并由维修人员对1-HCS-V3429进行故障处理。

3 海阳核电厂氢气干燥器的优缺点分析

封闭再生吸附式氢气干燥器具有出口氢气湿度小、可持续除湿、除湿效果好、干燥剂可再生重复使用、干燥剂再生不消耗氢气、振动和噪声小，不易出故障等优点。

由于采用吸湿剂除湿，再生吸附式氢气干燥装置主要缺点是：

1）氢气中的油污、灰尘对除湿效果影响很大，甚至使吸湿剂失去除湿能力；

2）吸湿剂在再生加热时和冷却时都会产生温度的不均匀变化，由于热胀冷缩原理产生内应力变化，这种变化最终将导致吸湿剂颗粒粉末化，粉末可能由氢气流带入发电机内，造成对发电机的污染；

3）由于吸附剂的性质是能把比其直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，因此，当吸附剂接触空气时将吸收大量的空气，包括氧气。如果气体置换时使用二氧化碳，则又会吸附大量的二氧化碳。在干燥器投入运行后，在再生过程中将这些气体脱附释放出来，会在密封的再生系统中形成氢气和空气或二氧化碳的混合气，轻则会在一定程度上影响发电机内氢气纯度，重则由于再生系统内有电加热器，可能点燃混合气体发生燃烧或爆炸。

虽然吸附式氢气干燥器存在上述缺点，但这不代表这种产品是不可靠的，相比于冷凝式干燥器的一些缺陷，吸附式干燥器是更好的选择，而且随着技术的不断迭代更新，新式的吸附式氢气干燥器早已问世，将老式吸附式干燥器的一些缺陷进行了处理，现将其特点进行介绍。

新一代双塔型氢气干燥器采用开环方式进行再生，将再生塔释放出水气和污染物全部排空，彻底清除了干燥塔工作时所吸附的污染物和水气，大幅度提高回路中氢气纯度；同时也省去了水冷却系统，降低了运转费用。其代价只是多消耗了少量氢气（每次再生约放空6～10 m3的氢气）。由于再生彻底，再生塔每次可连续工作15天以上，甚至30天。因而，这种再生方法在全年运行中，所消耗的氢气是非常有限的。此外，通过对进出口露点的设定和监测，干燥塔进行自动切换，使系统始终处于稳定的最佳运行状态，保证氢气纯度的提高，效果十分理想。