发电机氢系统湿度偏高原因分析

发电机氢系统湿度偏高原因分析

李建厅

(河北省张家口市下花园热电分公司，075300）

摘要：发电机在运转时会发生能量损耗，这些损耗最后都转变成了热量，致使发电机转子等各部件温度不断升高。氢气是一款综合性能非常优良的冷却剂，不但可以有效带走发电机做功产生的热量，而且不容易起晕。但密封油、轴封蒸汽、以及氢冷却水这些和氢气接触的介质都可能使氢气湿度增大，从而影响其性能，甚至对设备产生极大危害。本文将从氢系统湿度超标的原因、对发电机的危害、可以采取的措施、氢气湿度的监督、进行阐述。

关键词：氢气；湿度；干燥；湿度测量

0.前言

发电机在运转时要发生能量损耗，这是能量转换过程中不可避免的，由于发电机都是由铁或铜质造成，所以将这种能损称为铜损或铁损，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温度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：标准状况下，氢气密度仅为空气的 1/14 ，是地球上最轻的物质。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，其导热能力是空气的 6.69 倍，CO2的10.5倍。因氢气的密度很小，其流动阻力也很小。虽然水冷系统有诸多优点，但是水冷管路系统复杂，需经常监视水质，否则容易腐蚀铜线或漏水，使运行可靠性降低。氢冷系统则无需对此担忧：一方面介电常数较高，不容易产生电晕；另一方面氢气的纯度高，其中氧气、氮气含量都很少，即使起晕，也不容易产生臭氧和氮化合物，因此，在氢冷发电机中，绝缘的电腐蚀状况和受损程度都较轻。

随着氢气系统逐渐推广，氢气漏氢率大、氢纯度下降快、氢气湿度大等问题也影响着机组的安全运行，本文将重点对氢系统湿度超标的原因、对发电机的危害、可以采取的措施、氢气湿度的监督等方面进行阐述。

1.氢冷式发电机中氢气对发电机的危害

1）氢气易爆，氢气的着火能量低，在空气中爆炸范围宽，容易产生巨大危害。

2）常温下原子氢进入钢中，使钢变脆，但这种作用极其缓慢。在高温高压条件下（如温度为 370 ℃ ，压力为 9.8MPa）,氢对钢有强烈的脆化作用。一是溶解于钢的晶格中的原子氢在随后的缓慢变形中引起脆化作用，而钢的组织并无变化；二是氢向钢的内部扩散，与钢中渗碳体发生化学反应，生成的甲烷在钢中扩散能力很小，聚集在晶界上原有的空隙内，形成局部高压，使晶界变宽，引起脆化。

3）氢气湿度超标，对绕组产生的危害和水一样，使发电机定子和转子绕组绝缘降低，容易产生相间短路等故障。

在氢冷机组中，由于发电机内氢气纯度高，氢爆的不多见。由于氢脆的作用时间周期长，人员的监视作用难以体现，在生产中实际影响不大，也对生产缺乏直接的指导作用。但是氢气湿度大是最容易产生，也是存在比较普遍的问题，产生的后果也比较严重，所以氢气湿度超标产生的危害性要比其他危害大的多。

2.氢气湿度超标对发电机的危害

1）氢气湿度超标造成发电机定子线圈端部短路事故

氢气湿度越高，氢气中水分越高，气体的介电强度越低，定子绕组受潮，降低绝缘电阻，从而降低了绝缘表面放电电压，容易发生闪络和绝缘击穿，造成事故。

2）氢气湿度超标造成发电机转子护环产生应力腐蚀

发电机氢气湿度高，将对其接触的金属产生应力腐蚀，而应力腐蚀与金属氢脆相互起到催化作用。据有关资料介绍，对非 18Cr18Mn 材料的护环，氢气相对湿度在 50 ％以上时，对其应力腐蚀将急剧加速，即使是采用 18Cr18Mn 材料的护环，氢气相对湿度在 80 ％以上时，同样会使发电机转子护环产生应力腐蚀。由于应力腐蚀使护环产生裂纹；同时绝缘瓦松动，引起绝缘瓦同护环端部转子线圈摩擦，引起转子线圈接地或短路。

3）影响发电机的运行效率

由于氢气中湿度大，水分高，使气体密度增大，增加了发电机通风损耗，降低了发电机的运行效率。

3.引起氢气湿度超标的几个原因

1）氢源湿度大

目前我厂制氢站采用碱性水溶液电解制取氢气，产生的氢气中不可避免地带有水分，但经过改造建有有独立的干燥设施，正常情况下，补充氢的露点温度不低于-35℃，要好于行标。

2）密封油含水大引起氢气湿度增大

由于汽轮机轴封结构原因，水蒸汽容易进入机组润滑油中，带水的润滑油回到主油箱，由于重力作用，水的大部分将沉淀在主油箱底部，而另一部分以细小水滴方式存在于油流中，被油泵重新打入润滑油、密封油及调速油系统中。油中水主要通过两种方式进入氢气系统中：一、密封瓦为双环式，供油系统分为空、氢2个回路，并且各回路之间相对独立，如果密封瓦空、氢测油压完全相等，则在密封瓦两侧的中间带不会发生窜油现象，也就是说，如果空氢两侧油压有压差。在这一压差的作用下，空侧油将经密封瓦的中间带窜入氢侧，与氢侧油共同排至氢侧回油腔。在这一过程中，油中的部分水分将被高温汽化析出，在风扇的负压的作用下，随氢气进入发电机内，造成氢气湿度增大。二、由于空氢侧油压差造成空氢侧窜油，使氢侧密封箱油位变动，为维持油位，增加了润滑油对氢侧密封油补油，也导致含水大的密封油进入氢侧油系统，也是导致氢气湿度大的原因之一。

3）发电机氢气冷却器泄漏引起氢气湿度增大

由于冷却器铜管破裂或制造存在砂眼，铜管与管板的胀口质量不良，冷却器密封垫不严，并且在运行中冷却器铜管内水压较铜管外氢压高，将发生冷却水直接漏入氢气中，造成氢气湿度增大。

4）其他原因

由于发电机内部线棒、水接头、水盒等部位渗水，造成氢气湿度增大。

4.降低氢冷式发电机氢气湿度的措施

氢冷发电机是用氢气作为其内部部件冷却的介质，而氢气湿度的大小直接关系到氢冷发电机的安全运行。近年来，国内大型氢冷发电机发生过多起定子线圈端部绝缘击穿和转子护环裂纹事故，究其原因，可以说与机内氢气湿度过大在有着密切的联系。因此，降低氢气湿度已成为各电厂研究的重要课题：

1）加强对氢气干燥器的运行维护

密封油系统的结构特点决定了发电机氢气中的含水量是一个累积的过程，如果不能及时去除氢气中的水分，那么氢气露点超标是不可避免的。氢气干燥器可以通过对流经干燥器的小流量氢气进行干燥而起到对发电机氢气不断干燥的作用。

2）必须保证所充的氢或扫补的氢的湿度符合标准

在充氢或补氢时，待取样测氢气露点温度合格后再向发电机充氢或补氢。

3）采取措施杜绝密封油进入发电机内

密封油含水大是氢气湿度超标的主要原因，润滑油含水量超标对氢气的湿度影响最大，加强油系统的水分控制和对密封油系统调整，以减少密封油中水份，并减少空氢侧窜油和补油，以降低机内氢气湿度。

4）加强检修管理

保证氢气冷却器无渗水现象和外部无漏氢现象。

5）降低氢气湿度测量误差

加强氢气湿度检测，提高氢气湿度测量手段。以前多为人工到现场测量氢气湿度，测量时，由于测量精度与阀门开启大小、排气时间、环境温度、化验时间、取样人员等都有很大关系，造成测量误差。为可靠监视发电机内氢气湿度，应在发电机干燥装置的入口管段上安装氢气湿度在线监测装置。

5.结论

发电机的氢气湿度对发电机安全运行有很大影响，因此必须控制发电机的氢气湿度，当氢气湿度增大时，必须采取必要的技术措施降低氢冷式发电机的氢气湿度，才能保证发电机的安全稳定运行。

参考文献：

[1]王刚军. 影响发电机氢气湿度的因素分析及除湿研究[D].华南理工大学,2017.