3 干燥技术的发展

根据目前氢气干燥设备运行中存在的问题和不足，笔者先后开发了4套HEAP-30型氢气干燥器用于湛江发电厂4台300MW机组的氢气干燥，且每一次均有不同程度改进，是该厂使用的第五代氢气干燥器产品^[11-13]。彻底解决了长期以来困扰该电厂发电机组氢气湿度超标的难题，代表着制冷式氢气干燥技术的发展方向。图2所示为安装于该厂#3机组的HEAP-30型氢气干燥器的外观照片。

图2 安装于湛江发电厂#3机组的HEAP-30型氢气干燥器

3.1 工作原理
HEAP-30型氢气干燥器采用单压缩机带双蒸发器工作方式，通过制冷方法，对发电机内氢气进行机外循环冷凝干燥。来自发电机组的热湿氢气先进入氢气热交换器与冷却去湿后的冷干氢气进行冷热交换，目的是在提高冷干氢气温度的同时，对热湿氢气进行预冷。经预冷后的热湿氢气流入第一级高效氢气冷却去湿器进行初级冷却去湿，再流入第二级高效氢气冷却去湿器进行深度冷却去湿，经过这一过程后，被处理的氢气温度能降到-15℃以下，致使氢气中的水蒸汽凝结成水和霜或冰，附在蒸发器表面。去湿后的冷干氢气经逆向绕流式氢气热交换器与入口热湿氢气进行冷热交换，温度上升，再经氢气管道进入发电机组，对发电机组进行冷却。一段时间后(如8小时)，启动热气化霜，将去湿器中冰或霜热化成水流入贮水箱，当贮水箱的水位达到一定高度时，由运行人员开启放水阀泄水。
3.2 构成及功用
HEAP-30型氢气干燥器由三个子系统——制冷系统、氢气去湿系统、控制与监测系统组成。装置主要技术性能见表2。

表2 HEAP-30型氢气干燥器的主要技术性能

子系统	参数名称	单位	数值
制冷系统	压缩机组型号 制冷剂 制冷剂过冷度 制冷剂充灌量	℃ kg	METZ80HP R134a 5～8 5
控制 与监 测系 统	电源 运行方式 控制方式 显示方式 检测控制内容 数据存储方式		～3 380V 50Hz 双机交替运行 自动控制 数码或图形显示 压力、温度、湿度 ASCII
去湿干燥系统	最大工作压力 氢气流量范围 出口氢气温度 蒸发器内氢气温度 入口氢气含湿量 出口氢气含湿量 机内氢气绝对湿度 机内氢气露点 化霜温度 化霜时间 化霜方式	MPa Nm3℃ ℃ g/m3 g/m3 g/m3 ℃ ℃ h	0.55 50~200 10~15 -15~-18 不限 <1 1～2 -12～-8 35～65 0.5～1.0 热气化霜

3.2.1 制冷系统
制冷系统为整套设备提供冷源，将被处理的氢气温度降到所需露点以下，使氢气中的水蒸汽凝结成水和霜或冰。制冷剂的热物性是开发HEAP-30型氢气干燥器的基础，通过对环保型制冷剂R134a的PVT、蒸汽压、表面张力等热物性进行收集、比较和测试，确定了制冷系统的原理、连接工艺及相关制冷部件的选配。本干燥器的制冷系统的主要设备包括采用环保型制冷剂R134a的空冷式压缩机组、空冷式冷凝器、过滤干燥器、视液镜、电磁阀、热力膨胀阀、连接管件、密封件、气液热交换器等。
经过理论计算与实验比较，确定冷凝液体的过冷度、R134a的充灌量等关键制冷参数，以使系统工作时，与氢气接触的蒸发器芯子的表面温度可达-20℃~-18℃。
3.2.2 去湿干燥系统
去湿干燥系统的作用是对氢气进行冷却、去湿干燥，同时储存一段时间内(10~15d)从氢气中脱出的水份，并提升出口处氢气的温度。主要由逆向绕流式氢气热交换器^[14]、高效氢气冷却去湿器^[15]和储水箱、连接管件、泄水阀等组成。其中，逆向绕流式氢气热交换器和高效氢气冷却去湿器是整台干燥器的氢气去湿能力达到发电厂对氢气湿度的最高要求指标的关键部件，由笔者根据此装置热交换设备的特殊性，并在考虑R134a独特物性、氢气物理特性、进出口氢气运行工况等前提下，应用强化传热技术，专项研制而成。
高效氢气冷却去湿器是将高效蒸发器芯子安装在密封的钢质方形盒子中，氢气与高效蒸发器芯子直接接触，接触面积大。当氢气在交错的管片间流动时，产生强烈湍流，具有很高总传热系数。并且是单路供液，成对使用。逆向绕流式氢气热交换器为同轴双筒式结构，冷氢气走内筒，热氢气走外筒。这种结构能使其在同等体积下，通过增大传热面积、延长接触时间、破坏层流边界层等方法强化进出口氢气的换热，有效地实现进口氢气预冷、出口氢气预热的效果。
3.2.3 控制与监测系统
控制与监测系统提供多点湿度、温度、压力在线监测控制，并保证设备全自动运行。压缩机的运行或停开由在线露点监测仪发出电信号给电气与电子监测控制系统完成。为提高去湿装置运行安全性，控制系统中的电器元件采用德国MOELLER产品，且电控箱密封性好，有很好的防爆性。保护系统设置了制冷压缩机组高、低压保护，相序保护，断相保护，过流、过压、短路保护。监测系统对设备内氢气的压力、温度、湿度进行在线监控，各测量参数采用曲线形式给出，并记录历史数据，供分析用。
3.3 工业应用与效果
由于环保型制冷剂R134a单位容积制冷量和COP值比已受控的制冷剂R12或过渡性制冷剂R22稍低^[16]，所以为解决因采用环保型制冷剂R134a带来的制冷量下降，并为了进一步降低能耗，在设计中对装置中的压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、控制设备等作了一些调整，从而达到最佳匹配。整机在生产过程中，严格按我国国标，对氢冷去湿装置进行了蒸发温度、冷凝温度、过冷度、制冷剂R134a充灌量、冷却速度、启动特性、耗电量及绝缘性等进行试验，确保了其安全性和可靠性。
经湛江发电厂运行人员对发电机内氢气湿度的监测表明(参见图3)：安装了HEAP-30型氢气干燥器后，去湿干燥期间，发电机组内的氢气湿度，在额定氢气下，氢气露点t_d一直稳定在-15℃~-8℃之间，相应的绝对湿度d=1~2g/m³。氢气的湿度指标处于现行电力行业标准DL/T 651-1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》所规定的范围。

图3 每天同一时刻发电机组内氢气露点的变化

通过对运行中的HEAP-30型氢气干燥器进行长期跟踪调查，结果发现：在设计寿命期间的干燥器运行正常，干燥器的制冷速度与深度、去湿干燥效率、去湿与化霜状况、气密性、防爆和防腐要求均和设计要求相符，仅一台因误操作而维修外，其余几台均未小修过。

4 结 语

科学技术的飞速发展以及各大电厂对更高机内氢气标准、规范的重视与执行，促使氢气干燥技术近年来发展迅速。吸附式和冷凝式二大类氢气干燥器各有其特点、适用场合。从干燥原理和运行效果上说：冷凝式氢气干燥具有去湿与降温的双重功能，被处理后的氢气为冷干氢气，较吸附式干燥器更适合氢冷发电机的氢气冷却去湿。氢气冷却去湿器和氢气热交换器是机械制冷式氢气干燥器达到最佳去湿干燥指标的关键核心部件，应采用强化传热技术进行研制。
目前,已研制成功的HEAP-30型氢气干燥器设计合理，氢气去湿干燥效率高，降湿速度快、高效环保，能适应50~600MW氢冷汽轮发电机的氢气干燥；在额定氢压下，能将发电机内氢气湿度指标长期且稳定地降至现行电力行业标准DL/T 651-1998所要求的范围。多年来的现场运行表明：其运行安全，操作方便，维护极少且方便以及防爆，连续运行稳定，使用寿命长，是国内氢冷发电机组中氢气干燥的理想设备。

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