發(fā)電機漏氫監(jiān)測

發(fā)電機漏氫監(jiān)測技術介紹華北電力科學研究院有限責任公司白亞民教授級高級工程師一、概述發(fā)電機漏氫監(jiān)測裝置是保證氫冷發(fā)電機安全運行的重要監(jiān)測設備，監(jiān)測的對象是定子繞組水內冷系統(tǒng)及其封閉母線和密封油系統(tǒng)的密封性。其中水系統(tǒng)的監(jiān)測最重要，由于發(fā)電機氫壓高于水壓，當定子內冷水系統(tǒng)有滲漏故障時，定子內冷水箱中應有氫氣逸出。內冷水中的氫氣滲漏故障可能是由線棒絕緣及銅線磨損引起的，也有可能是水接頭密封失效、焊縫開焊、絕緣引水管損傷等其它原因造成的，由于各種滲漏故障都可能引發(fā)相間或對地短路事故，因而一旦檢測出內冷水系統(tǒng)漏氫量增大，就意味著嚴重的事故前兆，所以發(fā)電機漏氫監(jiān)測裝置有早期故障報警的重要作用。對該裝置的基本要求是能夠長期穩(wěn)定工作，對故障不誤報、不漏報。概述（續(xù)）二十五項反措規(guī)定，氫冷發(fā)電機應當加裝漏氫檢測裝置。據了解目前我國各電廠氫冷發(fā)電機大多均配備漏氫監(jiān)測裝置。目前國內生產的該類裝置從工作原理上分主要有兩種，一種是用鈀柵氫敏傳感器做探頭，對發(fā)電機就地測點處的微量氫濃度的變化進行長期在線監(jiān)測；另一種是由一臺安裝在發(fā)電機附近的熱導式氫氣分析儀就地從不同測點依次抽取氣樣進行檢測氫含量分析。兩種漏氫監(jiān)測儀在我國都已有十幾年以上的實際業(yè)績歷史，產品覆蓋范圍較大。二、HK-1型漏氫監(jiān)測儀簡介

1測量原理和基本結構該型漏氫監(jiān)測儀由探頭、二次儀表和連接電纜三部分組成。探頭部分由氫敏傳感器和采樣氣室組成，安裝在氣體采樣處，二次儀表安裝在電廠的集控室或發(fā)電機附近，二者之間以電纜連接。探頭的主要部件是鈀柵場效應晶體管，簡稱鈀管，其作為氫敏元件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—電轉換過程中不消耗氫等優(yōu)點，適合在線探測微量氫，并且是可置于易燃、易爆危險場合的本安型器件，早已在國內外取得測量微量氫的廣泛工業(yè)應用，如監(jiān)視變壓器油中產生氫氣的報警裝置等等。漏氫監(jiān)測儀工作流程圖工作流程圖的說明儀器被分為探頭部分和儀表部分兩個單元，中間由電纜連接。探頭部分由氫敏傳感器和采樣氣室組成，安裝在氣體采樣處。傳感器由氣—電轉換器、補償器、加熱器和測溫器構成。氣—電轉換器是鈀柵場效應管，開啟電壓值隨氫氣濃度變化。補償器的作用是對鈀管受到的非氫影響進行跟蹤補償，以減少讀數(shù)的緩慢漂移。加熱器和測溫器是為使氣—電轉換器在設定溫度下穩(wěn)定工作，以消除外界溫度變化對傳感器的影響。儀表部分由電源回路、恒流源、放大和線性校正電路、溫控電路、儀表指示以及報警單元等組成，安裝在遠離發(fā)電機的發(fā)電廠中央控制室內的儀表柜上。儀表部分各組件除提供探頭所需的電能外，還有對傳感器傳回電信號進行放大處理、線性校正、指示讀數(shù)和自動分析報警等儀表作用。其中很重要的一點是可以改善鈀管對氫氣電響應的非線性特性，使儀表讀數(shù)維持線性。探頭部分的氣室采用非磁性金屬材料制造，主要作用是采集氫氣和保護氫敏傳感器正常工作。氣室具有特制的透氫膜片，可以使氫氣透過而阻住水分、灰塵及油霧等對傳感器的損害。2.HK-1型在線監(jiān)測儀的性能特點

1)．儀表零位穩(wěn)定，指示重復性好，定標周期長，現(xiàn)場維護工作量小。氫敏元件對氫氣選擇性好、靈敏度高、響應和恢復時間短、工作溫度低以及氣—電轉換過程中不消耗氫，適合在線探測微量氫。多項減少“慢漂”的設計和工藝措施：傳感器工作穩(wěn)定性，儀器調零和定標周期半年以上，既保證了儀器的指示精度，也減小了現(xiàn)場工作人員的維護工作量。2)．儀表刻度線性化，讀數(shù)準確、方便鈀管特點是開啟電壓隨氫氣濃度呈負指數(shù)關系變化，在低濃度氫氣時（如0~0.5%）有較高的開啟電壓，反之當氫氣濃度較高時（如1.0%~2.0%）開啟電壓較小并且隨氫氣濃度變化的梯度很小，因此造成對氫氣響應的嚴重非線性，如圖實線所示。如果把氫氣響應在儀表上直讀，1%以上的刻度將擠靠在一起，很難讀出氫氣濃度數(shù)值和看出數(shù)值變化。為此，采用了特殊工藝結構，使得低濃度氫氣時的響應梯度減少一些，而較高濃度氫氣時的響應梯度提高一些，在一定程度上改善了鈀管氫敏響應的非線性程度，如圖虛線所示。另一方面，儀器中加入了線性校正電路（見流程圖），進一步對氫氣濃度的非線性響應信號進行處理，使得最終在儀器上顯示的氫氣濃度讀數(shù)刻度完全是線性的，便于觀察取數(shù)。鈀柵場效應晶體管對氫氣的反應曲線，實線為原始線，虛線為改良線開啟電壓（V）氫氣濃度％3)．儀器靈敏度高、響應和恢復時間短鈀柵氫敏管本身具有靈敏度高、響應時間和恢復時間短的優(yōu)點，對氫氣的響應和恢復時間一般均在幾十秒以內，可以滿足現(xiàn)場對于探測氫氣濃度變化的時間需求。為避免鈀管被水、油、灰塵等污染而性能變壞，需要在取氣通路中加裝透氫保護膜，該膜會增加儀器的響應和恢復時間。因此，透氫膜的性能決定了儀器對氫氣變化的反應速度。現(xiàn)在采用的透氫膜既可以迅速透氫又可以阻擋水、灰塵等污染物，同時又有一定機械強度和使用壽命。加上透氫保護膜對氫氣響應的延遲時間，儀器對氫氣變化的響應時間在一般為幾分鐘以內。4)．取氣氣室的設計問題探頭取氣氣室設計以實驗為基礎，針對封閉母線和定子內冷水系統(tǒng)以及密封油系統(tǒng)等處的不同情況，設計出相應合理的氣室結構，杜絕了因氫氣積存引起的誤報現(xiàn)象。5)．儀器工作可靠、使用壽命長提高HK-1型漏氫監(jiān)測儀可靠性的措施：半導體芯片內部的連接采用鉑硅—鈦—鉑—金的四重結構，這是目前半導體最完美的內部連接方式；傳感器金屬柵采用多元材料，并改進柵區(qū)結構和表面處理工藝，大大提高了鈀膜的抗剝落強度；鈀管的輸入端增加輸入保護電路，提高了傳感器的抗靜電感應的能力；設置了合理的接地回路，可避免由地回路饋入干擾信號；選用高輸入阻抗的儀表放大器，使儀器抑制共模信號的能力極強，大大提高了儀器的抗干擾能力，也減少了電纜長度對儀器性能的影響；通過了國家防爆電氣產品檢驗中心的“本質安全型”鑒定。以上措施有效地提高了儀器的可靠性，同時也增加了儀器的使用壽命。6)．儀器安裝和使用簡便HK-1型漏氫監(jiān)測儀設計結構緊湊，僅由探頭、儀表和連接電纜三部分組成。探頭安裝在發(fā)電機封閉母線、定子繞組內冷水箱等采樣點處；儀表安裝在控制室儀表柜上；專用電纜最長可達300m，兩頭備有專用插頭，連接方便。儀表本身調零、定標周期較長，可以安排在發(fā)電機大、小修時進行校驗工作，而且操作簡單。儀器具有自動聲、光報警功能，還留有數(shù)據傳輸接口，必要時可配置記錄儀進行自動記錄或送入計算機集控。3鈀柵氫敏傳感器型漏氫監(jiān)測儀

使用中需注意的問題鈀管測氫準確讀數(shù)范圍比較小，最大到6％，一般低于4％，故僅適用于檢測低氫濃度，最適于檢測微量漏氫。鈀管工作特性受環(huán)境溫度影響較大，也怕油污和水汽的污染，雖然工藝和設計上已經有所安全保護考慮，但還是要注意探頭比較嬌貴。鈀管本身對氫氣的響應是非線性的，濃度越高響應越低，雖然已在儀器設計上采取措施使讀數(shù)線性化，但較高濃度的測試結果肯定比低濃度時精度差一些。注意定期校驗。最好半年左右一次。4儀器的實際應用情況從1989年起，在華北地區(qū)幾個發(fā)電廠試用，并對出現(xiàn)的問題及時改進，使儀器不斷完善化。1992年10月由華北電力集團公司主持技術鑒定，被國內有關專家被評價為“國內領先、國際先進水平”。該儀器1993年獲華北電力集團公司科技進步一等獎，1994年獲電力工業(yè)部科技進步三等獎。目前，全國各發(fā)電廠大型氫冷發(fā)電機上應用廣泛，在維護發(fā)電機安全運行發(fā)電方面發(fā)揮著重要作用，其中運行時間最長的已連續(xù)可靠運行10年以上，有些還抓住了發(fā)電機的漏氫故障，及時報警并得到了處理。封閉母線和內冷水箱及氫冷卻器回水管上用的氣室示意圖

三、熱導型漏氫循環(huán)檢測裝置1測量原理和基本結構通過管道將測點氣樣輪流抽取到儀器柜內，由1臺各測點共用的熱導儀進行測量分析。該型裝置需要配置從測點至儀器柜的氣體取樣管路，此外，為完成各測點的自動切換測量，還需要配備抽氣泵、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。熱導儀有輪流顯示、報警功能和1路4-20mA輸出。測量原理是利用氫的良好散熱特性使通氫熱導室的鉑絲電橋電阻發(fā)生變化反映氫氣濃度。鉑絲需通電加熱工作，一般要求達到400℃才具有較高的測氫靈敏度，但為考慮檢測易燃易爆氣體的安全性，一般把溫度降到80℃～100℃，犧牲一些靈敏度。為防爆安全，前端還需有阻火件，為保證熱導正常工作，需要抽氣泵連續(xù)24h/d工作，將各測點氣樣反復輪流抽取至熱導儀的熱導室中進行分析測量。裝有鉑絲測量電橋的熱導室，不允許油氣及水汽進入。時間繼電器是儀器關鍵部件，其觸點功率很小，為開閉各測點氣路的電磁閥，還需要多個中間繼電器按時間繼電器間隔的輸出依次啟動氣路電磁閥。熱導型漏氫循環(huán)檢測裝置（續(xù)）近些年該裝置做了很多改進，較新型號的產品主要是改進了氣路切換方式，從用步進馬達旋動兩個四通閥，由馬達的步進旋轉變換氣路連接點，改進為各測點分別帶一個磁電導通閥，進行氣路切換，提高了工作可靠性，并且采用了進口的使用壽命較長的抽氣泵，有效地減少了氣泵損壞的故障現(xiàn)象。由于內冷水測點在內冷水箱頂部，測量時抽氣泵也將含較多水份的氫氣和空氣抽出，所以需要配裝帶有水汽吸附劑的干燥器。由于兩個油系統(tǒng)測點抽取的氣樣中含有大量透平油在高溫中產生的烷烴化合物（油煙），所以氣樣進入熱導儀前必須過濾，否則就會堵死阻火塞，從而得不到真實測量結果。油氣直接進入熱導儀氣室易燒壞熱導儀的測量部件。所以油煙過濾器是必備的，并且還需及時更換和清理該部件。2熱導型漏氫監(jiān)測儀的特點

是測量氣體含量的傳統(tǒng)方法，氫氣濃度測量范圍寬（0~100％），重復性好。但1％以下和95％以上氫氣濃度測量精度較低。在規(guī)范使用的情況下，儀器使用工作穩(wěn)定性高，長時間無須標定和調校。反應時間有一定滯后。用抽氣泵通過管道將被測氣體輪流抽到一臺熱導儀中去測量顯示氣體中的氫氣含量，其顯示時間上存在大約30分鐘的滯后（以6個測點，每測點占5分鐘計算）。此外，還可能存在氣體滯留在管道中造成讀數(shù)“死機”的現(xiàn)象。抽氣泵需24d/h不間斷工作，成為儀器的易損易泄漏部件。內冷水箱頂部抽出的氣體濕度高對儀器的影響。汽、勵兩側油回路中油煙氣對儀器的影響。油測點可能帶來另一種嚴重問題是油污會使粉末冶金制造的阻火塞變得不暢通，反過來又將影響到其它各測點的測量。3熱導型漏氫監(jiān)測儀實際使用情況

因過去多數(shù)隨發(fā)電機供貨，所以配有該型漏氫監(jiān)測儀的電廠非常多，超過了氫敏傳感器型儀器的應用數(shù)量，但仍能正常使用的要少很多。由于該類型儀器運行維護要求高，容易出現(xiàn)設備故障，使一些儀器運行不久即不能正常運行。現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，在實際使用中部分該裝置存在不能正常連續(xù)使用的現(xiàn)象，有的因故障退出了運行，包括前蘇聯(lián)進口的發(fā)電機，有的電廠為此不再連續(xù)監(jiān)測漏氫，改為定期人工檢驗，還有的電廠改裝了其它型式的漏氫監(jiān)測儀。四、綜合性比較據了解，世界上只有前蘇聯(lián)和中國采用熱導型裝置監(jiān)測發(fā)電機漏氫。根據專利文獻資料檢索，發(fā)電機漏氫狀況監(jiān)測裝置的配置，國際上發(fā)達國家通常采用壓力傳感器元件組成的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內冷水系統(tǒng)中的漏氫，而對封母、密封油等其它部位的漏氫通常不做定位監(jiān)測，只是從漏氫總量上進行控制。利用氫敏元件在發(fā)電機內冷水系統(tǒng)中監(jiān)測含氫量有一些國外專利報道，但經了解并沒有形成工業(yè)應用。4.1漏氫監(jiān)測儀的安裝

從安裝角度看，氫冷發(fā)電機氫氣系統(tǒng)的各種監(jiān)測裝置，如氫純、氫濕等通常不直接作用于停機，是可以定期手工檢測的，故連續(xù)在線監(jiān)測類的發(fā)電機漏氫監(jiān)測儀一般僅作為發(fā)電機的可選附屬裝置。盡管這類裝置的工作方式和配置完全不同，但安裝方式基本一樣，即通常所謂的外掛式，僅需要在停機期間對發(fā)電機主機做少量安裝工作即可投入運行。以后覺得某裝置運行不好，隨時可以拆下或更換。因此，熱導型和氫敏元件型的漏氫監(jiān)測儀在安裝方面屬于同一類儀器，但由于氫敏元件型儀器不需要氣體取樣管路，發(fā)電機就地也不需要安裝儀表柜，相對來說，安裝更簡單一些，也不占用現(xiàn)場空間。4.2不同測點環(huán)境對儀器測量的影響4.2.1封閉母線測點封閉母線套管應是不允許微漏氫的，為避免氫爆需要及時發(fā)現(xiàn)和處理此類故障，25項反措和標準都有規(guī)定，超過1％就需要停機處理。發(fā)電機封閉母線CT出線長方形箱體的上平面開有三個排氣孔，是為套管漏氫泄放氣體用的，漏氫監(jiān)測儀探頭即安裝在此排氣管上，此處也可用于便攜儀表檢查漏氫用。熱導型儀器在封閉母線上的測點除反應有延遲外，抽氣量的選擇十分重要，選擇不當可能導致較嚴重的測不準現(xiàn)象。實際使用中氫敏元件型儀器效果較好，尤其是大修后起機時或負載有較大波動時發(fā)生報警，對于及時發(fā)現(xiàn)故障隱患起到了作用。4.2.2定子內冷水箱測點定子內冷水箱水位在箱容積的2/3到3/4之間。由于發(fā)電機引水管本身是微透氫的（新型引水管基本不透氫），并且氫壓高于水壓，正常情況下內冷水中可能含有一定量的氫氣（約1％濃度）。內冷水箱有密閉式水箱和開啟式之分，前者通常充氮呈微正壓狀態(tài)，但有的發(fā)電機因設備損壞或其它原因并不充氮，也無微正壓而密閉運行，這種密閉式水箱會造成氫氣的積累，取樣測試氫含量可能達3%以上，實際反映的是積存氫氣而不是真實的泄漏情況；后者與大氣相通，保持常壓。對于充氮微正壓水箱，氫敏傳感器型探頭在回水管上通過針型閥取微量水樣，再用氣水分離罐分離出氣體進行檢測，效果比較理想。熱導型儀器如果不對內冷水箱進行改造，直接對密閉微正壓或常壓水箱斷續(xù)或連續(xù)抽取氣體采樣，其測量讀數(shù)大小與補氮氣量有關，氮氫比例很難正好反映水系統(tǒng)中實際的含氫量，將會出現(xiàn)較大測量誤差。密閉式內冷水箱的國外引進技術中原配的壓力傳感器型漏氫監(jiān)測系統(tǒng)，是較理想的監(jiān)測系統(tǒng)，但系統(tǒng)結構復雜，運行維護困難，價格亦較高，國內運行經驗也很少。4.2.2定子內冷水箱測點（續(xù)）開啟式水箱內部與大氣相通，水箱上部空間是空氣和水系統(tǒng)中逸出氫氣的混和氣體。如果水箱頂部排空節(jié)門是關閉的，那么與上述密閉水箱不充氮的情況一樣，由于正常微滲漏氫氣的積累作用，從水箱頂部抽出采樣的氣體中氫含量可能高于3％，所以應當定期打開排空節(jié)門放氣，否則測量的結果將不能反映水系統(tǒng)的實際漏氫情況，甚至誤導運行人員。所以，測試的基本要求是測試時打開排空門。熱導型儀器因為必須抽氣運行，則存在抽氣量對測量的影響問題，與封閉母線上類似，抽氣量小了不能很好反映水系統(tǒng)的真實情況，量大了稀釋過度，也改變了水系統(tǒng)含氫量的真實情況，而且大量的抽氣難免使帶進的灰塵污染儀器，影響測量結果，同時把導電微粒和富含鈉鉀的濕氣抽進水箱，加快了水質惡化，使導電率、酸堿度等指標超出合格范圍。定子內冷水箱監(jiān)測漏氫的意義檢測內冷水箱的含氫量變化對監(jiān)視定子線棒絕緣破損，特別是各個連接頭處密封狀況有著極其重要的價值，從避免發(fā)電機突發(fā)重大事故的預警功能上來說，比監(jiān)視封閉母線上的漏氫量更為重要。正常情況下漏氫指示有一個基數(shù)，通過觀察記錄它的變量就能間接知道定子繞組內冷水系統(tǒng)密封性是否異常。實踐表明，內冷水系統(tǒng)方法漏氫監(jiān)測儀在使用中曾多次成功報警，及時地發(fā)現(xiàn)了發(fā)電機內冷水系統(tǒng)的故障。如盤山電廠。通過減負荷、減氫壓、增大氫水壓差等方式，能夠在運行中驗證水系統(tǒng)故障報警的真實性，用便攜式儀表在排空門出口檢測也可以對比驗證。4.2.3密封油回油測點發(fā)電機汽、勵兩端空側回油管路上有兩處位置可設置含氫量測點，一處是在回油管水平段上，一處是在發(fā)電機汽、勵端端蓋的上半部。汽、勵端回油管中流有空側軸瓦密封油和大軸潤滑油回油，由于油壓調節(jié)跟蹤精度和滯后等多種原因，空側密封油中一般均含有一定量的氫氣，除氫氣外還有透平油分解出的大量烷烴化合物（油煙狀），這兩樣東西隨油回到主油箱后從油中分離出來，通過管道由抽油煙機排到廠房外。氫敏傳感器型儀器的測量方式是通過焊在回油管水平段的法蘭螺接帶有油、氫、水分離膜的金屬氣室，在不影響原工況下，監(jiān)測回油管水平段某點的管內氫氣濃度。由于膜的存在，烷烴化合物不會沾污氫敏傳感器。膜下的油污也不影響氫氣的穿透。抽氣式的熱導儀測量方法是在端蓋上半邊安裝抽氣管。因為密封油和潤滑油運行中是高速進出的，油高速回流產生的虹吸現(xiàn)象使端蓋內部呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，運行中正常情況下烷烴化合物濃度遠遠大于氫氣，在端蓋上抽氣就會出現(xiàn)兩種情況，抽氣量小時采不到氣樣，抽氣量大時抽出的主要成分是油煙狀的烷烴化合物。當油壓跟蹤較差時，大量氫氣漏向空側，這時才可以較準確地檢測到氫氣。4.2.4氫氣冷卻器監(jiān)測