秦山第二核电厂发电机氢气湿度控制

张红乐 叶丹萌 李凤山 高照 王赞娥

摘 要：根据秦山第二核电厂1&2号机组发电机氢气湿度控制实际经验，介绍了氢气湿度的不同表示方法及氢气湿度电力行业标准，指出氢气常压露点温度与运行氢压露点温度的区别，利用理想气体状态方程讨论了两者间相互转换过程。通过秦山第二核电厂1&2号机组发电机氢气绝对湿度与运行氢压露点温度相互转换计算实例，阐述了绝对湿度与运行氢压露点温度相互转换方法，并得出秦山第二核电厂1&2号机组发电机氢气湿度满足电力行业标准要求的结论。

关键词：氢气湿度 氢气压力 露点温度

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0219-01

秦山第二核电厂1&2号机组两台汽轮发电机为哈尔滨电机厂有限责任公司制造的QFSN-650-2型汽轮发电机，采用水氢氢冷却方式，即，定子绕组水内冷、定子铁心及端部结构件氢气表面冷却、转子绕组气隙取气氢内冷的冷却方式。氢冷发电机应控制好氢气湿度，湿度过高或过低都会给发电机稳定运行带来安全隐患。

1 氢气湿度表示方法及氢气干燥装置

1.1 氢气湿度表示方法

湿度指气体中水汽含量，表示方法较多，常用的有绝对湿度和露点温度。

（1）绝对湿度：湿气中水汽质量与湿气总体积之比。

（2）露点温度：压力为p、温度为T、混合比为r的湿气中，在此给定压力下，湿气被水饱和时的温度。

绝对湿度与温度有关，与水蒸气压力不存在单一函数关系，故会增加应用复杂性。露点温度能清晰直观表示湿气湿度，不受温度影响且与湿气中水汽含量成单一函数关系。露点温度表达了当物体温度高于露点温度时，不会在该物体上结露；反之，则会在该物体上结露。故采用露点温度作为氢气湿度表示方法，能直观地表示发电机内是否结露的情况。

1.2 氢气干燥装置

目前，已开发出基于吸附干燥和冷凝干燥两种原理氢气干燥器。吸附式干燥器干燥程度深，设备简单，但氢气处理量小，需再生，存在吸附剂油雾污染而中毒失效的缺点；冷凝式干燥器能持续去湿，无需再生，并能对被干燥氢气降温，但制冷式氢气干燥器制冷深度和干燥程度很难满足现行电力行业标准要求。秦山第二核电厂1&2号机组发电机采用吸附式氢气干燥器。吸附式干燥器的吸附剂是一种具有丰富微孔结构和巨大微孔内表面的固体材料，对气体中水分会强烈捕获，并将其吸附到微孔内表面上，降低气体湿度，常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛。秦山第二核电厂1&2号机组使用的吸附剂为活性氧化铝，其密度为0.7～0.8 kg/m3，孔径为40～50 mm，孔隙率为40%～50%。

2 氢气湿度行业标准及压力修正

2.1 氢气湿度行业标准

1998年3月19日发布的中华人民共和国电力行业标准DL/T 651-1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》[1]中，采用露点温度作为衡量氢气湿度的标准。该标准自1998年9月1日起实施，适用于运行中及充氢停运的国产200 MW及以上氢冷发电机。该标准规定：发电机内运行氢压下的允许湿度低限为露点温度td=-25 ℃，根据发电机内最低温度规定了允许湿度的高限，即发电机温度最低为5 ℃时，湿度高限为露点温度td=-5 ℃；发电机温度最低≥10 ℃时，湿度高限为td=0 ℃。

2.2 氢气湿度压力修正

有些运行单位对上述标准中氢气湿度规定存在误解，认为湿度限值为采用便携式湿度仪在机外所测值，因此造成相当数量发电机氢气湿度过高[1]。必须声明，采用便携式仪表在机外测量氢气湿度为常压氢气湿度，为与标准比较，应将测量值修正为机内压力氢气湿度。机内湿氢气由干氢气、干空气和水蒸气组成。湿氢气能否当作理想气体混合物，取决于其组成气体是否具有理想气体性质。干氢气是理想气体[2]，很宽压力范围内的干空气及温度不超过80 ℃的水蒸气可以看做理想气体[3]，因此温度不超过80 ℃湿氢气可看成理想气体混合物，理想气体混合物计算方法适用于湿氢气。根据理想气体状态方程pV=nRmT及道尔顿分压定律piV=niRmT[2]，两式中：p理想气体压力；pi理想气体混合物中水蒸气分压力；V理想气体体积；n理想气体中气体物质的量；ni理想气体混合物中水蒸气物质的量；Rm理想氣体通用气体常数；T理想气体温度。用后式除以前式得pi/p=ni/n，含湿量一定的湿氢气，ni/n为常数。故标准大气压pa下湿氢气中水蒸气分压力pai与运行氢压p下湿氢气中水蒸气分压力pi之间有如下关系：pai/pa=pi/p。算例，采用便携式仪表测量氢气露点温度tai，按水和水蒸气热力性质图表[4]查得与该露点温度对应的饱和水蒸气压力pai，将pai、pa和p代入上式，求得运行氢压下饱和水蒸气分压pi，按水和水蒸气热力性质图表[4]查得与该饱和水蒸气分压对应的饱和水蒸气温度tdi，tdi即为机内压力下氢气露点温度。

3 氢气湿度运行规定及相关限值

秦山第二核电厂1&2号机组主发电机正常运行及事故处理导则规定，发电机氢气湿度在额定氢压（0.5 MPa·a）下应控制在2 g/m3以下，超过此值应投入氢气干燥器，为防止氢气过于干燥导致发电机绝缘材料开裂，应控制氢气露点温度在-25 ℃以上。秦山第二核电厂1&2号机组发电机气体容积V=110 m3。湿氢气平均温度T=327.25K，即发电机内水蒸气温度。绝对湿度D=2 g/m3时，机内水蒸气密度ρ=D=2 g/m3，比体积ν=1/ρ=0.5 m3/g。将上述值代入理想气体状态方程另一表达形式pν=RT[2]，式中R为水蒸气气体常数，为0.461 kJ/kg·K[2]，求出此时水蒸气分压力pi=302 Pa，由pi按水和水蒸气热力性质图表[4]查得额定氢压下水蒸气露点温度tdi=-9.3 ℃，故秦山第二核电厂1&2号机组发电机氢气湿度高限在额定氢压下用露点温度表示为td=-9.3 ℃。秦山第二核电厂1&2号机组运行中发电机氢气湿度控制在0.8～1.6 g/m3之间，最低不低于0.6g/m3，可算出0.6 g/m3时对应额定氢压下露点温度为-23.7 ℃。

故秦山第二核电厂1&2号机组发电机氢气湿度满足电力行业标准要求。

4 结语

氢气湿度对氢冷发电机安全稳定运行有着极其重要的意义，鉴于氢气湿度的重要性，相关部门制订了行业标准，保证氢气湿度在合理范围内。各运行单位应通过氢气湿度不同表示方法间相互转换，将氢气湿度控制在行业标准要求范围内，保证发电机安全稳定运行。

参考文献

[1] 吕明，白亚民.发电机氢气湿度标准的制定[J].华北电力技术，2004（8）：45-47.

[2] 郁岚，卫运钢，尚玉琴.热工基础及流体力学[M].北京：中国电力出版社，2006：334.

[3] 刘晖，肖红.关于湿压缩空气热力性质计算的讨论[J].压缩机技术，2002（6）：11-12.