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(diǎn)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(shí)踐中參考。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；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(shí)氫氣的密度小，通風(fēng)損耗?。滑F(xiàn)在制氫技術(shù)可使氫氣純度達(dá)到99.9%以上，氫氣中含氧量低于2%時(shí)，不助燃，不燃燒，不爆炸，即使發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障，也不會有著火危險(xiǎn)，從而可使故障的損壞程度大為減輕，故氫氣在大容量機(jī)組發(fā)電機(jī)中普遍使用。氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣濕度超標(biāo)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(qiáng)度，因?yàn)樗衷谶\(yùn)行中會蒸發(fā)為水蒸汽，使微細(xì)擊穿點(diǎn)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(qiáng)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(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確提出要“嚴(yán)格控制氫冷發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)DL/T651-1998《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度的技術(shù)要求》：發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣在運(yùn)行濕度的低限為露點(diǎn)溫度-25℃，允許氫氣濕度的高限與發(fā)電機(jī)內(nèi)溫度有關(guān)，發(fā)電機(jī)溫度為5℃時(shí)氫氣濕度高限值為-5℃，發(fā)電機(jī)溫度為≥10℃時(shí)氫氣濕度高限值為0℃。事實(shí)證明，并不是機(jī)內(nèi)氫氣濕度越低越好。如果發(fā)電機(jī)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(yán)重時(shí)甚至絕緣塊會產(chǎn)生裂紋，所以上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氫氣濕度的下限值。
為了降低發(fā)電機(jī)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(dāng)直流電源給半導(dǎo)體制冷組件通以要求的直流電源時(shí)，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(dāng)氫氣流過除濕換熱器內(nèi)部管道時(shí)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(dá)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(diǎn)：造價(jià)高，運(yùn)行不可靠；制冷系數(shù)較低，進(jìn)行大容量低溫制冷能耗極高，因而運(yùn)行成本高，很不經(jīng)濟(jì)，故在實(shí)際生產(chǎn)中使用較少，這里不作重點(diǎn)介紹。
目前某公司一期2×300MW機(jī)組發(fā)電機(jī)在線氫氣干燥裝置選用吸附式氫氣干燥裝置，二期4×600MW機(jī)組發(fā)電機(jī)每臺機(jī)組配備有二臺制冷式氫氣在線干燥裝置。下面就實(shí)際運(yùn)行情況對二種在線氫氣干燥裝置進(jìn)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(jī)、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(jìn)行外循環(huán)干燥，其中一個(gè)筒吸附,另一個(gè)筒再生，定時(shí)交替切換，以使干燥過程連續(xù)進(jìn)行。由同一臺氫氣風(fēng)機(jī)增壓后同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)。較大量的氫氣進(jìn)行主循環(huán)（約250Nm3/h）。主循環(huán)為干燥循環(huán)：發(fā)電機(jī)來氫氣（濕氣）——風(fēng)機(jī)加壓——油分離器過濾——干燥筒內(nèi)干燥——氫氣回發(fā)電機(jī)（大部分氫氣）；副循環(huán)為再生循環(huán)：發(fā)電機(jī)來氫氣（濕氣）——風(fēng)機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)內(nèi)部的氫氣的濕度，以滿足對機(jī)內(nèi)濕度的不同要求（使機(jī)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(jìn)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(jìn)入。在干燥筒工作時(shí)，濕氣從干燥筒外筒上部進(jìn)入，流經(jīng)內(nèi)外筒填塞的分子篩并從下部濾網(wǎng)進(jìn)入內(nèi)筒，然后從內(nèi)筒上部流出；在干燥筒再生時(shí)，已干燥的氫氣從干燥筒內(nèi)筒上部進(jìn)入，經(jīng)下部濾網(wǎng)進(jìn)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(jì)容量6kg 水，吸附深度高。分子篩使用一定的時(shí)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(jìn)口溫度在120℃較好。再生出口溫度80℃時(shí)，兩者任一值達(dá)到限值，電加熱器即停止工作。
2） 增壓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)
吸附式氫氣干燥裝置由于配備有增壓風(fēng)機(jī)，所以在發(fā)電機(jī)停運(yùn)情況下，仍可對發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣進(jìn)行干燥，采用專門為氫氣干燥器研制的磁力驅(qū)動風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓大，可達(dá)24.5kPa以上，風(fēng)量可達(dá)250Nm3/h或更大，氫氣增壓風(fēng)機(jī)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(yùn)行。
2.2 冷凝式氫氣干燥裝置
工作原理概述：發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣靠發(fā)電機(jī)風(fēng)扇前后壓差力的推動，或氫氣管道風(fēng)機(jī)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(diǎn)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(dá)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(jī)。
1）制冷原理：
從低壓管來的制冷劑氣體被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，成為高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)與外部空氣進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入壓縮機(jī)。如此循環(huán)，不斷吸收冷卻器內(nèi)氫氣的熱量，達(dá)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(jī)的熱濕氫氣從氫氣干燥器的氫氣進(jìn)口進(jìn)入干燥器后，首先要經(jīng)過回?zé)崞?，在回?zé)崞鲀?nèi)與冷卻器出來回到回?zé)崞鞯牡蜏馗稍餁錃膺M(jìn)行完全熱交換，被初步降溫，此時(shí)氫氣中的一部分水蒸汽將凝結(jié)析出。然后，這股氫氣再進(jìn)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(shí)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?zé)崞?，在回?zé)崞鲀?nèi)與發(fā)電機(jī)來的熱濕氫氣進(jìn)行完全熱交換，被加熱到接近發(fā)電機(jī)來的熱濕氫氣的溫度，此時(shí)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(jī)。
冷卻器中結(jié)霜到一定時(shí)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(yùn)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(shí)需要單獨(dú)操作置換，使用時(shí)須調(diào)整多項(xiàng)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(jī)一起進(jìn)行，無須進(jìn)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(jī)內(nèi)氫氣露點(diǎn)溫度通常能達(dá)到-25℃以下，經(jīng)常需要操作停機(jī)，以免氫氣濕度下限超標(biāo)，而制冷式氫氣在線干燥裝置發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣露點(diǎn)溫度一般在-20℃左右，無須經(jīng)常操作。
2 維護(hù)情況：吸濕劑在再生加熱時(shí)和冷卻時(shí)都會產(chǎn)生溫度的不均勻變化，如加熱時(shí)，吸濕劑顆粒外部先熱，內(nèi)部后熱；冷卻時(shí)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(jī)內(nèi)，造成對發(fā)電機(jī)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(shí)基至必須經(jīng)常更換吸附劑，這在發(fā)電機(jī)有漏油的情況時(shí)必須注意。增壓風(fēng)機(jī)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(diǎn)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(jìn)行氣密性試驗(yàn)，檢修和投入運(yùn)行前都需要單獨(dú)進(jìn)行氣體置換，維護(hù)工作量較大。
冷凍式氫氣去濕裝置氫氣除濕系統(tǒng)是獨(dú)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(hù)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(shí)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(qiáng)，但不易控制，在運(yùn)行中需經(jīng)常對出口流量和再循環(huán)流量進(jìn)行調(diào)整。由于對發(fā)電機(jī)氫氣濕度控制不好，某公司在#1、#2機(jī)組發(fā)電機(jī)露點(diǎn)溫度低于-25℃時(shí)，停運(yùn)氫干燥裝置，在高于-5℃時(shí)，開啟氫干燥裝置，采用上述方式來控制發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇的隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生差壓進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)電機(jī)在停運(yùn)備用狀態(tài)下，機(jī)內(nèi)氫氣差壓消失，依靠壓差進(jìn)氣的氫氣干燥器氫氣無法流動，干燥器不能對氫氣進(jìn)行干燥，需另外配備循環(huán)風(fēng)機(jī)。吸附式氫氣干燥裝置因配備有增壓風(fēng)機(jī)，但石墨滑片在運(yùn)行中不斷磨損，如不采取措施，易影響發(fā)電機(jī)氫氣品質(zhì)。吸附式氫氣干燥裝置在增壓風(fēng)機(jī)后設(shè)有除油器，一方面除去增壓風(fēng)機(jī)滑片磨損時(shí)產(chǎn)生的石墨粉，另一方面，除去發(fā)電機(jī)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(jī)為離心式風(fēng)機(jī)，只能在吸附劑加熱再生時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)如使用二氧化碳，分子篩會對二氧化碳進(jìn)行吸附，并在再生過程中釋放，在一定程度上影響發(fā)電機(jī)氫氣純度，如果發(fā)電機(jī)漏油，吸附劑會吸附一定量的油，加熱再生時(shí)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(jī)，故其需要更高的裝機(jī)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(jī)，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(diǎn)及運(yùn)行、維護(hù)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(dá)到大型發(fā)電機(jī)組對氫氣濕度的要求。
2.吸附式氫氣在線干燥裝置能實(shí)現(xiàn)干燥桶和再生桶之間的自動切換,但對發(fā)電機(jī)氫氣濕度控制方面尚不能實(shí)現(xiàn)自動控制，在運(yùn)行中發(fā)電機(jī)氫氣濕度有超標(biāo)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(hù)工作量較大，安裝和使用操作麻煩，一次投入和運(yùn)行成本都較高，冷凝式氫氣干燥器則維護(hù)量很小，一次投入和運(yùn)行成本都較低。
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