氢冷发电机氢气湿度的监控与管理
氢冷发电机氢气湿度的监控与管理
摘要：文章根据有关标准分析了湿度超标对发电机的危害，指出了超标的主要原因及防治措施，提出了监控的操作目标及管理要求，为标准的宣传贯彻及可操作性提供了可行性建议。
《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》(DL/T 651-1998)标准具体规定了氢冷发电机氢气湿度在运行氢压下的上下限值及充氢、备氢时补充新鲜氢气的允许湿度值。作好该标准的宣传贯彻工作并进行有效的监控与管理，是一项艰巨、细致而又繁琐的任务。下面就氢气湿度标准及氢气湿度超标对发电机的危害做一详述，并提出相应的防治对策，以做好氢气湿度的监控与管理。
1湿度的表示方法
湿度是指气体中的水汽含量，其表示方法较多，常用的有绝对湿度、相对湿度、露点温度等，相互之间可以换算。下面为有关概念的定义。
a. 绝对湿度湿气中水汽质量与湿气的总体积之比，g/m3。
b. 相对湿度压力为P 、温度为T 的湿气中，水汽摩尔分数与同一温度T 和压力P 下纯水表面的饱和水汽的摩尔分数之比，%。
c. 露点温度压力为P 、温度为T 、混合比为r 的湿气中，在此给定的压力下，湿气被水饱和时的温度，℃。
2氢气湿度标准
a. 发电机内运行氢压下的允许湿度低限为露点温度Td=－25 ℃，根据发电机内的最低温度规定了允许湿度高限，即当发电机温度最低为5 ℃时，湿度高限为露点温度Td=－5 ℃；当发电机温度最低≥10 ℃时，湿度高限为Td=0 ℃。
b. 供发电机充氢、补氢用的新鲜氢气在常压下的允许湿度为:新建电厂Td ≤50 ℃, 已建电厂Td ≤25 ℃。
3氢气湿度超标对发电机的危害
3.1氢气湿度过高对转子护环的影响
氢气湿度过高，使发电机转子护环产生应力腐蚀纹损并使裂纹快速发展。发生应力腐蚀有3个必要条件：材质，有较大的应力，有腐蚀介质。护环的应力腐蚀开裂与氢气介质湿度有很大关系，国内护环大多采用18Mn5Cr 、18Mn4Cr 奥氏体钢，机械性能优良，但在有腐蚀介质，如氯化物、硝酸盐、硫酸盐、亚氯酸盐和氢氧根的情况下，抗应力腐蚀能力下降。在相对湿度大于50%时，裂纹扩展速率呈指数增加。
3.2氢气湿度过高对绝缘性能的影响
发电机内氢气湿度过高，降低定子的绝缘电气强度，易使定子绝缘薄弱处发生相间短路。如由于制造方面的原因，200 MW发电机定子端部绝缘存在水接头和引线两处薄弱环节，均处于高电位，如氢气中含水或水汽严重时，会使绝缘薄弱处对其它线棒击穿放电。氢气相对湿度超出一定限值（80%），定子绝缘缺陷就会加速发展。氢气湿度高，如相对湿度超出75%，会使转子绝缘强度下降，甚至导致无法开机。
3.3氢气湿度过低对发电机某些部件的影响
氢气湿度过低，可导致对发电机某些部件产生不利影响，如可导致定子端部垫块收缩和支撑环裂纹。相对湿度小于0.5%，可认为是干气。
4氢气湿度超标的原因及防治对策
4.1新鲜氢气湿度高
从国内制氢设备运行状况来看，若DQ-4（1.0 MPa）型制氢设备仅用水冷除湿，氢气湿度最低只能达到露点-10 ℃，绝对湿度仅为2.04 g/m 3，大多电厂绝对湿度在8～15 g/m3，相当于露点7～18 ℃，远不能满足新鲜氢气标准要求；若水冷却器后加装冷凝式干燥器，运行正常时，氢气湿度露点最低可达到-18 ℃，绝对湿度为1.04 g/m3 ，大多在1～2 g/m3，亦不能满足标准要求；若安装分子筛干燥器，可使氢气湿度露点达到-50 ℃以下，可满足标准要求。当制氢设备为中压制氢设备（3.2 MPa）时，采用水冷除湿，可使露点降至-2
0～-25 ℃。对于老厂指标，可接近于标准值。如为新厂，则不能满足。由此可见，制氢设备加装分子筛干燥器，可以大大降低新鲜氢气湿度值。
4.2水系统泄漏
氢冷发电机水系统泄漏，主要包括氢冷却器及内冷水系统的泄漏，虽然氢压大于水压，但水汽仍有可能扩散到氢气系统中，应引起高度重视，加强检查，及时发现隐患，提高检修质量，使缺陷消除在萌芽状态。
4.3带水密封油漏入发电机
造成发电机氢气湿度大的主要原因为密封油带水，密封瓦串油，油中水份扩散到机内。防治措施：保证氢侧、空侧油压相等或压差降到最小程度，空侧与氢侧油流相互独立，使空侧油流与氢侧油流不发生交换。否则，当氢侧油压大于空侧油压时，会造成氢侧密封油箱液位下降，从主油箱补入含饱和空气和水分的润滑油，导致密封油中空气和水分增大，影响氢气纯度和湿度。当空侧油压大于氢侧油压时，空侧密封油进入氢侧，从而导致机内氢气纯度和湿度下降。为此，应采用密封油净化装置，调整好两侧油压，尽量使其平衡。同时应注意减小轴封漏汽，有效控制水对油质的污染。
5氢气湿度的监控与管理
5.1湿度单位的选用，利于监控目标的实现
氢气相对湿度≤30%，转子应力腐蚀速率几乎不变；当氢气相对湿度在30%～50%，转子应力腐蚀速率略有增长；当氢气相对湿度≥50%，转子应力腐蚀速率以指数级急骤增加；在相对湿度≥80%时，定子绝缘缺陷加速发展；在相对湿度≥75%时，转子绝缘缺陷加速发展。由此可见，只要保证氢气相对湿度≤50%，就能有效抑制护环急剧加速的应力腐蚀，更能确保定子和转子的绝缘强度水平不致降低。在湿度的众多表示方法中，露点作为湿度的单位较为直观，原则上与国际接轨，但同时列出相对湿度值更有现实意义。用机内相对湿度作为监控指标，可以直接有效地反应设备的健康水平，使监控目标明确。如果只用露点表示，那么在发电机正常运行状态下，即使露点温度有一定幅度超标，也可不必惊慌失措，其对发电机的危害很小。如某厂200 MW机组正常运行氢压为0.28～0.30 MPa，入口风温35～43 ℃，但最
低不得低于30 ℃，最高不得高于55 ℃。测得机内露点为10 ℃，严重超标，但机内相对湿度为最大，只有22%，对机组相当安全。按机内最低温度30 ℃计算，机内露点为10 ℃时，相对湿度最大也只有29%，也相当安全。在异常情况下，机内最低温度为20 ℃时，机内露点为10 ℃，相对湿度最大为53%，也仅比监控指标——相对湿度50%略大，也基本安全。在发电机充氢备用和启动时，由于冷氢温度较低，入口风温有可能达到10℃，露点标准限值和相对湿度限值50%基本对应，不会出现大相径庭的现象，用露点温度作为监控目标尚可。
5.2正常运行中的氢气湿度监控
发电机正常运行中，控制好运行风温和内冷却水温，运行风温应保持在35～45 ℃；补氢时不要大量补入低温氢气，通过控制水冷却器水量，将温度控制在40～50 ℃；由于氢冷却器冷却水和机内氢气存有较大温差，氢气湿度大时，首先在此处结露，根据湿度情况，定期或不定期排污，将水分放掉，达到降湿目的。配有氢干燥器，要保证设备正常运转，做好维护工作。经常监视内冷水箱上的漏氢情况，如发现漏氢，应尽早消除。只要控制好氢温，将相对湿度控制在≤50%甚至≤30%并不困难。
5.3充氢备用或机组启动时的氢湿监控
机组充氢备用时，为了保护绝缘，一般要求温度不低于5 ℃，氢压大于0.1 MPa，在此期间，极易结露，要严格执行氢气湿度标准，甚至更严。如冷氢温度为5 ℃时，要想使相对湿度保持在50%以下，则露点温度必须在-4 ℃以下。不论停用多长时间，应保持氢干燥器的正常运行，充分发挥其除湿作用。机组启动时，可将氢冷却器冷却水不投入，并网后投入。停机时，保持内冷水正常运行，内冷水的冷却水可不投入运行，使内冷水保持较高温度，可有效防止定子绝缘受潮，防止转子护环产生应力腐蚀。
5.4制氢站的氢气湿度监控
制氢设备运行时，要加强分子筛干燥器的排污工作，加强再生效果的监视。尽量保持较高的储罐压力，同时切实有效地进行排污工作，保证送氢湿度符合标准，即露点小于-25 ℃，并越低越好。
5.5电厂氢气湿度的综合管理
在电厂氢气湿度管理中，发电机设备管理、设备操作、氢气湿度监测分属3个不同专业，而日常生产管理中3个专业均属边缘管理，各专业均未将氢湿管理做为重点工作，因此各级领导要给予重视，认识湿度增大对发电机的危害，了解制定标准的背景，机组运行、大修及备用要有技术保证措施，加强对测试数据的分析，配备在线湿度仪，及时处理问题。
在计量法中规定, 湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度，RH%表示。总言之，即气体中(通常为空气中) 所含水蒸气量(水蒸气压) 与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压) 的百分比。 湿度测量的历史 湿度和温度很久以前就与生活存在着密切的关系, 但用数量来进行表示较为困难。湿度计测的历史可以追溯到中国的天秤型(公元前179年) 为最早的湿度计测。(温度计测可追溯到记载的希腊时代的温度计。) 绝对湿度（Absolute humidity) 单位体积（1m3）的气体中含有水蒸气的质量（g ）。 表示∶D=g/m3 但是, 即使水蒸气量相同, 由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化, 即绝对湿度D 发生变化。D 为容积基准。 相对湿度（Relative humidity ） 气体中的水蒸气压（e ）与其气体的饱和水蒸气压（ｅs ）的比／用百分比表示。 表示∶rh=e/es×100% 但是, 温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化,rh 也将随之而变化
露点（或霜点）温度：指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。
内冷水压力一定得小于氢气压力, 主要是为了防止定冷水渗入发电机内. 而氢气压力大于内冷水压力, 只会存在氢气往水侧渗入. 以确保发电机安全. 在定冷水箱顶部排气管上都装有氢气检漏装置. 主要是检测发电机内氢气是否发生渗漏. 而水温是大于氢温. 水温大于氢温是为了防止氢气在发电机在定子表面结露. 结露容易引起定子线圈间温差过大，致使定子线圈绝缘降低，而引起定子匝间短路。