摘要：发电机内氢冷系统的应用，使大容量、高效率的发电机成已为现实，由于氢气热容量大,导热性比空气高6倍多,流动性也比空气好,重量却不到空气的1/10,使得发电机内的通风摩擦损耗大大减小,为使机组能够安全、可靠、经济、稳定地运行,严格地保证机内氢气的纯度是十分必要的，在现场对氢气纯度进行在线实时监测一直是比较困难的，特别是现场的复杂性也对测量提出了更高的要求。丰润热电经过多次探索研究、对设备及取样回路改造，最终实现了发电机氢气纯度的准确测量，减少排氢损失，大大提高了机组的安全经济性。

　　一、发电机氢气纯度测量的意义

　　目前几乎所有的大容量、高参数发电机均采用导热率较高的氢气作为冷却剂, 大型火力发电机在运转时要发生能量损耗，损耗后的能量最后都转变成了热量，致使发电机转子、静子等各部件温度升高，为了保证发电机能在绕组绝缘材料的允许温度下长期运行，必须及时地把铁损和铜损产生的热量导出，使发电机各主要部件安全运行经常保持在许可的范围内，否则，发电机的温升就会持续升高，使绕组绝缘老化，出力下降，甚至烧毁。因此，必须连续不断地将发电机产生的热量导出，这就需要强制冷却。氢气作为发电机常用的强制冷却介质具有无可比拟的优越性：氢的分子运动速度最快，从而有最大的扩散速度和很高的导热性，发电机组氢浓度、氢气湿度和氢泄漏是发电机安全运行的三个重要监测参数。首先,氢气的纯度越高,其散热效果越好;相反,纯度下降,散热效果变差,这将直接导致发电机过热,危及发电机安全。其次,氢气湿度超标即存在转子护环应力腐蚀和发电机定子绝缘故障的严重危害。特别是第三,一旦氢气泄漏,超过一定浓度,与空气中的氧气混合,极易产生爆炸,危及整个电厂的安全,给企业带来巨大的损失，因此准确测量发电机氢气纯度对机组安全稳定运行具有重要意义，本文主要对现场氢气纯度检测系统进行研究改造。

　　二、工程及纯度仪简介：

　　丰润热电工程一期为2×300 MW机组， 发电机为哈尔滨电机有限责任公司制造的QFSN-300-2 型三相、二极、隐极式转子同步发电机，冷却方式为水-氢-氢。即定子绕组为水冷却，定子铁芯为氢气冷却，转子绕组为氢气内部冷却。发电机总装气体容量77立方米，内部氢气正常运行压力0.3MPa。定子绕组的冷却水由水冷泵强制循环，进出水汇流管分别装在机座内的励端和汽端，并通过定子冷水冷却器进行冷却，氢气则利用装在转子两端的轴流式风扇进行强制循环，并通过发电机两端氢冷却器进行冷却，在机内密闭循环。每台机组安装一套氢气纯度、湿度仪表各一套，氢气纯度采用河南光力科技生产的XMTC 在线气体纯度分析仪。下图是氢气纯度取样位置及仪表管路连接图：

　　图2  仪表管路连接图

　　氢气纯度测量原理：氢气测量系统的基本原理是根据气体的导热率而确定其成份,即通过混合气体导热率的测量来决定混合气体中某气体的含量,在混合气体中氢气导热率远远高于其它气体,比氮,氧高7—8倍,因此当混合气体中背景气体(如氮等)或其它成份基本保持恒定时,混合气体的导热率基本取决于氢的浓度,根据混合气体导热率的不同,就可测出含氢量的多少。XMTC型在线氢气纯度仪采用热导法，在其测量系统中有两组特别稳定精密的、有玻璃涂层的热敏电阻，一组测量被测气体，另一组测量标准气体。热敏电阻被固定在尽可能接近不锈钢腔体的地方。整个池体被加热到55℃，而热敏电阻被加热的温度高于传感器腔体温度，热敏电阻损失的热量与气体的热导成比例，这样，每组热敏电阻会达到不同的平衡温度，两组热敏电阻温度的差异被电桥电路检测到，接着被放大并转换为4~20mA输出（输出信号与被测气体含量成比例），再通过信号电缆远传到DCS系统进行再现监视，在仪表参数异常时发出报警，仪表结构为下图：

　　图3  XMTC仪表样图

　　XMTC 仪表主要由两部分组成：纯度变送器和纯度二次表。由于取样系统应能保证被测气体是在大气压下，温度不高于65℃，流速大约为150～300ml/min清洁的、有代表性的样品引入到XMTC 变送器，过高或过低的工作压力都影响仪表测量。XMTC 变送器进口接到发电机下部压力稍高的取样口，出口将通过检测后的气体再流回发电机内部做循环。

　　三、氢气纯度仪运行存在问题

　　由于氢气纯度表在投入时无法准确再现测量发电机氢气纯度，严重影响机组安全运行，在安全性评价检查及技术监督检查中都作为重要问题被提出进行整改，氢气纯度仪测量不准的主要原因如下：

　　1、由于仪表进行纯度检测时需要氢气有一定的速度和流量，而由于从发电机下部励端、汽端两个取样管路压力接近，气体流动速度太小，流量低，测得的数据一直不准，与手工测量的数据差别太大，无法保证纯度监测的及时性和准确性。

　　2、传感器不耐压，长期使用会损坏传感器，维护设备费用高。

　　3、仪表漂移量比较大，线性不稳定，需要经常与。。手测数据对比来保持其测量值的稳定性。

　　4  仪表受温度，流量等影响较大，温度及流量发生变化时，其测量值变化较大，影响测量分析结果

　　四、氢气纯度仪的改造

　　由于氢气纯度测量传感器不能承压是设备测量不准的主要原因，厂家说明书要求将仪表回氢管排空，电厂热工专业利用检修的机会进行了三次改造才获得成功，具体改造实验如下：

　　1第一次改造

　　在氢气原排气管路上增加三通，将原来回发电机气端管到取样处的仪表门关闭，直接从三通处新铺设管路至发电机排氢气母管上，满足仪表测量和满足发电机监视要求，但由于变送器回氢气口排空，管路每天24小时排空，机组每天补氢量每天增加3-4m3，全年就将排出800-1000 m3，约合2-4万元，同时长期排氢对机组安全也带来隐患，要经常对所有的排氢管路进行检查及封堵，加大了许多维修工作量。具体改造位置如下图：

　　图4   回氢管排空改造图

　　2 第二次改造

　　长期补氢影响公司经济效益，同时排氢母管不能长期打开，一旦关闭依旧无法进行测量，经过研究进行第二次改造，将排氢取样点移位，将氢气仪表出口取样移到有一定压差的发电机干燥器的出口上，改造图如下：

　　图五    回氢管干燥器改造图

　　改造后刚投入时，仪表测量数据基本与化验班检测接近，但当长期运行时，数据依旧不准，其原因还是压差不够，在此期间由于探头长期承压损坏，此次改造没有成功。

　　3、第三次改造

　　从前两次改造结果来看，仪表测量管路再无进行改造的可行性，只有对氢气纯度仪表进行换型改造。经过对国内同类型测量仪表调研，决定采用河南郑州迪邦科技有限公司生产的DBZX-130系列氢气纯度在线分析仪，该仪表变送器采用德国HLP公司。。先进的具有温度补偿功能的恒温型双臂热导池的传感器，克服了热导型检测仪普遍受温度影响的缺点，当系统提供了建立稳定组份的背景气（如空气）或有大致相当热导的气体时，该分析仪可以测量一个多组份混合气体中单一组份的含量。仪表操作采用中文界面，设备如下图：

　　图6   改造后设备图

　　氢气纯度换型仪表由三个基本部件组成：传感单元（变送器）；控制单元（接收器）和电源。热导分析仪的传感组件装在一个防爆罩内，防爆罩为一牢固铸铝结构，它保证了传感器在恶劣环境下也能可靠工作。采样气体预处理系统：氢气采样装置可以有效的滤除氢气中的油污和水分，从而很好的保护变送器，使仪表能够长期、稳定、准确的连续监测氢气的纯度；

　　设备主要优点:

　　1）传感器独特的耐压设计，能保障传感器在发电机氢压下正常运行，避免了氢气的浪费，保持发电机氢压稳定及减少补氢量.

　　2）仪表显示采用中文菜单，操作方变，单独增加校验接口，校验仪表更加方便. 

　　3)氢气纯度在线分析仪的变送器采用热导原理，..其独特的温度补偿热导池确保了仪表的稳定性和准确性.

　　4)氢气纯度在线分析仪其配套的氢气采样装置可以有效的滤除氢气中的油污和水分，从而很好的保护变送器，使仪表能够长期、稳定、准确的连续监测氢气的纯度；

　　五、改造效果

　　2013.5月利用机组小修机会，对测量管路及仪表进行了整体改造，为检验改造效果，安排人员连续进行了汽机0米及6.3米手工与仪表检测比对，

　　结果如下： 

　　图7   改造后数据比对表

　　从上表中看出，再现氢气纯度仪表显示值基本与手工测量数据接近，并且能够跟随负荷变化，基本符合发电机氢气纯度检测的要求，目前已连续运行几个月，传感器无损，证明此次改造是成功的，满足了现场生产的需要。

　　六、小结

　　采用新的氢气纯度测量装置，对原测量回路改造较小,使流体的流速达到测量要求，。。既满足了仪表检测的要求又安装方便，也避免了排氢管道渗漏的安全隐患，保障汽轮发电机组的正常安全运行,其社会效益、经济效益都是明显的。通过对现场氢气纯度在线监测系统的研究、改造试验,实时监测发电机的氢冷系统,对于提高发电机的安全度,其意义重大。——(河北大唐国际丰润热电公司,白利红,唐山丰润 063030)

　　参考文献：韩纬  大型气轮发电机内部氢气分析及检测装置优化 应用科技出版社 2000.