發(fā)電機氫氣純度測量系統(tǒng)研究與改造

1、發(fā)電機氫氣純度測量系統(tǒng)研究與改造關(guān)鍵詞：氫氣純度, 現(xiàn)場檢測, 系統(tǒng)改造, 發(fā)電機摘要：發(fā)電機內(nèi)氫冷系統(tǒng)的應用，使大容量、高效率的發(fā)電機成已為現(xiàn)實，由于氫氣熱容量大, 導熱性比空氣高6倍多, 流動性也比空氣好, 重量卻不到空氣的1/10,使得發(fā)電機內(nèi)的通風摩擦損耗大大減小, 為使機組能夠安全、可靠、經(jīng)濟、穩(wěn)定地運行, 嚴格地保證機內(nèi)氫氣的純度是十分必要的，在現(xiàn)場對氫氣純度進行在線實時監(jiān)測一直是比較困難的，特別是現(xiàn)場的復雜性也對測量提出了更高的要求。豐潤熱電經(jīng)過多次探索研究、對設(shè)備及取樣回路改造，最終實現(xiàn)了發(fā)電機氫氣純度的準確測量，減少排氫損失，大大提高了機組的安全經(jīng)濟性。一、發(fā)電機氫氣純度測量

2、的意義目前幾乎所有的大容量、高參數(shù)發(fā)電機均采用導熱率較高的氫氣作為冷卻劑, 大型火力發(fā)電機在運轉(zhuǎn)時要發(fā)生能量損耗，損耗后的能量最后都轉(zhuǎn)變成了熱量，致使發(fā)電機轉(zhuǎn)子、靜子等各部件溫度升高，為了保證發(fā)電機能在繞組絕緣材料的允許溫度下長期運行，必須及時地把鐵損和銅損產(chǎn)生的熱量導出，使發(fā)電機各主要部件安全運行經(jīng)常保持在許可的范圍內(nèi)，否則，發(fā)電機的溫升就會持續(xù)升高，使繞組絕緣老化，出力下降，甚至燒毀。因此，必須連續(xù)不斷地將發(fā)電機產(chǎn)生的熱量導出，這就需要強制冷卻。氫氣作為發(fā)電機常用的強制冷卻介質(zhì)具有無可比擬的優(yōu)越性：氫的分子運動速度最快，從而有最大的擴散速度和很高的導熱性，發(fā)電機組氫濃度、氫氣濕度和氫泄漏是

3、發(fā)電機安全運行的三個重要監(jiān)測參數(shù)。首先, 氫氣的純度越高, 其散熱效果越好; 相反, 純度下降, 散熱效果變差, 這將直接導致發(fā)電機過熱, 危及發(fā)電機安全。其次, 氫氣濕度超標即存在轉(zhuǎn)子護環(huán)應力腐蝕和發(fā)電機定子絕緣故障的嚴重危害。特別是第三, 一旦氫氣泄漏, 超過一定濃度, 與空氣中的氧氣混合, 極易產(chǎn)生爆炸, 危及整個電廠的安全, 給企業(yè)帶來巨大的損失，因此準確測量發(fā)電機氫氣純度對機組安全穩(wěn)定運行具有重要意義，本文主要對現(xiàn)場氫氣純度檢測系統(tǒng)進行研究改造。二、工程及純度儀簡介：豐潤熱電工程一期為2300 MW機組， 發(fā)電機為哈爾濱電機有限責任公司制造的QFSN-300-2 型三相、二極、隱極式

4、轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機，冷卻方式為水-氫-氫。即定子繞組為水冷卻，定子鐵芯為氫氣冷卻，轉(zhuǎn)子繞組為氫氣內(nèi)部冷卻。發(fā)電機總裝氣體容量77立方米，內(nèi)部氫氣正常運行壓力0.3MPa 。定子繞組的冷卻水由水冷泵強制循環(huán)，進出水匯流管分別裝在機座內(nèi)的勵端和汽端，并通過定子冷水冷卻器進行冷卻，氫氣則利用裝在轉(zhuǎn)子兩端的軸流式風扇進行強制循環(huán)，并通過發(fā)電機兩端氫冷卻器進行冷卻，在機內(nèi)密閉循環(huán)。每臺機組安裝一套氫氣純度、濕度儀表各一套，氫氣純度采用*科技生產(chǎn)的XMTC 在線氣體純度分析儀。下圖是氫氣純度取樣位置及儀表管路連接圖： 圖2 儀表管路連接圖氫氣純度測量原理：氫氣測量系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)氣體的導熱率而確定其成份,

5、 即通過混合氣體導熱率的測量來決定混合氣體中某氣體的含量, 在混合氣體中氫氣導熱率遠遠高于其它氣體, 比氮, 氧高78倍, 因此當混合氣體中背景氣體(如氮等 或其它成份基本保持恒定時, 混合氣體的導熱率基本取決于氫的濃度, 根據(jù)混合氣體導熱率的不同, 就可測出含氫量的多少。XMTC 型在線氫氣純度儀采用熱導法，在其測量系統(tǒng)中有兩組特別穩(wěn)定精密的、有玻璃涂層的熱敏電阻，一組測量被測氣體，另一組測量標準氣體。熱敏電阻被固定在盡可能接近不銹鋼腔體的地方。整個池體被加熱到55，而熱敏電阻被加熱的溫度高于傳感器腔體溫度，熱敏電阻損失的熱量與氣體的熱導成比例，這樣，每組熱敏電阻會達到不同的平衡溫度，兩組熱

6、敏電阻溫度的差異被電橋電路檢測到，接著被放大并轉(zhuǎn)換為420mA輸出（輸出信號與被測氣體含量成比例），再通過信號電纜遠傳到DCS 系統(tǒng)進行再現(xiàn)監(jiān)視，在儀表參數(shù)異常時發(fā)出報警，儀表結(jié)構(gòu)為下圖： 圖3 XMTC儀表樣圖XMTC 儀表主要由兩部分組成：純度變送器和純度二次表。由于取樣系統(tǒng)應能保證被測氣體是在大氣壓下，溫度不高于65，流速大約為150300ml/min清潔的、有代表性的樣品引入到XMTC 變送器，過高或過低的工作壓力都影響儀表測量。XMTC 變送器進口接到發(fā)電機下部壓力稍高的取樣口，出口將通過檢測后的氣體再流回發(fā)電機內(nèi)部做循環(huán)。三、氫氣純度儀運行存在問題由于氫氣純度表在投入時無法準確再現(xiàn)

7、測量發(fā)電機氫氣純度，嚴重影響機組安全運行，在安全性評價檢查及技術(shù)監(jiān)督檢查中都作為重要問題被提出進行整改，氫氣純度儀測量不準的主要原因如下：1、由于儀表進行純度檢測時需要氫氣有一定的速度和流量，而由于從發(fā)電機下部勵端、汽端兩個取樣管路壓力接近，氣體流動速度太小，流量低，測得的數(shù)據(jù)一直不準，與手工測量的數(shù)據(jù)差別太大，無法保證純度監(jiān)測的及時性和準確性。2、傳感器不耐壓，長期使用會損壞傳感器，維護設(shè)備費用高。3、儀表漂移量比較大，線性不穩(wěn)定，需要經(jīng)常與。手測數(shù)據(jù)對比來保持其測量值的穩(wěn)定性。 4 儀表受溫度，流量等影響較大，溫度及流量發(fā)生變化時，其測量值變化較大，影響測量分析結(jié)果四、氫氣純度儀的改造由于

8、氫氣純度測量傳感器不能承壓是設(shè)備測量不準的主要原因，廠家說明書要求將儀表回氫管排空，電廠熱工專業(yè)利用檢修的機會進行了三次改造才獲得成功，具體改造實驗如下：1第一次改造在氫氣原排氣管路上增加三通，將原來回發(fā)電機氣端管到取樣處的儀表門關(guān)閉，直接從三通處新鋪設(shè)管路至發(fā)電機排氫氣母管上，滿足儀表測量和滿足發(fā)電機監(jiān)視要求，但由于變送器回氫氣口排空，管路每天24小時排空，機組每天補氫量每天增加3-4m3，全年就將排出800-1000 m3，約合2-4萬元，同時長期排氫對機組安全也帶來隱患，要經(jīng)常對所有的排氫管路進行檢查及封堵，加大了許多維修工作量。具體改造位置如下圖： 圖4 回氫管排空改造圖2 第二次改造

9、長期補氫影響公司經(jīng)濟效益，同時排氫母管不能長期打開，一旦關(guān)閉依舊無法進行測量，經(jīng)過研究進行第二次改造，將排氫取樣點移位，將氫氣儀表出口取樣移到有一定壓差的發(fā)電機干燥器的出口上，改造圖如下： 圖五 回氫管干燥器改造圖改造后剛投入時，儀表測量數(shù)據(jù)基本與化驗班檢測接近，但當長期運行時，數(shù)據(jù)依舊不準，其原因還是壓差不夠，在此期間由于探頭長期承壓損壞，此次改造沒有成功。3、第三次改造從前兩次改造結(jié)果來看，儀表測量管路再無進行改造的可行性，只有對氫氣純度儀表進行換型改造。經(jīng)過對國內(nèi)同類型測量儀表調(diào)研，決定采用河南鄭州迪邦科技有限公司生產(chǎn)的DBZX-520系列氫氣純度在線分析儀，該儀表變送器采用德國HLP

10、公司。先進的具有溫度補償功能的恒溫型雙臂熱導池的傳感器，克服了熱導型檢測儀普遍受溫度影響的缺點，當系統(tǒng)提供了建立穩(wěn)定組份的背景氣（如空氣）或有大致相當熱導的氣體時，該分析儀可以測量一個多組份混合氣體中單一組份的含量。儀表操作采用中文界面，設(shè)備如下圖：圖 6 改造后設(shè)備圖 氫氣純度換型儀表由三個基本部件組成：傳感單元（變送器）；控制單元（接收器）和電源。熱導分 析儀的傳感組件裝在一個防爆罩內(nèi)，防爆罩為一牢固鑄鋁結(jié)構(gòu)，它保證了傳感器在惡劣環(huán)境下也能可靠工 作。采樣氣體預處理系統(tǒng)：氫氣采樣裝置可以有效的濾除氫氣中的油污和水分，從而很好的保護變送器， 使儀表能夠長期、穩(wěn)定、準確的連續(xù)監(jiān)測氫氣的純度；

11、設(shè)備主要優(yōu)點: 1）傳感器獨特的耐壓設(shè)計，能保障傳感器在發(fā)電機氫壓下正常運行，避免了氫氣的浪費，保持發(fā)電機 氫壓穩(wěn)定及減少補氫量. 2）儀表顯示采用中文菜單，操作方變，單獨增加校驗接口，校驗儀表更加方便. 3氫氣純度在線分析儀的變送器采用熱導原理，.其獨特的溫度補償熱導池確保了儀表的穩(wěn)定性和準 確性. 4氫氣純度在線分析儀其配套的氫氣采樣裝置可以有效的濾除氫氣中的油污和水分，從而很好的保護 變送器，使儀表能夠長期、穩(wěn)定、準確的連續(xù)監(jiān)測氫氣的純度； 五、改造效果 2013.5 月利用機組小修機會，對測量管路及儀表進行了整體改造，為檢驗改造效果，安排人員連續(xù) 進行了汽機 0 米及 6.3 米手工與

12、儀表檢測比對， 結(jié)果如下： 零米（手工） 時間 純度（%） 3013-5-16 3013-5-17 3013-5-18 2013-5-19 3013-5-20 3013-5-21 3013-5-22 3013-5-23 3013-5-24 3013-5-25 96.32 97.91 97.94 98.25 98.19 98.21 98.16 98.15 98.13 98.0 濕度（） -4.7 5.9 -14.4 -5.7 -4.3 -4.1 -3.5 -3.2 -2.5 -2.0 6.3 米（手工） 出口（%） 97.42 97.88 98.02 98.25 98.3 98.31 98.21

13、 98.21 98.21 98.16 入口（%） 97.43 97.88 98.02 98.25 98.3 98.3 98.21 98.22 98.21 98.16 在線表 純度（%） 98.34 98.61 98.58 98.73 98.76 98.25 98.19 98.17 98.05 98.11 濕度（） 3.9 4.9 1.2 -5.9 -9 -9 -9.3 -9.4 -9.8 -9.8 圖 7 改造后數(shù)據(jù)比對表 從上表中看出，再現(xiàn)氫氣純度儀表顯示值基本與手工測量數(shù)據(jù)接近，并且能夠跟隨負荷變化，基本符 合發(fā)電機氫氣純度檢測的要求，目前已連續(xù)運行幾個月，傳感器無損，證明此次改造是成功的，滿足了現(xiàn) 場生產(chǎn)的需要。 六、小結(jié) 采用新的氫氣純度測量裝置，對原測量回路改造較小,使流