冷凝式氢气干燥器的概况与发展
来源：中国电厂化学 作者：佚名 发布日期：2008-6-4 18:37:10
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381PassingStatusandProgressofHydrogenDesiccatorBasedonCondensation龙新峰华南理工大学化工与能源学院(510640)摘要：降低氢冷汽轮发电机内的氢气湿度至一定范围，对提高发电机运行效率，延长发电机使用寿命有重要作用。系统地介绍了汽轮发电机氢气干燥技术的几种形式，并对近年来冷凝式氢气干燥器的发展概况进行了较为详细分析与比较，指出了现有氢气干燥设备存在的弱点与不足。研究表明：机械制冷式干燥技术更适合氢冷发电机的氢气冷却去湿，氢-氢热交换器、冷却去湿器两个部件是决定冷凝式氢气干燥器干燥程度的关键，必须采用强化传热技术进行专项设计和开发。文中最后介绍了新近开发出的HEAP-30型氢气干燥器的工作原理、技术特点、性能指标和现场实际应用情况与运行效果。
关键词：汽轮发电机氢气干燥发展研究现状Abstract：Reducinghydrogenmoistureinsidetheturbogeneratortoacertaindegreeisofstrategicimportanceforimprovinggeneratorefficiencyandprolongingitslifelength.Severalkindsofhydrogendesiccationtechnologiesforturbogenerationaresystematicallyintroducedinthispaper.Thepassingstatusandprogressofhydrogendesiccatorbasedoncondensationinrecentyearsisanalyzedandcomparedwitheachotherindetail.Basedoncurrentapplicationsituation,shortcomingsanddeficiencyoftheexistinghydrogendesiccationdevicesarepointedout.Researchresultsshowthatrefrigerationdesiccationtechnologyismorecompatibleinhydrogenmoistureremovingasforturbogeneration.Bothhydrogen-hydrogenheatexchangerandcoolingmoisturedryerarethekeypartswhichdecidethedesiccationdegree.Therefore,thattwopartsmustbedesignedanddevelopedaccordingtoheattransferenhancementtechnology.Intheend,theHEAP-30typehydrogendesiccator,whichdevelopedandmanufacturedbytheauthorrecently,isintroducedinthispaperasforitsworkingprinciple,specificationcharacteristic,behaviousparameters,andfieldapplicationandrunningeffect.
Keywords：TurbogeneratorHydrogendesiccationDevelopmentPresentresearch作好湿度监测并将机内氢气湿度降低到标准允许范围，是确保氢冷发电机可靠运行，避免发生恶性及灾难性事故的重要工作[1]。在氢气系统中加装干燥设备已成为降低湿度的一种必要手段，氢气干燥设备也逐渐成为一种不可或缺的电站辅机。目前，人们已开发研究出基于吸附干燥和冷凝干燥两种原理、形式多样的氢气干燥器。与吸附式干燥相比，冷凝式干燥能持续去湿、无需再生、操作简单且去湿效率高，维护频率和难度低并能对被干燥的氢气降温，加强了氢气对电机的冷却作用，更适合用于氢冷发电机的氢气干燥。本文基于有关的研究(包括作者和研究集体的相关研究)，介绍了汽轮发电机氢气干燥技术的几种形式，并对近年来冷凝式氢气干燥器的发展概况进行了较为详细分析与比较，最后对新近开发出的HEAP-30型氢气干燥器的工作原理、技术特点、性能指标和现场实际应用情况与运行效果进行了说明，可为这种干燥器的工业应用及与其他气体干燥技术的结合使用提供参考。1干燥方式的选择迄今为止，所有发电厂用的氢气干燥设备所采用的干燥方式均为吸附式干燥或制冷式干燥方式中的一种。
吸附式干燥器常采用的具有不同吸水性能的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛，表1[2]示出了这类吸附剂的物理性质。吸附剂的再生是整个干燥过程的关键操作技术，按再生方式不同，可以分为有热再生干燥器和无热再生干燥器两类。表1常用吸附剂物理特性吸附剂密度kg/l导热系数kJ/m·h·k比热容kJ/kg·K空隙率孔径nm堆积真比重硅胶0.4~0.71.20.711.00343~5020~40
活性氧化铝0.7~0.82.3~3.30.471.04545~5040~50
分子筛4A0.721.12.120.752454.8
采用吸附式原理制成的干燥器，对氢气去湿处理后获得的热干氢气露点常在-40℃以下[3]，氢气太干燥，会导致对某些部件产生有害影响，如定子端部垫块收缩和支撑环的裂纹，对发电机安全运行不利，也不符合现行电力标准DL/T651-1998对湿度低限的规定(即：允许湿度的低限为td=-25℃[4])。
另外，吸附剂在吸附水份的同时，对氢气中的油也有吸附作用，但所吸附的油却不能被脱附再生，而引起吸附剂中毒失效。吸附干燥过程是一个升温过程，被处理后的氢气是热干氢气，这与氢气用来冷却发电机的作用不相符，且氢气处理量太小。因此，此类干燥设备更适合用于发电厂制氢站的氢气干燥。与吸附式去湿干燥方式相比，制冷式干燥不用任何干燥剂，故不存在干燥剂的浪费、中毒失效和再生问题。制冷式干燥能持续去湿、无需再生、操作简单并能对被干燥的氢气降温，加强了氢气对电机的冷却作用。现场使用条件下，氢气去湿效率比前者高，维护频率和难度较前者低。从适用性、可能性、经济性等角度综合考虑，宜选用冷凝式氢气干燥方式。2冷凝式干燥器冷凝式干燥技术利用的是水蒸气遇冷凝结原理，通过制冷循环将氢气温度降低至所需露点温度以下，多余的水份被凝结成霜或液态水，然后经热气化霜排出，达到降低氢气绝对湿度的目的。采用该技术对氢气干燥，干燥程度完全取决于气体被冷至温度(露点)。冷凝式氢气干燥器是基于上述原理发展起来的，也就决定了此类器能连续去湿、降湿量大，并具有干燥与降温双重功能，被处理后的氢气为冷干氢气，较吸附式的去湿与升温后生成的热干氢气更适合氢气对发电机的冷却作用。按制冷方式不同，冷凝式氢气干燥器可分为二大类：
2.1半导体制冷式干燥器
半导体制冷又称温差制冷或热电制冷，这项技术自20世纪50年代末发展起来后，因其具有独特的优点而得到了较广泛的应用[5]。半导体制冷原理建立在以下三个现象(效应)的基础上:塞贝克效应(Seebeckeffect)、帕尔帖效应(Peltiereffect)和汤姆逊效应(Thomsoneffect)。
在工程技术上具体应用的热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成的，其制冷原理如图1所示[6]。半导体制冷器件是构成半导体制冷设备的主要部件，它是由若干热电偶串联起来构成的热电堆、冷端散热片和热端散热片等组成。图1半导体热电偶制冷原理图牡丹江第二发电厂电力科技开发公司生产的BLNG-1F型氢气干燥器利用的就是这一半导体制冷技术，该型氢气干燥器主要由除湿换热器、半导体制冷组件、循环冷却水系统、直流电源系统和控制系统组成。陈建松等人[7]设计了一种实用新型计算机多点温度采集系统，用于BLT-2型半导体冷凝式氢气干燥系统进氢口、出氢口、冷却水进口、冷却水出口等四路温度信号的测量。采用Cu50传感器作温度传感器，IL7109作模数转换器，单片机采用AT89C51或AT89C52和AT89C2051，测量误差符合系统所规定的要求。
与普通蒸汽压缩式制冷相比，半导体制冷式干燥器无机械运动部件且不使用制冷剂，也就不存在制冷剂泄漏及其他一些机械故障，设备紧凑，体积小、重量轻、无噪声、无磨损、无振动、运行可靠、维护方便；可通过改变直流电流方向达到冷却和加热两种不同的目的，非常方便地实冷却去湿干燥和加热化霜两种功能；制冷速度与制冷深度可通过调节工作电流大小来控制，操作方便，自动化程度高。从环保的角度看，是一种值得发展的干燥技术。目前，半导体制冷式氢气干燥器存在着一些弱点与不足，如半导体组件的质量、性能不稳定，制冷深度达不到要求，制冷系数ε相对较低，导致产冷量低、单位产冷量的成本高；更为主要的是，某串联支路只要一个半导体组件损坏，均将使该支路断路，导致整个干燥器不能正常运行。这些问题如能获得解决，半导体制冷式氢气干燥器将具有很大的发展前景。
2.2机械压缩制冷式干燥器
机械压缩制冷是通过压缩机使制冷剂完成逆卡诺循环来实现的，是一门最成熟的制冷技术。采用该制冷原理进行干燥，技术上较易实现。近年来在我国得到了较大的发展，相继开发出了各种型号的氢气干燥器，如牡丹江氢气干燥器厂生产的QLG-I型、QLG-II型和QLG-III型，扬州电力设备修造厂生产的LQS-I型、LQS-II型，长沙城达新技术开发公司研制的ZLF-200、300型和ZLZ-4/10、ZLZ-10/32型，秦州分析器厂生产的QCJ型，东方电力设备厂研制的QLG-V型氢气干燥器均是采用压缩制冷来降低氢气温度，达到去湿干燥目的。
机械压缩制冷技术本身已发展得较完善成熟，因此，采用该技术开发氢气干燥设备时，研发的重点应放在氢气冷却器、氢-氢热交换器及电气控制系统上，以使设备具有去湿效率高，连续运行稳定、安全可靠，自动控制等特点。LQS系列的氢气冷却器选用了防油污强的盘管式结构，并研制出一款氢-氢热交换器来降低进入冷却器的氢气温度、同时提高返回发电机的氢气温度[8]。ZLF系列为防止制冷剂漏入蒸发器，采用蓄冷式整体间接制冷方式，研制出一款被称为“冷包”的氢气冷却器[9]。
制冷式氢气干燥器为发电机氢气的冷却去湿，机组的安全运行做出过突出贡献。随着电力事业的发展，单机容量逐步提高，氢气湿度标准也日渐提高，目前的制冷式氢气干燥器的制冷深度和干燥程度很难满足现行电力标准DL/T651-1998的要求。根据文献[10]对多个电厂氢气湿度的调查，发现机内氢气湿度普遍偏高，与DL/T651-1998的要求还有一定的差距。随着环保执法力度加强，以氟里昂R12或R22作制冷剂的制冷干燥技术的进一步发展受到制约。
从技术上说，单级压缩制冷的制冷深度所起的干燥效果是完全能满足新标准DL/T651-1998对机内氢气湿度的要求。所以在今后的发展中，应根据氢气的运行工况，利用强化传热技术加强对设备中的氢气冷却器和氢-氢热交换器的研发，选用环保制冷剂，采用全封闭压缩机和氢气管路全焊接结构工艺减少/消除制冷剂泄漏及其他一些机械故障，以促进这一适宜的氢气干燥技术获得新的发展。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
