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各種類型的氫氣除濕裝置優缺點分析
發表時間:2018-11-20     閱讀次數:     字體:【

目前,我國各發電廠氫冷式發電機在用的氫氣干燥裝置主要有三種類型:冷凝式氫氣干燥器、電子致冷式氫氣干燥器和再生吸附式氫氣干燥器,不論使用哪種類型的氫氣干燥裝置,只要裝置正常運行,發電機內的氫氣濕度都能達標。但是目前多數電廠所使用的氫氣干燥器都存在一些問題,有代表性的問題是運行過程中頻繁的故障和較大的維修、維護工作量,個別問題是能耗較高除濕效果不是很理想或者必須要定期更換耗材運行成本較高。鑒于以上情況,許多發電廠對于如何選擇一臺合適的氫氣干燥設備而感到茫然,究竟如何選擇適合本廠發電機情況的氫氣干燥裝置呢?下面我就這一專題結合我公司近二十年研制生產和安裝調式氫氣干燥器所積累的技術和經驗做一個對比分析介紹。

我們先來分析一下發電機內氫氣的除濕要求。

根據DL/T651-1998《氫冷發電機氫氣濕度的技術要求》,運行于環境溫度20℃以上的發電機機內氫氣露點不大于0℃,不小于-25℃,運行于環境溫度0-20的發電機機內氫氣露點不大于-5,不小于-25。由于發電機氫氣干燥循環只是部分循環,為了滿足發電機內氫氣濕度要求,氫氣干燥器的出口氫氣工作壓力下的露點最佳范圍是-15℃—-25℃。

發電機內的水分來源主要是密封油中的水分、制氫站來氫中的水分及剛檢修完的機組中內部殘留的水分等。目前國內氫冷發電機頂軸密封潤滑油中的含水量普遍較高,在發電機不漏油的情況下,密封油中的少量水分滲透過密封軸瓦進入到發電機內的氫氣中,在發電機漏油的情況下,大量的水分直接蒸發到發電機內氫氣中。目前我國大部分發電機存在密封油向機內滲漏或漏油的情況?傮w來看,國產發電機內的氫氣中水分來源普遍較大。

根據我們的經驗,目前能夠使所有漏油較嚴重、氫氣濕度較大的200-600MW發電機內氫氣濕度在72小時內達標的在線氫氣干燥器,必需滿足以下條件:氫氣干燥器必需耐油污染,并能順利的排油、排污;對于間歇式除濕的氫氣干燥器,其氫氣處理量應在80Nm3/h以上,出口氫氣工作壓力下的露點在-15-25的持續除濕時間應不少于2小時,間歇時間應不大于1小時。對于持續除濕的氫氣干燥器,出口氫氣工作壓力下的露點在-15-25℃范圍內,氫氣處理量應在50Nm3/h以上。為確保適用于所有發電機的氫氣除濕,氫氣干燥器必需滿足以上條件,才能推廣應用。

幾種類型的氫氣干燥器的除濕原理簡介和優缺點分析

氫氣去濕的方法主要分兩種,一種是冷凝式除濕,即:使用制冷設備將氫氣的溫度降低,使其中的水分以結露或結霜的形式析出,再經過化霜將析出的水分排出,從而達到氫氣去濕的目的。根據使用制冷設備的不同,冷凝式除濕裝置又分為機械制冷式和電子制冷式二種。通常前者稱冷凝式氫氣干燥器,后者稱電子致冷式(或稱半導體致冷式)氫氣干燥器。另一種是吸附式除濕,即:使氫氣以一定的速度流過裝有吸濕劑的容器,使其中的水分被吸濕劑吸收,從而達到氫氣去濕的目的。

1. 電子制冷式氫氣干燥裝置

電子制冷是二十世紀五十年代發展起來的人工制冷技術,其制冷方法是:在兩塊金屬板之間按相同方向排列大量的P、N型半導體材料,形成同向的異種導體接觸面(PN結),制成制冷組件。當給制冷組件通以一定的直流電流時,異種導體接觸面將發生珀爾貼效應,其一端(熱瑞)溫度升高放出熱量,另一端(冷瑞)溫度降低吸收熱量,因而達到制冷的目的。由于電子制冷不存在轉動設備,因此電子制冷式氫氣干燥器具有無磨損、無振動、無噪音、不污染環境、維護量小等優點。但電子制冷技術至今仍無較大發展,原因是目前半導體制冷組件的珀爾貼效應仍然較弱,制冷效率很低。同時發生珀爾貼效應的異種導體接觸面較薄,材料的導熱系數較大,冷、熱面的熱傳導較強,因此電子制冷不利于保溫,隨著制冷深度的增加,冷、熱面的熱傳導加強,電子制冷的制冷效率會進一步變低(30℃對-15℃的能量制冷利用率不到10%,實際制冷系數不到0.4)。用半導體制冷組件進行低溫制冷很不經濟,目前還只適用于微小環境的制冷,不適用于要求制冷量較大的發電機的氫氣除濕。受體致冷件的性能、量以及制冷的深度和效果,電子致冷式氫氣干燥器存在以下缺點:造價高;制冷系數較低,行大容量低制冷能耗高,因而行成本很高,很不經濟,故在實際中使用少,里不作重點介。

2. 冷凝式氫氣干燥器裝置

冷凝式氫氣干燥裝置起原于前蘇聯,是前蘇聯至今一直延用的發電機在線氫氣干燥裝置。在上世紀90年代起,我國開始開發生產這種形式的氫氣干燥裝置。其有代表性的結構和原理如下:

設備結構分成氫氣除濕系統、制冷系統、電器控制系統三大部分。

制冷系統由壓縮機、冷凝器、貯液器(水冷型設備無貯液器)、干燥過濾器、電磁閥、視液鏡、熱力膨脹閥、蒸發器、氣液分離器等組成。

氫氣除濕系統由冷卻器、回熱器、貯水罐、排污門、排水門等組成。

電氣控制系統主要由可編程控制器、繼電器、溫度控制器、信號燈、電磁閥等元件構成。

制冷原理:

從低壓管來的制冷劑氣體被壓縮機吸入,經壓縮機壓縮后,成為高溫高壓氣體進入冷凝器,在冷凝器內與外部空氣(或水 )進行熱交換,把制冷劑在蒸發器內所吸收的熱量和壓縮機做功的熱量釋放出來,使高溫高壓制冷劑蒸汽冷凝為高壓液態制冷劑,高壓液態制冷劑經貯液器(水冷型設備冷凝器兼做貯液器)、干燥過濾器、電磁閥、視液鏡進入熱力膨脹閥,由熱力膨脹閥節流減壓后變成低壓液態制冷劑進入蒸發器,在蒸發器內,通過蒸發器管壁吸收冷卻器內氫氣的熱量,沸騰氣化為氣態,再經氣液分離器,將未蒸發盡的液態制冷劑和氣態制冷劑分離,液態制冷劑在氣液分離器內繼續蒸發變為氣態制冷劑,氣態制冷劑經低壓管再進入壓縮機。如此循環,不斷吸收冷卻器內氫氣的熱量,達到將氫氣冷卻去濕的目的。

氫氣除濕原理:

來自發電機的熱濕氫氣從氫氣干燥器的氫氣進口進入干燥器后,首先要經過回熱器,在回熱器內與由冷卻器出來回到回熱器的低溫干燥氫氣進行完全熱交換,被初步降溫,此時濕氫氣中的一部分水蒸汽將凝結析出。然后,濕氫氣再進入冷卻器,在冷卻器內被深冷卻,使氫氣中的水蒸汽充分的凝結析出,此時的氫氣成為低溫干燥的氫氣。低溫干燥氫氣由冷卻器出來后返回回熱器,在回熱器內與由發電機來的熱濕氫氣進行完全熱交換,被加熱到接近發電機來的熱濕氫氣的溫度,此時的氫氣成為熱干的氫氣。熱干的氫氣最后經干燥器的氫氣出口管返回發電機。

冷卻器中結霜達到一定時間后,設備將停止制冷工作,啟動加熱化霜工作將霜化成水,化霜完畢后再重新投入除濕運行。霜化成的水經排水管進入貯水罐,當罐中的水位達到一定高度時,水位傳感器將輸出信號,水位指示燈亮。提示操作人員打開放水閥門將水放出。

優缺點分析:

冷凝式氫氣干燥器采用機械制冷和金屬換熱器結構,具有制冷溫度低、效率高、制冷量和制冷溫度容易控制、內部風阻小、除濕流量大、除濕效果好、不受氫氣中的油污、灰塵影響、氫氣系統獨立密閉無氫氣泄漏之慮等優點,因此獲得了廣泛應用。至2000年,我國已將老式無再生或體外再生吸附式干燥器淘汰,全部使用冷凝式氫氣干燥器。由于當時技術和經驗所限,加之生產廠家大多以手工生產為主,受生產工人技術水平的影響較大,因此,這一時期的設備普遍存在外觀粗糙、質量、性能參差不齊、故障率高等問題。主要的故障原因是制冷管路連接工藝不佳,制冷劑容易泄漏,造成設備不制冷故障;其次是制冷系統不夠潔凈,制冷膨脹閥容易臟堵,造成不能正常制冷和壓縮機的磨損嚴重等問題。90年代,以往采用的制冷劑R12被禁止生產,冷凝式氫氣干燥器又存在因環保問題而必須更新換代的問題?梢哉f這些問題都是技術和工藝不良方面的問題,通過技術的提高和工藝的改進是不難解決的。

我們知道,機械制冷技術目前已是一種十分成熟的技術,它可以比較經濟的實現很大的制冷量和很低的制冷溫度,已被廣泛應用,占據國民經濟達20%的比重。由于目前環保制冷劑(R134A、R 404 A、R410A等)已全面應用,機械制冷已不必為環保問題擔心。制冷技術的進步和優質配件支持的廣泛性決定,以住冷凝式氫氣干燥器所存在的問題至今已不是問題。目前,機械制冷技術更加先進、配件易購、運行成本低廉、制冷專業人員眾多等優勢為冷凝式氫氣干燥器的應用創造了一個絕佳的大環境。

3.再生吸附式氫氣干燥裝置

吸附式干燥器是歐美國家一直延用的發電機氫氣在線干燥裝置,雙塔封閉再生吸附式干燥器是美國上世紀90年代末首先開始生產使用的。當時正值國內冷凝式氫氣干燥器存在故障率較高、R12制冷劑將禁止生產等問題,因此我國開始引進和開發生產雙塔封閉再生吸附式氫氣干燥裝置。2000年后,國內氫氣干燥器生產廠家開始一邊倒的推薦這種氫氣干燥裝置。目前,國內各廠家生產的吸附式氫氣干燥裝置除天津凈化設備廠外,其它技術原型均來自美國LECTRODRYER公司BAC-50型吸附式氫氣干燥器,結構原理大同小異。

典型結構原理如下:

設備主要由2個吸收塔,四通導向閥、除油器、冷卻器、氣水分離器等部件組成,每個吸收塔內置吸濕劑、電加熱器和再生循環風機。采用雙塔切換吸附的運行方式對氫氣進行干燥,封閉在再生系統內的氫氣由吸收塔內的風機推動和四通閥導向始終流過工作在再生狀態的吸收塔,被干燥氫氣則由四通閥導向始終流過處于吸濕狀態的吸收塔,因此能夠對氫氣進行不間斷的干燥。整個工作過程由PLC按預定程序自動控制,把氫氣流從已飽和的吸濕塔中轉移到剛完成再生過程的吸濕塔中,并將已飽和的吸濕塔置于再生循環中。氣體循環、干燥和再生的切換、再生加熱、濕氣的冷卻均為自動進行。

吸收塔內部結構和工作原理:

吸收塔上部裝滿吸附干燥劑,埋置式電加熱器埋置于干燥劑中,中下部設有不銹鋼網板制成的濾網,承載干燥劑。底部裝有離心式風機,風機的主要作用是吸附劑再生時產生再生循環氣流。在吸收塔工作時,濕氣從吸收塔下部進入,流經填塞的分子篩吸附劑被干燥后,從上部濾網流出,經出口管路進入發電機。吸收塔再生時,由內置的風機推動氫氣從吸收塔底部進入,流經填塞的分子篩吸附劑,把埋置式電加熱器將分子篩加熱后脫附分離出來的水氣帶出,并從上部濾網流出,流進冷卻器進行冷卻,冷凝出的水經氣水分離器分離排出。

吸附劑13X分子篩是一種具有立方晶格的硅酸鹽化合物。其分子式:Na2O. Al2O3 2.45SIO2. 6.OH2O。它具有很大的比表面積,分子篩具有均勻的微孔結構,其孔徑為10A,可吸附小于10A 的極性分子,能把比其直徑小的分子吸附到孔穴的內部中來,受熱或減壓后會將收附的分子釋放。13X靜態吸水量為21%,吸附量大,吸附深度高,單塔設計吸水量為6kg。分子篩使用一定的時間后,需要再生。再生的溫度高,則再生的就完全。但溫度高消耗的能量較大,對容器制造材料要求提高、設備造價大幅升高,并會降低分子篩的使用壽命。因此,分子篩的再生溫度在110-120℃較好,再生溫度120℃或再生出口溫度110℃時,兩者任一值達到限值,電加熱器即停止工作。

優缺點分析:

封閉再生吸附式氫氣干燥器具有出口氫氣濕度小、可持續除濕、除濕效果好,干燥劑可再生重復使用,干燥劑再生不消耗氫氣、振動和噪音小,不易出故障、維修操作無需專業人員等優點。

由于采用吸濕劑除濕,再生吸附式氫氣干燥裝置主要缺點是氫氣中的油污、灰塵對除濕效果影響很大,甚至使吸濕劑失去除濕能力。 吸濕劑在再生加熱時和冷卻時都會產生溫度的不均勻變化,如加熱時,吸濕劑顆粒外部先熱,內部后熱;冷卻時干燥劑顆粒外部先冷、內部后冷,由于熱脹冷縮原因產生內應力變化,這種變化最終將導致吸濕劑顆粒粉末化,粉末可能由氫氣流帶入發電機內,造成對發電機的污染,因此必須定期清洗或更換吸濕劑,維護工作量較大,運行成本較高。為克服油污和吸濕劑粉末化的不良影響,吸收塔前后都要加裝過濾裝置,使設備復雜化,同時維護量也加大。

隨著封閉再生吸附式氫氣干燥裝置的大量應用,這種干燥裝置的一些其它問題也不斷顯現出來,比如:吸附式氫氣干燥裝置安裝較為復雜。使用方面,由于其結構為一塔吸濕另一塔再生,再生回路獨立封閉,因此,氣體置換時需要單獨操作置換,比較麻煩,而且必須認真謹慎,如果操作不當,獨立封閉的吸收塔不能參與氣體置換,內部將存有空氣。投入運行后,四通閥導向使獨立封閉的吸收塔打開時,將導致產生氫氣與空氣的混合氣體,輕則影響發電機內的氫氣純度,重則會產生爆炸、然燒等重大事故。操作方面,由于法蘭式密封面較多,四通閥柄是動態密封結構,因此泄漏可能性較大,每次維修后或使用前都要打壓試漏,檢修前后和投入運行前后都需要單獨進行氣體置換,操作不當會有一定的危險性。投入運行時須調整多項參數,如再生氣流量、再生溫度等,比較麻煩。

另外,由于吸附劑的性質是能把比其直徑小的分子吸附到孔穴的內部中來,因此,當吸附劑接觸空氣時將吸收大量的空氣,包括氧氣。如果氣體置換時使用二氧化碳,則又會吸附大量的二氧化碳。在干燥器投入運行后,在再生過程中將這些氣體脫附釋放出來,會在密封的再生系統中形成氫氣和空氣或二氧化碳的混合氣,輕則會在一定程度上影響發電機內氫氣純度,重則由于再生系統內有電加熱器,可能點燃混合氣發生然燒或爆炸。如果發電機漏油,吸附劑會吸附一定量的油,加熱再生時發生分解,分解出的氣體也會影響氫氣的純度。如果發電機內氫氣中含有少量的氧氣,則氧氣會在吸附劑中聚集,也可能在再生過程中集中釋放發生危險。

2002年黑龍江富拉爾基發電廠吸附干燥器著火燒毀和2006年徐州徐塘電廠吸附式干燥器爆炸燒毀事件也從某個側面說明了目前吸附式干燥器存在一定的危險性。

值得說明的是,美國一些相關公司早已發現了這些問題,據美國西屋公司資料介紹,氫氣純度每提高一個百分點,發電機會減少風摩損耗等,每年可節省二萬八仟多美元,E/ONE公司早在2004年便據此設計了新型的吸附式氫氣干燥器,現摘錄如下,供國內相關生產廠家借鑒。摘錄見以下小字:

雙塔型氫氣干燥器再生方式的革命

雙塔型氫氣干燥器采用一塔工作、一塔再生循環交替的工作方式對發電機內的氫氣進行連續在線干燥。目前,大多數氫氣干燥器均采用閉環再生的方式,即對需要再生的干燥塔充分加熱,使之釋放出工作時吸附的水氣和污染物,用氣流帶出,再用水冷卻氣流,使其中大部分水汽冷凝成液態析出,冷卻后的氣流再進入循環。顯然,這部分氣流中將仍然含有不少水汽和污染物,甚至氧氣,存在危險性和限制了回路中氫氣純度的進一步提高。

e-one 公司于2004年推出的新一代雙塔型氫氣干燥器采用開環方式進行再生,將再生塔釋放出水氣和污染物全部排空,徹底清除了干燥塔工作時所吸附的污染和水氣,大幅度提高回路中氫氣純度;同時也省去了水冷卻系統,降低了運轉費用。其代價只是多消耗了少量氫氣(每次再生約放空6-10M3的回路氫氣)。由于再生徹底,再生塔每次可連續工作15天以上,甚至30天(強制切換)。因而,這種再生方法在全年運行中,所消耗的氫氣是非常有限的。(平均每天少于1M3,而300MW機組允許漏氫量為:8 m3/24h)由于氫氣純度的提高,風摩損耗的減少,其經濟效益十分明顯。

e-one 公司的新一代雙塔型氫氣干燥器改變了過去雙塔定時切換的工作方式,通過對進出口露點的設定和監測,進行自動切換,使系統始終處于穩定的最佳運行狀態,保證氫氣純度的提高,效果十分理想。

高安全性:

由于氫氣和氧氣混合后有產生爆炸的危險,設備又工作在高壓可燃環境下。GGD定制了專用的防爆氫氣吹風機和電動機,在絕對安全的條件下,大幅度提高了氫氣流量。GGD本身又為阻燃結構,系統采用了本安型防火、防爆設計, 嚴格執行歐洲安全標準(Ex IIC, CE,確保運行安全可靠。

高可靠性:

GGD氣體干燥器采用分子篩干燥劑去除濕氣。GGD在入口處增加了一個油氣分離器,防止油漬等污染物進入干燥器,確保了分子篩的效能;出口處增加過濾器,防止吸附劑碎片進入發電機或氣體管道,確保了系統的可靠運行。

高精度:

露點檢測儀測量精度高;按露點的設定自動進行切換,保證氫氣純度,從而保證高運行效率。

徹底去除污染物:

GGD開啟再生式氣體干燥器是從再生筒內去除油污、濕氣最有效的方法,與封閉再生式干燥器相比,它可以通過提高再生溫度,使吸附劑再生得更徹底;它將再生氣體完全放空,徹底排除了污染;它不需要提供冷卻水,節省了設備投資和運行費用,也更適合缺水地區使用。開啟再生式系統在再生時要消耗一些氫氣,再生周期為15-30天,每次再生大約(2-3)小時,一次再生共約消耗氫氣6立方米,平均漏氫量遠低于國家標準所允許的漏氫量(8立方米/天)。

多微處理器電子系統:

GGA采用多微處理器技術,分別組成測量、校正模式選擇,傳感器與控制,報警接觸,出錯記錄,系統輸入/輸出,校準和自診斷等子系統。

由于排氫再生有點復古的感覺,類似于80年代美國發電機組采用的減壓排氫再生硅膠罐,因此,E/ONE公司的新產品不一定能為我國接受,但至少可以給我們提供設計新型吸附式氫氣干燥器的思路,比如:可以考慮首次再生時氫氣排空,以后采用密封再生方式,或設計新型半開放再生方式等。不過還是不如干脆使用冷凝式氫氣干燥器,所有影響氫氣純度問題都解決了。

結語:

通過以上的分析,我們可以看出冷凝式氫氣干燥器能夠適用于所有的氫冷發電機,具有除濕量大,不怕油污、灰塵影響,不污染氫氣,無氫氣泄漏之慮,運行成本低廉,安全可靠,維修維護簡單方便等優點。相比于其它型式的氫氣干燥器,具有其特有的不可替代的優勢,更適合用作發電機的氫氣除濕。隨著技術和工藝的進步,冷凝式氫氣干燥器必將可以做到如目前的空調和冰箱一樣無故障免維護的運行。

再生吸附式干燥器適用于漏油情況較少的發電機。使用過程中應注意維修前后和使用前用氮氣嚴格氣體置換,使用前和維修后嚴格試漏,并應經常檢查有無氫氣泄漏,以避免危險情況的發生。

電子致冷式氫氣干燥器由于受電子致冷技術的限制,造價高,運行能耗過高,很不經濟,應盡早淘汰。

張啟來


 
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