汽輪發(fā)電機氫氣內(nèi)漏在線監(jiān)測技術(shù)應用研究

汽輪發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行對電力系統(tǒng)乃至整個國民經(jīng)濟都具有十分重要的意義。大、中型汽輪發(fā)電機一般采用水-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)電機的一個重要指標。發(fā)電機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軟連接箱（下文簡稱“中性點聯(lián)箱”）中，即“內(nèi)漏”[1]。外漏通?？梢酝ㄟ^涂抹皂液或使用移動式測氫儀檢查發(fā)現(xiàn)，而內(nèi)漏由于發(fā)現(xiàn)困難，成為氫冷機組運行的大患。
原國家電力公司2000年9月頒布的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》中規(guī)定：“為防止氫冷發(fā)電機的氫氣漏入封閉母線，在發(fā)電機出線箱與封閉母線連接處應裝設(shè)隔氫裝置，并在適當?shù)攸c設(shè)置排氣孔和加裝漏氫在線監(jiān)測裝置。應按時檢測氫冷發(fā)電機油系統(tǒng)、主油箱內(nèi)、封閉母線外套內(nèi)的氫氣體積含量（濃度）”。
本文對目前國內(nèi)常見的幾種漏氫監(jiān)測裝置的工作原理和特點進行了對比，介紹了一種可以實時監(jiān)測發(fā)電機出線套管、內(nèi)冷水箱、密封瓦等關(guān)鍵部位漏氫情況并自動報警的新型發(fā)電機漏氫在線監(jiān)測裝置，并對其設(shè)計、構(gòu)造、性能特點以及在焦作電廠#3發(fā)電機的實際應用情況進行了論述。
1 系統(tǒng)簡介
焦作電廠#3發(fā)電機為東方電機廠生產(chǎn)的QFSN-200-2型氫冷汽輪發(fā)電機，1985年12月建成投產(chǎn)，裝機容量200 MW，2001年增容至220 MW。發(fā)電機為水-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)電機三相出線套管分相接入封母軟連接段，中性點3根套管均接入中性點聯(lián)箱。
該機組自投運以來，多次發(fā)生運行中漏氫。其中的氫氣內(nèi)漏故障因其查找難、危害大，一直是機組運行中面臨的難題。此前，該廠主要依靠計算機組每日漏氫量監(jiān)測其漏氫情況，當漏氫量超標時進行查漏。上述漏氫檢測方式費時費力(從漏氫發(fā)生到發(fā)現(xiàn)故障點往往需要兩天以上)，查找氫氣冷卻器漏氫時還需要降低機組出力，對機組運行的經(jīng)濟性和安全性均十分不利，亟需通過先進的監(jiān)控裝置對發(fā)電機氫氣內(nèi)漏做出及時準確的判斷。
2 對比分析
目前國內(nèi)生產(chǎn)的該類裝置從工作原理上主要分為兩種:(1)熱導型：由一臺安裝在發(fā)電機附近的熱導式氫氣分析儀通過管道從不同測點依次抽取氣樣進行檢測，分析各測點的氫含量；(2)傳感器型：用氫敏傳感器做采樣頭，把發(fā)電機就地測點處的微量氫濃度的變化轉(zhuǎn)變成電信號，由裝在集控室或就地的電子儀表進行連續(xù)在線監(jiān)測。
熱導型漏氫循環(huán)監(jiān)測裝置需要配備抽氣泵、氣體取樣管路、時間繼電器、電磁閥，以一定的時間間隔自動依次循環(huán)進行測量，具有測量范圍寬(0～100%)的優(yōu)點。但同時也存在對高、低端濃度(1%以下和95%以上)測量精度低、反應滯后(30 min~2 h)，油、水系統(tǒng)測點需加裝干燥、過濾裝置，抽氣泵易損易泄漏，安裝、維護成本高等缺點，用戶已逐漸減少。
氫敏傳感器型漏氫監(jiān)測裝置由采樣頭、主機和連接電纜三部分組成。采樣頭安裝在氣體采樣處，主機安裝在集控室或發(fā)電機附近，兩者之間以電纜連接。該類裝置可實現(xiàn)發(fā)電機漏氫的多通道在線監(jiān)測，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝和使用簡便、工作穩(wěn)定可靠、現(xiàn)場維護工作量小、靈敏度高、響應和恢復時間短等優(yōu)點，是目前較為常見的漏氫監(jiān)測方式。
采樣和檢測是漏氫監(jiān)測裝置工作過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)采樣原理的不同，市場上常見的傳感器型漏氫監(jiān)測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)測裝置的采樣頭氣室中裝有能將氣體與油、水、灰塵進行分離的透氫膜片[2]。使用透氫膜采樣，現(xiàn)場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、誤報和傳感器侵蝕，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、水隔斷能力相對較強（可達傳統(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，不會出現(xiàn)漏油、漏水現(xiàn)象，也不存在內(nèi)冷水箱滿水位時浸泡采樣頭、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，目前國內(nèi)常見的傳感器型監(jiān)測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效應晶體管(Pd-MOSFET，簡稱鈀管)、穩(wěn)定補償部件、加熱器、測溫元件構(gòu)成，屬于半導體氣敏元件的一種。其檢測原理是利用鈀管開啟電壓隨氫氣濃度變化的特性檢測氫氣濃度，具有對氫氣選擇性好、靈敏度高、功耗低、響應和恢復時間短、工作溫度低以及氣-電轉(zhuǎn)換過程中不消耗氫等優(yōu)點。但同時主要存在兩方面不足：(1)線性范圍窄，鈀管本身對氫氣的響應是非線性的，濃度越高響應越低，需要在儀器設(shè)計上采用線性化補償電路使讀數(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。其檢測原理是：氫氣與空氣中的氧在鉑絲表面發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生反應熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大，進而通過測定鉑絲的電阻變化值(?駐R)檢測氫氣濃度。此類傳感器具有對氣體選擇性好、線性度好、受溫濕度影響小、響應快、計量準確、壽命較長的特點。其不足之處是：只能測量有氧環(huán)境中的氫氣濃度[3]。
3 對比綜述
據(jù)了解，世界上只有原蘇聯(lián)和中國采用熱導型裝置監(jiān)測發(fā)電機內(nèi)部漏氫[4]。目前此類裝置國內(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，在國內(nèi)大中型氫冷汽輪發(fā)電機上的應用日益廣泛。國內(nèi)某公司出品的LH1500型漏氫在線監(jiān)測裝置集上述優(yōu)點及通信技術(shù)于一體，適用于發(fā)電機氫、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，成為項目的最終選定機型。
4 安裝與應用
4.1裝置簡介
LH1500漏氫在線監(jiān)測裝置主要由主機、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點檢測，可擴展至14點。裝置主機主要由單片機、存儲器、時鐘電路、顯示電路、鍵盤掃描電路、報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：采樣頭將待測環(huán)境氫氣濃度信號轉(zhuǎn)化為工業(yè)標準的4~20 mA電流信號遠傳到主機，經(jīng)主機中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給單片機；單片機將各路數(shù)據(jù)處理后顯示在彩色LCD屏上，并顯示量程、高低位報警值、日期等相關(guān)信息；同時單片機將處理后的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為4~20 mA電流信號輸出；另外單片機還可根據(jù)各點的氫氣濃度及其報警限值發(fā)出高低位報警信號；系統(tǒng)預留1個與機組DCS系統(tǒng)通信的RS-232/485串行口。