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(yīng)用，本文對這兩種氫氣在線干燥裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點作了介紹，并對兩種設(shè)備使用情況作了比較，以供有關(guān)工程技術(shù)人員在實踐中參考。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機；氫氣；干燥；吸附；制冷；裝置
1 前言
在氣體介質(zhì)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(shù)是空氣的1.51倍，導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的6.69倍；同時氫氣的密度小，通風(fēng)損耗小；現(xiàn)在制氫技術(shù)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(fā)電機內(nèi)部發(fā)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(fā)電機中普遍使用。氫冷發(fā)電機內(nèi)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(dǎo)致氣體平均密度增加，增加通風(fēng)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(fā)為水蒸汽，使微細擊穿點之間氫氣介質(zhì)導(dǎo)電率升高,另一方面由于水汽吸附在絕緣層上，侵入絕緣內(nèi)部的水將造成內(nèi)部導(dǎo)體與外部絕緣表面電位相等，成為等電位體,導(dǎo)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(chǎn)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(fā)電機氫氣的濕度在規(guī)程允許的范圍內(nèi)，并做好氫氣濕度的控制措施”。
根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T651-1998《氫冷發(fā)電機氫氣濕度的技術(shù)要求》：發(fā)電機內(nèi)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(fā)電機內(nèi)溫度有關(guān)，發(fā)電機溫度為5℃時氫氣濕度高限值為-5℃，發(fā)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(nèi)氫氣濕度越低越好。如果發(fā)電機內(nèi)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(jié)構(gòu)松弛，嚴重時甚至絕緣塊會產(chǎn)生裂紋，所以上述標準規(guī)定了氫氣濕度的下限值。
為了降低發(fā)電機內(nèi)氫氣濕度，通常采用的三種方法為：壓縮制冷干燥法、半導(dǎo)體制冷氫氣干燥和吸附干燥法。
半導(dǎo)體制冷是50年代發(fā)展起來的制冷技術(shù)，它建立在帕爾帖效應(yīng)的基礎(chǔ)上，其工作原理是：當直流電源給半導(dǎo)體制冷組件通以要求的直流電源時，出于帕爾帖效應(yīng)，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(nèi)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(dǎo)體制冷組件的性能、質(zhì)量以及制冷的深度和效果對設(shè)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(shù)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(jīng)濟，故在實際生產(chǎn)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(fā)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(fā)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(fēng)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(huán)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(xù)進行。由同一臺氫氣風(fēng)機增壓后同時進行兩個循環(huán)。較大量的氫氣進行主循環(huán)（約250Nm3/h）。主循環(huán)為干燥循環(huán)：發(fā)電機來氫氣（濕氣）——風(fēng)機加壓——油分離器過濾——干燥筒內(nèi)干燥——氫氣回發(fā)電機（大部分氫氣）；副循環(huán)為再生循環(huán)：發(fā)電機來氫氣（濕氣）——風(fēng)機增壓——油分離器過濾——干燥筒內(nèi)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(jīng)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(fēng)機進口。通過調(diào)節(jié)干燥氣和再生氣的氣量分配比，來調(diào)節(jié)發(fā)電機內(nèi)部的氫氣的濕度，以滿足對機內(nèi)濕度的不同要求（使機內(nèi)濕度不至于過低），循環(huán)干燥量可在30-200Nm3/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。氣體循環(huán)、干燥和再生的切換、再生加熱、濕氣的冷卻均為自動進行。
1） 干燥筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)
干燥筒由內(nèi)筒、外筒及U型電加熱棒組成，干燥劑裝在內(nèi)、外筒之間，干燥劑采用13X分子篩，U型電加熱棒布置于內(nèi)筒，內(nèi)筒底部設(shè)有不銹鋼網(wǎng)布制成的濾網(wǎng)，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(jīng)內(nèi)外筒填塞的分子篩并從下部濾網(wǎng)進入內(nèi)筒，然后從內(nèi)筒上部流出；在干燥筒再生時，已干燥的氫氣從干燥筒內(nèi)筒上部進入，經(jīng)下部濾網(wǎng)進入內(nèi)筒流入外筒，將分子篩中經(jīng)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部中來，13X靜態(tài)吸水量為21%。因而其吸附量大，單筒設(shè)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(fēng)機結(jié)構(gòu)
吸附式氫氣干燥裝置由于配備有增壓風(fēng)機，所以在發(fā)電機停運情況下，仍可對發(fā)電機內(nèi)氫氣進行干燥，采用專門為氫氣干燥器研制的磁力驅(qū)動風(fēng)機，風(fēng)壓大，可達24.5kPa以上，風(fēng)量可達250Nm3/h或更大，氫氣增壓風(fēng)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(nèi)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(lián)軸器采用磁性聯(lián)軸器，故驅(qū)動形式為磁力驅(qū)動，內(nèi)、外磁性聯(lián)軸器通過中間隔離套隔開，使軸封由動密封變?yōu)殪o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(fā)電機內(nèi)的氫氣靠發(fā)電機風(fēng)扇前后壓差力的推動，或氫氣管道風(fēng)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(tǒng)和換熱系統(tǒng)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(jié)露或結(jié)霜的形式分離出來，再經(jīng)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(jīng)換熱系統(tǒng)升溫后返回發(fā)電機。
1）制冷原理：
從低壓管來的制冷劑氣體被壓縮機吸入，經(jīng)壓縮機壓縮后，成為高溫高壓氣體進入冷凝器，在冷凝器內(nèi)與外部空氣進行熱交換，把制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)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(tài)制冷劑，高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)貯液器（水冷型設(shè)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(jié)流減壓后變成低壓液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)，通過蒸發(fā)器管壁吸收冷卻器內(nèi)氫氣的熱量，沸騰氣化為氣態(tài)，再經(jīng)過氣液分離器，將未蒸發(fā)盡的液態(tài)制冷劑和氣態(tài)制冷劑分離，液態(tài)制冷劑在氣液分離器內(nèi)繼續(xù)蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)制冷劑，氣態(tài)制冷劑經(jīng)低壓管再進入壓縮機。如此循環(huán)，不斷吸收冷卻器內(nèi)氫氣的熱量，達到將氫氣冷卻的目的。
2） 氫氣除濕系統(tǒng)的工作原理
來自發(fā)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(jīng)過回熱器，在回熱器內(nèi)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(jié)析出。然后，這股氫氣再進入冷卻器，在冷卻器內(nèi)被深冷卻，使氫氣中的水蒸氣充分的凝結(jié)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(nèi)與發(fā)電機來的熱濕氫氣進行完全熱交換，被加熱到接近發(fā)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(jīng)干燥器的氫氣出口管返回發(fā)電機。
冷卻器中結(jié)霜到一定時間后，設(shè)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。
3 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(fù)雜，氣體置換時需要單獨操作置換，使用時須調(diào)整多項參數(shù)，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(lián)接氫氣管路、接通電源既可，氣體置換與發(fā)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(fā)電機內(nèi)氫氣露點溫度通常能達到-25℃以下，經(jīng)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(fā)電機內(nèi)氫氣露點溫度一般在-20℃左右，無須經(jīng)常操作。
2 維護情況：吸濕劑在再生加熱時和冷卻時都會產(chǎn)生溫度的不均勻變化，如加熱時，吸濕劑顆粒外部先熱，內(nèi)部后熱；冷卻時干燥劑顆粒外部先冷，內(nèi)部后冷。由于熱脹冷縮原因產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力變化，這種變化最終將導(dǎo)致吸濕劑顆粒粉末化并失效，粉末可能由氫氣流帶入發(fā)電機內(nèi)，造成對發(fā)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(zhì)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(jīng)常更換吸附劑，這在發(fā)電機有漏油的情況時必須注意。增壓風(fēng)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(jīng)常性轉(zhuǎn)動的密封軸封，容易泄漏，在檢修工作結(jié)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(tǒng)是獨立封閉的系統(tǒng)，不怕油污和灰塵的影響，不用檢修，發(fā)生泄漏的可能性很小。其主要的維護工作是冷凍系統(tǒng)，維修工作空調(diào)制冷專業(yè)人員即能勝任，檢修時也無須解裂和置換氫氣系統(tǒng)。
冷凍式氫氣去濕裝置能較好地控制氫氣濕度在規(guī)定的范圍內(nèi)，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(jīng)常對出口流量和再循環(huán)流量進行調(diào)整。由于對發(fā)電機氫氣濕度控制不好，某公司在#1、#2機組發(fā)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(fā)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(fā)電機運行時轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇的隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生差壓進行工作，當發(fā)電機在停運備用狀態(tài)下，機內(nèi)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(huán)風(fēng)機。吸附式氫氣干燥裝置因配備有增壓風(fēng)機，但石墨滑片在運行中不斷磨損，如不采取措施，易影響發(fā)電機氫氣品質(zhì)。吸附式氫氣干燥裝置在增壓風(fēng)機后設(shè)有除油器，一方面除去增壓風(fēng)機滑片磨損時產(chǎn)生的石墨粉，另一方面，除去發(fā)電機來的密封油，防止分子篩發(fā)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(nèi)置風(fēng)機為離心式風(fēng)機，只能在吸附劑加熱再生時提供再生循環(huán)氣流，其產(chǎn)生的氫氣壓差很小，大約20毫米高水柱壓差，遠遠小于發(fā)電機風(fēng)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(huán)的氣流，不要想信某些生產(chǎn)廠家的誤導(dǎo)。）
5 制冷式氫氣干燥裝置具有去濕和降溫雙重功能，對發(fā)電機的冷卻有利。壓縮制冷技術(shù)歷史悠久，技術(shù)成熟，配件易購，具有較高的安全可靠性，隨著環(huán)保意識日益提高，目前制冷劑已全面采用環(huán)保型的新型制冷介質(zhì)，已無環(huán)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(fā)電機氫氣純度，如果發(fā)電機漏油，吸附劑會吸附一定量的油，加熱再生時發(fā)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(huán)風(fēng)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。
4結(jié)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(jié)構(gòu)特點及運行、維護情況比較發(fā)現(xiàn)
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(fā)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(xiàn)干燥桶和再生桶之間的自動切換,但對發(fā)電機氫氣濕度控制方面尚不能實現(xiàn)自動控制，在運行中發(fā)電機氫氣濕度有超標現(xiàn)象，制冷式氫氣在線干燥裝置在這方面有更優(yōu)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。
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