汽輪發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

汽輪發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)都具有十分重要的意義。大、中型汽輪發(fā)電機(jī)一般采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、鐵芯及其他構(gòu)件氫冷。隨著機(jī)組容量的增大和氫壓的升高，漏氫量的大小已成為考核氫冷發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)。發(fā)電機(jī)可能存在的漏氫途徑很多，歸納起來主要有兩種：(1)從外殼直接漏到大氣中，即“外漏”；(2)漏到密封油系統(tǒng)、定子冷卻水系統(tǒng)、氫氣冷卻器、封閉母線套管軟連接段或中性點(diǎn)軟連接箱（下文簡(jiǎn)稱“中性點(diǎn)聯(lián)箱”）中，即“內(nèi)漏”[1]。外漏通?？梢酝ㄟ^涂抹皂液或使用移動(dòng)式測(cè)氫儀檢查發(fā)現(xiàn)，而內(nèi)漏由于發(fā)現(xiàn)困難，成為氫冷機(jī)組運(yùn)行的大患。
原國(guó)家電力公司2000年9月頒布的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中規(guī)定：“為防止氫冷發(fā)電機(jī)的氫氣漏入封閉母線，在發(fā)電機(jī)出線箱與封閉母線連接處應(yīng)裝設(shè)隔氫裝置，并在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置排氣孔和加裝漏氫在線監(jiān)測(cè)裝置。應(yīng)按時(shí)檢測(cè)氫冷發(fā)電機(jī)油系統(tǒng)、主油箱內(nèi)、封閉母線外套內(nèi)的氫氣體積含量（濃度）”。
本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)常見的幾種漏氫監(jiān)測(cè)裝置的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，介紹了一種可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)出線套管、內(nèi)冷水箱、密封瓦等關(guān)鍵部位漏氫情況并自動(dòng)報(bào)警的新型發(fā)電機(jī)漏氫在線監(jiān)測(cè)裝置，并對(duì)其設(shè)計(jì)、構(gòu)造、性能特點(diǎn)以及在焦作電廠#3發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了論述。
1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
焦作電廠#3發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-200-2型氫冷汽輪發(fā)電機(jī)，1985年12月建成投產(chǎn)，裝機(jī)容量200 MW，2001年增容至220 MW。發(fā)電機(jī)為水-氫-氫冷卻方式，其密封瓦為雙流環(huán)式，內(nèi)冷水箱為開啟式。發(fā)電機(jī)三相出線套管分相接入封母軟連接段，中性點(diǎn)3根套管均接入中性點(diǎn)聯(lián)箱。
該機(jī)組自投運(yùn)以來，多次發(fā)生運(yùn)行中漏氫。其中的氫氣內(nèi)漏故障因其查找難、危害大，一直是機(jī)組運(yùn)行中面臨的難題。此前，該廠主要依靠計(jì)算機(jī)組每日漏氫量監(jiān)測(cè)其漏氫情況，當(dāng)漏氫量超標(biāo)時(shí)進(jìn)行查漏。上述漏氫檢測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力(從漏氫發(fā)生到發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)往往需要兩天以上)，查找氫氣冷卻器漏氫時(shí)還需要降低機(jī)組出力，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性均十分不利，亟需通過先進(jìn)的監(jiān)控裝置對(duì)發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷。
2 對(duì)比分析
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的該類裝置從工作原理上主要分為兩種:(1)熱導(dǎo)型：由一臺(tái)安裝在發(fā)電機(jī)附近的熱導(dǎo)式氫氣分析儀通過管道從不同測(cè)點(diǎn)依次抽取氣樣進(jìn)行檢測(cè)，分析各測(cè)點(diǎn)的氫含量；(2)傳感器型：用氫敏傳感器做采樣頭，把發(fā)電機(jī)就地測(cè)點(diǎn)處的微量氫濃度的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，由裝在集控室或就地的電子儀表進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。
熱導(dǎo)型漏氫循環(huán)監(jiān)測(cè)裝置需要配備抽氣泵、氣體取樣管路、時(shí)間繼電器、電磁閥，以一定的時(shí)間間隔自動(dòng)依次循環(huán)進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量范圍寬(0～100%)的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在對(duì)高、低端濃度(1%以下和95%以上)測(cè)量精度低、反應(yīng)滯后(30 min~2 h)，油、水系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)需加裝干燥、過濾裝置，抽氣泵易損易泄漏，安裝、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，用戶已逐漸減少。
氫敏傳感器型漏氫監(jiān)測(cè)裝置由采樣頭、主機(jī)和連接電纜三部分組成。采樣頭安裝在氣體采樣處，主機(jī)安裝在集控室或發(fā)電機(jī)附近，兩者之間以電纜連接。該類裝置可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)漏氫的多通道在線監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝和使用簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定可靠、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量小、靈敏度高、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為常見的漏氫監(jiān)測(cè)方式。
采樣和檢測(cè)是漏氫監(jiān)測(cè)裝置工作過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)采樣原理的不同，市場(chǎng)上常見的傳感器型漏氫監(jiān)測(cè)裝置主要有透氫膜采樣和納米管束采樣兩大類。
透氫膜型漏氫監(jiān)測(cè)裝置的采樣頭氣室中裝有能將氣體與油、水、灰塵進(jìn)行分離的透氫膜片[2]。使用透氫膜采樣，現(xiàn)場(chǎng)的氫氣所帶的油氣和水粘附在透氫膜上，易使其發(fā)生阻塞或老化穿孔，造成漏報(bào)、誤報(bào)和傳感器侵蝕，傳感器整體壽命通常較短。
納米管束型漏氫監(jiān)測(cè)裝置采樣頭中的納米管束與透氫膜作用相同，但其油、水隔斷能力相對(duì)較強(qiáng)（可達(dá)傳統(tǒng)透氫膜的10倍以上），可以直接伸入帶壓的油、水中采集其中的氫氣，不會(huì)出現(xiàn)漏油、漏水現(xiàn)象，也不存在內(nèi)冷水箱滿水位時(shí)浸泡采樣頭、損壞儀器和設(shè)備的問題。
根據(jù)傳感器內(nèi)氫敏元件的不同，目前國(guó)內(nèi)常見的傳感器型監(jiān)測(cè)裝置主要分鈀柵氫敏傳感器型和金屬鉑氫敏傳感器型兩大類。
鈀柵氫敏傳感器由鈀柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET，簡(jiǎn)稱鈀管)、穩(wěn)定補(bǔ)償部件、加熱器、測(cè)溫元件構(gòu)成，屬于半導(dǎo)體氣敏元件的一種。其檢測(cè)原理是利用鈀管開啟電壓隨氫氣濃度變化的特性檢測(cè)氫氣濃度，具有對(duì)氫氣選擇性好、靈敏度高、功耗低、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、工作溫度低以及氣-電轉(zhuǎn)換過程中不消耗氫等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)主要存在兩方面不足：(1)線性范圍窄，鈀管本身對(duì)氫氣的響應(yīng)是非線性的，濃度越高響應(yīng)越低，需要在儀器設(shè)計(jì)上采用線性化補(bǔ)償電路使讀數(shù)線性化；(2)穩(wěn)定性較差，輸出特性隨環(huán)境溫度、濕度等影響而漂移，需采取補(bǔ)償措施。鈀柵氫敏傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

金屬鉑氫敏傳感器由鉑絲氣敏元件、放大電路、變送電路組成(如圖2所示)。其中的鉑絲氣敏元件屬于接觸燃燒式氣敏元件。其檢測(cè)原理是：氫氣與空氣中的氧在鉑絲表面發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大，進(jìn)而通過測(cè)定鉑絲的電阻變化值(?駐R)檢測(cè)氫氣濃度。此類傳感器具有對(duì)氣體選擇性好、線性度好、受溫濕度影響小、響應(yīng)快、計(jì)量準(zhǔn)確、壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)。其不足之處是：只能測(cè)量有氧環(huán)境中的氫氣濃度[3]。
3 對(duì)比綜述
據(jù)了解，世界上只有原蘇聯(lián)和中國(guó)采用熱導(dǎo)型裝置監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部漏氫[4]。目前此類裝置國(guó)內(nèi)廠家已基本停止生產(chǎn)。而在傳感器領(lǐng)域，納米管束采樣方式和金屬鉑氫敏元件具有較多優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)大中型氫冷汽輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用日益廣泛。國(guó)內(nèi)某公司出品的LH1500型漏氫在線監(jiān)測(cè)裝置集上述優(yōu)點(diǎn)及通信技術(shù)于一體，適用于發(fā)電機(jī)氫、油、水系統(tǒng)中燃燒濃度下限(體積比：空氣中4%，氫氧混合氣中4.5%)以內(nèi)氫氣濃度的檢測(cè)，成為項(xiàng)目的最終選定機(jī)型。
4 安裝與應(yīng)用
4.1裝置簡(jiǎn)介
LH1500漏氫在線監(jiān)測(cè)裝置主要由主機(jī)、電纜和采樣頭三部分構(gòu)成。裝置采用納米管束采樣頭，常規(guī)配制8點(diǎn)檢測(cè)，可擴(kuò)展至14點(diǎn)。裝置主機(jī)主要由單片機(jī)、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、顯示電路、鍵盤掃描電路、報(bào)警控制電路等部分組成。整套裝置的工作原理(具體如圖3所示)為：采樣頭將待測(cè)環(huán)境氫氣濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA電流信號(hào)遠(yuǎn)傳到主機(jī)，經(jīng)主機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)；單片機(jī)將各路數(shù)據(jù)處理后顯示在彩色LCD屏上，并顯示量程、高低位報(bào)警值、日期等相關(guān)信息；同時(shí)單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為4~20 mA電流信號(hào)輸出；另外單片機(jī)還可根據(jù)各點(diǎn)的氫氣濃度及其報(bào)警限值發(fā)出高低位報(bào)警信號(hào)；系統(tǒng)預(yù)留1個(gè)與機(jī)組DCS系統(tǒng)通信的RS-232/485串行口。