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兩種氫氣在線干燥裝置在大型電站的應用
發表時間:2018-11-20     閱讀次數:     字體:【

摘 要:吸附式氫氣在線干燥裝置和制冷式氫氣在線干燥裝置在大型電站中被廣泛應用,本文對這兩種氫氣在線干燥裝置的結構、工作原理、特點作了介紹,并對兩種設備使用情況作了比較,以供有關工程技術人員在實踐中參考。

關鍵詞:發電機;氫氣;干燥;吸附;制冷;裝置
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前言
在氣體介質中,氫氣比空氣和其他氣體有更好的冷卻性能,如純氫氣的表面散熱系數是空氣的1.51倍,導熱系數為空氣的6.69倍;同時氫氣的密度小,通風損耗;現在制氫技術可使氫氣純度達到99.9%以上,氫氣中含氧量低于2%時,不助燃,不燃燒,不爆炸,即使發電機內部發生短路故障,也不會有著火危險,從而可使故障的損壞程度大為減輕,故氫氣在大容量機組發電機中普遍使用。氫冷發電機內的氫氣濕度超標問題也越來越引起人們的重視。氫氣濕度過大,不僅會降低氫氣的純度,導致氣體平均密度增加,增加通風損耗,而且會降低定子繞組的絕緣強度,因為水分在運行中會蒸發為水蒸汽,使微細擊穿點之間氫氣介質導電率升高,另一方面由于水汽吸附在絕緣層上,侵入絕緣內部的水將造成內部導體與外部絕緣表面電位相等,成為等電位體,導致定子繞組的絕緣強度降低。在國家電力公司制定的《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中明確提出要嚴格控制氫冷發電機氫氣的濕度在規程允許的范圍內,并做好氫氣濕度的控制措施。

根據電力行業標準DL/T651-1998《氫冷發電機氫氣濕度的技術要求》:發電機內氫氣在運行濕度的低限為露點溫度-25℃,允許氫氣濕度的高限與發電機內溫度有關,發電溫度為5℃時氫氣濕度高限值為-5℃,發電機溫度為≥10時氫氣濕度高限值為0℃。事實證明,并不是機內氫氣濕度越低越好。如果發電機內的氫氣濕度過低,由于氣體太干燥,會造成絕緣收縮,引起固定結構松弛,嚴重時甚至絕緣塊會產生裂紋,所以上述標準規定了氫氣濕度的下限值。
為了降低發電機內氫氣濕度,通常采用的三種方法為:壓縮制冷干燥法、半導體制冷氫氣干燥和吸附干燥法。
半導體制冷是50年代發展起來的制冷技術,它建立在帕爾帖效應的基礎上,其工作原理是:當直流電源給半導體制冷組件通以要求的直流電源時,出于帕爾帖效應,其一端(冷端)溫度將降低而吸收熱量,另一端(熱端)將溫度升高而放出熱量,冷端與除濕換熱器緊密接觸而使除濕換熱器整體降溫,當氫氣流過除濕換熱器內部管道時也被降溫,其中的水分被冷凍分離,然后通過緩霜工作使之融化成水,流入底部的集水罐中定期排放,從而達到氫氣除濕的目的。半導體制冷組件的性能、質量以及制冷的深度和效果對設備性能制約很大,存在以下缺點:造價高,運行不可靠;制冷系數較低,進行大容量低溫制冷能耗極高,因而運行成本高,很不經濟,故在實際生產中使用較少,這里不作重點介紹。

目前某公司一期2×300MW機組發電機在線氫氣干燥裝置選用吸附式氫氣干燥裝置,二期4×600MW機組發電機每臺機組配備有二臺制冷式氫氣在線干燥裝置。下面就實際運行情況對二種在線氫氣干燥裝置進行介紹。

2 二種在線氫氣干燥裝置的情況概述
2.1
吸附式氫干燥裝置
某公司吸附式氫氣干燥裝置主要由干燥筒、增壓風機、除油器、氣水分離器、冷卻器等幾部分組成。該裝置采用雙筒切換吸附式干燥器對氫氣進行外循環干燥,其中一個筒吸附,另一個筒再生,定時交替切換,以使干燥過程連續進行。由同一臺氫氣風機增壓后同時進行兩個循環。較大量的氫氣進行主循環(約250Nm3/h)。主循環為干燥循環:發電機來氫氣(濕氣)——風機加壓——油分離器過濾——干燥筒內干燥——氫氣回發電機(大部分氫氣);副循環為再生循環:發電機來氫氣(濕氣)——風機增壓——油分離器過濾——干燥筒內干燥——少部分氫氣去加熱再生另一只干燥筒——含再生水的氫氣經水冷卻器冷卻——水分離器分離游離水——分離出游離水的氫返回風機進口。通過調節干燥氣和再生氣的氣量分配比,來調節發電機內部的氫氣的濕度,以滿足對機內濕度的不同要求(使機內濕度不至于過低),循環干燥量可在30-200Nm3/h范圍內調節。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。
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) 干燥筒內部結構
干燥筒由內筒、外筒及U型電加熱棒組成,干燥劑裝在內、外筒之間,干燥劑采用13X分子篩,U型電加熱棒布置于內筒,內筒底部設有不銹鋼網布制成的濾網,防止分子篩進入。在干燥筒工作時,濕氣從干燥筒外筒上部進入,流經內外筒填塞的分子篩并從下部濾網進入內筒,然后從內筒上部流出;在干燥筒再生時,已干燥的氫氣從干燥筒內筒上部進入,經下部濾網進入內筒流入外筒,將分子篩中經加熱后分離出來的水氣外筒上部帶出。
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10A,吸附小于10A 任何分子,這些微小的孔穴直徑大小均勻,能把比其直徑小的分子吸附到孔穴的內部中來,13X靜態吸水量為21%。因而其吸附量大,單筒設計容量6kg 水,吸附深度高。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。并可能影響分子篩的使用壽命。因此,分子篩的再生進口溫度在120℃較好。再生出口溫度80時,兩者任一值達到限值,電加熱器即停止工作。
2
) 增壓風機結構
吸附式氫氣干燥裝置由于配備有增壓風機,所以在發電機停運情況下,仍可對發電機內氫氣進行干燥,采用專門為氫氣干燥器研制的磁力驅動風機,風壓大,可達24.5kPa以上,風量可達250Nm3/h或更大,氫氣增壓風機因其特殊的工作場合,要求具有防爆性能,故它的主要工作部件如滑片、殼體內腔、氣密封組件等都采用石墨、碳化硅等非金屬材料,且其工作部分和外部空氣完全隔絕,聯軸器采用磁性聯軸器,故驅動形式為磁力驅動,內、外磁性聯軸器通過中間隔離套隔開,使軸封由動密封變為靜密封,消除H2泄漏的隱患,因而保證安全運行。
2.2
冷凝式氫氣干燥裝置
工作原理概述:發電機內的氫氣靠發電機風扇前后壓差力的推動,或氫氣管道風機的推動不斷地流過氫氣干燥器。冷凝式氫氣干燥器利用制冷系統和換熱系統將流過氫氣干燥器的氫氣冷卻,使其溫度降到露點以下,使其中的水蒸汽以結露或結霜的形式分離出來,再經過熱沖霜過程將霜化成水排出,從而達到降低氫氣濕度的目的。被冷卻的氫氣再經換熱系統升溫后返回發電機。
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)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(水冷型設備無貯液器)、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,再經過氣液分離器,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,達到將氫氣冷卻的目的。
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) 氫氣除濕系統的工作原理
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,此時氫氣中的一部分水蒸汽將凝結析出。然后,這股氫氣再進入冷卻器,在冷卻器內被深冷卻,使氫氣中的水蒸氣充分的凝結析出,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。
冷卻器中結霜到一定時間后,設備將停止制冷工作,啟動熱沖霜工作將霜化成水,化霜完畢后再重新投入除濕運行。
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二種在線氫氣干燥裝置使用中的體會

1 安裝和使用操作:吸附式氫氣干燥裝置安裝稍為復雜,氣體置換時需要單獨操作置換,使用時須調整多項參數,如再生氣流量、再生溫度等。制冷式氫氣干燥裝置安裝簡單,聯接氫氣管路、接通電源既可,氣體置換與發電機一起進行,無須進行特別操作。

吸附式氫氣干燥裝置具有較深的吸附程度,發電機內氫氣露點溫度通常能達到-25℃以下,經常需要操作停機,以免氫氣濕度下限超標,而制冷式氫氣在線干燥裝置發電機內氫氣露點溫度一般在-20℃左右,無須經常操作。

2 維護情況: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并失效,粉末可能由氫氣流帶入發電機內,造成對發電機的污染,因此必須定期更換吸濕劑,氫氣中如果有油或其它雜質灰塵,也會影響吸濕劑的性能,造成吸濕劑失效,有時基至必須經常更換吸附劑,這在發電機有漏油的情況時必須注意。增壓風機也需要定期更換滑片,吸附式氫氣干燥裝置由于裝置閥門、法蘭密封面較多,泄漏點也多,某些閥門柄上還存在經常性轉動的密封軸封,容易泄漏,在檢修工作結束后需進行氣密性試驗,檢修和投入運行前都需要單獨進行氣體置換,維護工作量較大。

冷凍式氫氣去濕裝置氫氣除濕系統是獨立封閉的系統,不怕油污和灰塵的影響,不用檢修,發生泄漏的可能性很小。其主要的維護工作是冷凍系統,維修工作空調制冷專業人員即能勝任,檢修時也無須解裂和置換氫氣系統。

冷凍式氫氣去濕裝置能較好地控制氫氣濕度在規定的范圍內,吸附式氫氣干燥裝置除濕能力強,但不易控制,在運行中需經常對出口流量和再循環流量進行調整。由于對發電機氫氣濕度控制不好,某公司在#1、#2機組發電機露點溫度低于-25℃時,停運氫干燥裝置,在高于-5℃時,開啟氫干燥裝置,采用上述方式來控制發電機氫氣濕度又增加了工作量。

4 制冷式氫氣去濕裝置依靠發電機運行時轉子兩端的風扇的隨轉子旋轉產生差壓進行工作,當發電機在停運備用狀態下,機內氫氣差壓消失,依靠壓差進氣的氫氣干燥器氫氣無法流動,干燥器不能對氫氣進行干燥,需另外配備循環風機。吸附式氫氣干燥裝置因配備有增壓風機,但石墨滑片在運行中不斷磨損,如不采取措施,易影響發電機氫氣品質。吸附式氫氣干燥裝置在增壓風機后設有除油器,一方面除去增壓風機滑片磨損時產生的石墨粉,另一方面,除去發電機來的密封油,防止分子篩發生油污染。

(值得說明的是,目前其它吸附式氫氣干燥器所采用的內置風機為離心式風機,只能在吸附劑加熱再生時提供再生循環氣流,其產生的氫氣壓差很小,大約20毫米高水柱壓差,遠遠小于發電機風扇前后氫氣的300毫米高水柱壓差,因此并不能提供和維持氫氣干燥循環的氣流,不要想信某些生產廠家的誤導。)

5 制冷式氫氣干燥裝置具有去濕和降溫雙重功能,對發電機的冷卻有利。壓縮制冷技術歷史悠久,技術成熟,配件易購,具有較高的安全可靠性,隨著環保意識日益提高,目前制冷劑已全面采用環保型的新型制冷介質,已無環保問題。

6 吸附式氫氣干燥裝置采用 13X分子篩或活性氧化鋁作為吸附劑,可用于催化劑載體、水和二氧化碳共吸附、水和硫化氫氣體共吸附,由于13X分子篩或活性氧化鋁對二氧化碳有吸附作用,在置換時如使用二氧化碳,分子篩會對二氧化碳進行吸附,并在再生過程中釋放,在一定程度上影響發電機氫氣純度,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。

7 吸附式氫氣在線干燥裝置由于裝有電加熱器及循環風機,故其需要更高的裝機容量,通常電源容量需5kW以上,而制冷式氫氣在線干燥裝置只有制冷壓縮機,一般只需3kW電源容量左右。
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結束語

通過對吸附式氫氣在線干燥裝置和制冷式氫氣在線干燥裝置結構特點及運行、維護情況比較發現
1.
吸附式氫氣在線干燥裝置和制冷式氫氣在線干燥裝都具有很好的去濕性能,能達到大型發電機組對氫氣濕度的要求。
2.
吸附式氫氣在線干燥裝置能實現干燥桶和再生桶之間的自動切換,但對發電機氫氣濕度控制方面尚不能實現自動控制,在運行中發電機氫氣濕度有超標現象,制冷式氫氣在線干燥裝置在這方面有更優越的性能。

3.吸附式氫氣在線干燥裝置維護工作量較大,安裝和使用操作麻煩,一次投入和運行成本都較高,冷凝式氫氣干燥器則維護量很小,一次投入和運行成本都較低。

參考文獻
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