目前，我国各发电厂氢冷式发电机在用的氢气干燥装置主要有三种类型：冷凝式氢气干燥器、电子致冷式氢气干燥器和再生吸附式氢气干燥器，不论使用哪种类型的氢气干燥装置，只要装置正常运行，发电机内的氢气湿度都能达标。但是目前多数电厂所使用的氢气干燥器都存在一些问题，有代表性的问题是运行过程中频繁的故障和较大的维修、维护工作量，个别问题是能耗较高除湿效果不是很理想或者必须要定期更换耗材运行成本较高。鉴于以上情况，许多发电厂对于如何选择一台合适的氢气干燥设备而感到茫然，究竟如何选择适合本厂发电机情况的氢气干燥装置呢？下面我就这一专题结合我公司近二十年研制生产和安装调式氢气干燥器所积累的技术和经验做一个对比分析介绍。
我们先来分析一下发电机内氢气的除湿要求。
根据DL/T651-1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》，运行于环境温度20℃以上的发电机机内氢气露点不大于0℃，不小于-25℃，运行于环境温度0-20℃的发电机机内氢气露点不大于-5℃，不小于-25℃。由于发电机氢气干燥循环只是部分循环,为了满足发电机内氢气湿度要求，氢气干燥器的出口氢气工作压力下的露点最佳范围是-15℃—-25℃。
发电机内的水分来源主要是密封油中的水分、制氢站来氢中的水分及刚检修完的机组中内部残留的水分等。目前国内氢冷发电机顶轴密封润滑油中的含水量普遍较高，在发电机不漏油的情况下，密封油中的少量水分渗透过密封轴瓦进入到发电机内的氢气中，在发电机漏油的情况下，大量的水分直接蒸发到发电机内氢气中。目前我国大部分发电机存在密封油向机内渗漏或漏油的情况。总体来看，国产发电机内的氢气中水分来源普遍较大。
根据我们的经验，目前能够使所有漏油较严重、氢气湿度较大的200-600MW发电机内氢气湿度在72小时内达标的在线氢气干燥器，必需满足以下条件：氢气干燥器必需耐油污染，并能顺利的排油、排污；对于间歇式除湿的氢气干燥器，其氢气处理量应在80Nm3/h以上，出口氢气工作压力下的露点在-15℃—-25℃的持续除湿时间应不少于2小时，间歇时间应不大于1小时。对于持续除湿的氢气干燥器，出口氢气工作压力下的露点在-15℃—-25℃范围内，氢气处理量应在50Nm3/h以上。为确保适用于所有发电机的氢气除湿，氢气干燥器必需满足以上条件，才能推广应用。
几种类型的氢气干燥器的除湿原理简介和优缺点分析
氢气去湿的方法主要分两种，一种是冷凝式除湿，即：使用制冷设备将氢气的温度降低，使其中的水分以结露或结霜的形式析出，再经过化霜将析出的水分排出，从而达到氢气去湿的目的。根据使用制冷设备的不同，冷凝式除湿装置又分为机械制冷式和电子制冷式二种。通常前者称冷凝式氢气干燥器，后者称电子致冷式（或称半导体致冷式）氢气干燥器。另一种是吸附式除湿，即：使氢气以一定的速度流过装有吸湿剂的容器，使其中的水分被吸湿剂吸收，从而达到氢气去湿的目的。
1. 电子制冷式氢气干燥装置
电子制冷是二十世纪五十年代发展起来的人工制冷技术，其制冷方法是：在两块金属板之间按相同方向排列大量的P、N型半导体材料，形成同向的异种导体接触面（PN结），制成制冷组件。当给制冷组件通以一定的直流电流时，异种导体接触面将发生珀尔贴效应，其一端（热瑞）温度升高放出热量，另一端（冷瑞）温度降低吸收热量，因而达到制冷的目的。由于电子制冷不存在转动设备，因此电子制冷式氢气干燥器具有无磨损、无振动、无噪音、不污染环境、维护量小等优点。但电子制冷技术至今仍无较大发展，原因是目前半导体制冷组件的珀尔贴效应仍然较弱，制冷效率很低。同时发生珀尔贴效应的异种导体接触面较薄，材料的导热系数较大，冷、热面的热传导较强，因此电子制冷不利于保温，随着制冷深度的增加，冷、热面的热传导加强，电子制冷的制冷效率会进一步变低（30℃对-15℃的能量制冷利用率不到10%，实际制冷系数不到0.4）。用半导体制冷组件进行低温制冷很不经济，目前还只适用于微小环境的制冷，不适用于要求制冷量较大的发电机的氢气除湿。受半导体致冷组件的性能、质量以及制冷的深度和效果的制约，电子致冷式氢气干燥器存在以下缺点：造价高；制冷系数较低，进行大容量低温制冷能耗极高，因而运行成本很高，很不经济，故在实际生产中使用较少，这里不作重点介绍。
2. 冷凝式氢气干燥器装置
冷凝式氢气干燥装置起原于前苏联，是前苏联至今一直延用的发电机在线氢气干燥装置。在上世纪90年代起，我国开始开发生产这种形式的氢气干燥装置。其有代表性的结构和原理如下：
设备结构分成氢气除湿系统、制冷系统、电器控制系统三大部分。
制冷系统由压缩机、冷凝器、贮液器(水冷型设备无贮液器)、干燥过滤器、电磁阀、视液镜、热力膨胀阀、蒸发器、气液分离器等组成。
氢气除湿系统由冷却器、回热器、贮水罐、排污门、排水门等组成。
电气控制系统主要由可编程控制器、继电器、温度控制器、信号灯、电磁阀等元件构成。
制冷原理：
从低压管来的制冷剂气体被压缩机吸入，经压缩机压缩后，成为高温高压气体进入冷凝器，在冷凝器内与外部空气(或水 )进行热交换，把制冷剂在蒸发器内所吸收的热量和压缩机做功的热量释放出来，使高温高压制冷剂蒸汽冷凝为高压液态制冷剂，高压液态制冷剂经贮液器(水冷型设备冷凝器兼做贮液器)、干燥过滤器、电磁阀、视液镜进入热力膨胀阀，由热力膨胀阀节流减压后变成低压液态制冷剂进入蒸发器，在蒸发器内，通过蒸发器管壁吸收冷却器内氢气的热量，沸腾气化为气态，再经气液分离器，将未蒸发尽的液态制冷剂和气态制冷剂分离，液态制冷剂在气液分离器内继续蒸发变为气态制冷剂，气态制冷剂经低压管再进入压缩机。如此循环，不断吸收冷却器内氢气的热量，达到将氢气冷却去湿的目的。
氢气除湿原理：
来自发电机的热湿氢气从氢气干燥器的氢气进口进入干燥器后，首先要经过回热器，在回热器内与由冷却器出来回到回热器的低温干燥氢气进行完全热交换，被初步降温，此时湿氢气中的一部分水蒸汽将凝结析出。然后，湿氢气再进入冷却器，在冷却器内被深冷却，使氢气中的水蒸汽充分的凝结析出，此时的氢气成为低温干燥的氢气。低温干燥氢气由冷却器出来后返回回热器，在回热器内与由发电机来的热湿氢气进行完全热交换，被加热到接近发电机来的热湿氢气的温度，此时的氢气成为热干的氢气。热干的氢气最后经干燥器的氢气出口管返回发电机。
冷却器中结霜达到一定时间后，设备将停止制冷工作，启动加热化霜工作将霜化成水，化霜完毕后再重新投入除湿运行。霜化成的水经排水管进入贮水罐，当罐中的水位达到一定高度时，水位传感器将输出信号，水位指示灯亮。提示操作人员打开放水阀门将水放出。
优缺点分析：
冷凝式氢气干燥器采用机械制冷和金属换热器结构，具有制冷温度低、效率高、制冷量和制冷温度容易控制、内部风阻小、除湿流量大、除湿效果好、不受氢气中的油污、灰尘影响、氢气系统独立密闭无氢气泄漏之虑等优点，因此获得了广泛应用。至2000年，我国已将老式无再生或体外再生吸附式干燥器淘汰，全部使用冷凝式氢气干燥器。由于当时技术和经验所限，加之生产厂家大多以手工生产为主，受生产工人技术水平的影响较大，因此，这一时期的设备普遍存在外观粗糙、质量、性能参差不齐、故障率高等问题。主要的故障原因是制冷管路连接工艺不佳，制冷剂容易泄漏，造成设备不制冷故障；其次是制冷系统不够洁净，制冷膨胀阀容易脏堵，造成不能正常制冷和压缩机的磨损严重等问题。90年代末，以往采用的制冷剂R12被禁止生产，冷凝式氢气干燥器又存在因环保问题而必须更新换代的问题。可以说这些问题都是技术和工艺不良方面的问题，通过技术的提高和工艺的改进是不难解决的。
我们知道，机械制冷技术目前已是一种十分成熟的技术，它可以比较经济的实现很大的制冷量和很低的制冷温度，已被广泛应用，占据国民经济达20%的比重。由于目前环保制冷剂（R134A、R 404 A、R410A等）已全面应用，机械制冷已不必为环保问题担心。制冷技术的进步和优质配件支持的广泛性决定，以住冷凝式氢气干燥器所存在的问题至今已不是问题。目前，机械制冷技术更加先进、配件易购、运行成本低廉、制冷专业人员众多等优势为冷凝式氢气干燥器的应用创造了一个绝佳的大环境。
3.再生吸附式氢气干燥装置
吸附式干燥器是欧美国家一直延用的发电机氢气在线干燥装置，双塔封闭再生吸附式干燥器是美国上世纪90年代末首先开始生产使用的。当时正值国内冷凝式氢气干燥器存在故障率较高、R12制冷剂将禁止生产等问题，因此我国开始引进和开发生产双塔封闭再生吸附式氢气干燥装置。2000年后，国内氢气干燥器生产厂家开始一边倒的推荐这种氢气干燥装置。目前，国内各厂家生产的吸附式氢气干燥装置除天津净化设备厂外，其它技术原型均来自美国LECTRODRYER公司BAC-50型吸附式氢气干燥器，结构原理大同小异。
典型结构原理如下：
设备主要由2个吸收塔，四通导向阀、除油器、冷却器、气水分离器等部件组成，每个吸收塔内置吸湿剂、电加热器和再生循环风机。采用双塔切换吸附的运行方式对氢气进行干燥，封闭在再生系统内的氢气由吸收塔内的风机推动和四通阀导向始终流过工作在再生状态的吸收塔，被干燥氢气则由四通阀导向始终流过处于吸湿状态的吸收塔，因此能够对氢气进行不间断的干燥。整个工作过程由PLC按预定程序自动控制，把氢气流从已饱和的吸湿塔中转移到刚完成再生过程的吸湿塔中，并将已饱和的吸湿塔置于再生循环中。气体循环、干燥和再生的切换、再生加热、湿气的冷却均为自动进行。
吸收塔内部结构和工作原理：
吸收塔上部装满吸附干燥剂，埋置式电加热器埋置于干燥剂中，中下部设有不锈钢网板制成的滤网，承载干燥剂。底部装有离心式风机，风机的主要作用是吸附剂再生时产生再生循环气流。在吸收塔工作时，湿气从吸收塔下部进入，流经填塞的分子筛吸附剂被干燥后，从上部滤网流出，经出口管路进入发电机。吸收塔再生时，由内置的风机推动氢气从吸收塔底部进入，流经填塞的分子筛吸附剂，把埋置式电加热器将分子筛加热后脱附分离出来的水气带出，并从上部滤网流出，流进冷却器进行冷却，冷凝出的水经气水分离器分离排出。
吸附剂13X分子筛是一种具有立方晶格的硅酸盐化合物。其分子式：Na2O. Al2O3 2.45SIO2. 6.OH2O。它具有很大的比表面积，分子筛具有均匀的微孔结构，其孔径为10A，可吸附小于10A 的极性分子，能把比其直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，受热或减压后会将收附的分子释放。13X静态吸水量为21%，吸附量大，吸附深度高，单塔设计吸水量为6kg。分子筛使用一定的时间后，需要再生。再生的温度高，则再生的就完全。但温度高消耗的能量较大，对容器制造材料要求提高、设备造价大幅升高，并会降低分子筛的使用寿命。因此，分子筛的再生温度在110-120℃较好，再生温度120℃或再生出口温度110℃时，两者任一值达到限值，电加热器即停止工作。
优缺点分析：
封闭再生吸附式氢气干燥器具有出口氢气湿度小、可持续除湿、除湿效果好，干燥剂可再生重复使用，干燥剂再生不消耗氢气、振动和噪音小，不易出故障、维修操作无需专业人员等优点。
由于采用吸湿剂除湿，再生吸附式氢气干燥装置主要缺点是氢气中的油污、灰尘对除湿效果影响很大，甚至使吸湿剂失去除湿能力。 吸湿剂在再生加热时和冷却时都会产生温度的不均匀变化，如加热时，吸湿剂颗粒外部先热，内部后热；冷却时干燥剂颗粒外部先冷、内部后冷，由于热胀冷缩原因产生内应力变化，这种变化最终将导致吸湿剂颗粒粉末化，粉末可能由氢气流带入发电机内，造成对发电机的污染，因此必须定期清洗或更换吸湿剂，维护工作量较大，运行成本较高。为克服油污和吸湿剂粉末化的不良影响，吸收塔前后都要加装过滤装置，使设备复杂化，同时维护量也加大。
随着封闭再生吸附式氢气干燥装置的大量应用，这种干燥装置的一些其它问题也不断显现出来，比如：吸附式氢气干燥装置安装较为复杂。使用方面，由于其结构为一塔吸湿另一塔再生，再生回路独立封闭，因此，气体置换时需要单独操作置换，比较麻烦，而且必须认真谨慎，如果操作不当，独立封闭的吸收塔不能参与气体置换，内部将存有空气。投入运行后，四通阀导向使独立封闭的吸收塔打开时，将导致产生氢气与空气的混合气体，轻则影响发电机内的氢气纯度，重则会产生爆炸、然烧等重大事故。操作方面，由于法兰式密封面较多，四通阀柄是动态密封结构，因此泄漏可能性较大，每次维修后或使用前都要打压试漏，检修前后和投入运行前后都需要单独进行气体置换，操作不当会有一定的危险性。投入运行时须调整多项参数，如再生气流量、再生温度等，比较麻烦。
另外，由于吸附剂的性质是能把比其直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，因此，当吸附剂接触空气时将吸收大量的空气，包括氧气。如果气体置换时使用二氧化碳，则又会吸附大量的二氧化碳。在干燥器投入运行后，在再生过程中将这些气体脱附释放出来，会在密封的再生系统中形成氢气和空气或二氧化碳的混合气，轻则会在一定程度上影响发电机内氢气纯度，重则由于再生系统内有电加热器，可能点燃混合气发生然烧或爆炸。如果发电机漏油，吸附剂会吸附一定量的油，加热再生时发生分解，分解出的气体也会影响氢气的纯度。如果发电机内氢气中含有少量的氧气，则氧气会在吸附剂中聚集，也可能在再生过程中集中释放发生危险。
2002年黑龙江富拉尔基发电厂吸附干燥器着火烧毁和2006年徐州徐塘电厂吸附式干燥器爆炸烧毁事件也从某个侧面说明了目前吸附式干燥器存在一定的危险性。
值得说明的是，美国一些相关公司早已发现了这些问题，据美国西屋公司资料介绍，氢气纯度每提高一个百分点，发电机会减少风摩损耗等，每年可节省二万八仟多美元，E/ONE公司早在2004年便据此设计了新型的吸附式氢气干燥器，现摘录如下，供国内相关生产厂家借鉴。摘录见以下小字：
双塔型氢气干燥器再生方式的革命
双塔型氢气干燥器采用一塔工作、一塔再生循环交替的工作方式对发电机内的氢气进行连续在线干燥。目前，大多数氢气干燥器均采用闭环再生的方式，即对需要再生的干燥塔充分加热，使之释放出工作时吸附的水气和污染物，用气流带出，再用水冷却气流，使其中大部分水汽冷凝成液态析出，冷却后的气流再进入循环。显然，这部分气流中将仍然含有不少水汽和污染物，甚至氧气，存在危险性和限制了回路中氢气纯度的进一步提高。
e-one 公司于2004年推出的新一代双塔型氢气干燥器采用开环方式进行再生，将再生塔释放出水气和污染物全部排空，彻底清除了干燥塔工作时所吸附的污染和水气，大幅度提高回路中氢气纯度；同时也省去了水冷却系统，降低了运转费用。其代价只是多消耗了少量氢气（每次再生约放空6-10M3的回路氢气）。由于再生彻底，再生塔每次可连续工作15天以上，甚至30天（强制切换）。因而，这种再生方法在全年运行中，所消耗的氢气是非常有限的。（平均每天少于1M3，而300MW机组允许漏氢量为：8 m3/24h）由于氢气纯度的提高，风摩损耗的减少，其经济效益十分明显。
e-one 公司的新一代双塔型氢气干燥器改变了过去双塔定时切换的工作方式，通过对进出口露点的设定和监测，进行自动切换，使系统始终处于稳定的最佳运行状态，保证氢气纯度的提高，效果十分理想。
高安全性：
由于氢气和氧气混合后有产生爆炸的危险，设备又工作在高压可燃环境下。GGD定制了专用的防爆氢气吹风机和电动机，在绝对安全的条件下，大幅度提高了氢气流量。GGD本身又为阻燃结构，系统采用了本安型防火、防爆设计, 严格执行欧洲安全标准（Ex IIC, CE）,确保运行安全可靠。
高可靠性：
GGD气体干燥器采用分子筛干燥剂去除湿气。GGD在入口处增加了一个油气分离器，防止油渍等污染物进入干燥器，确保了分子筛的效能；出口处增加过滤器，防止吸附剂碎片进入发电机或气体管道，确保了系统的可靠运行。
高精度:
露点检测仪测量精度高；按露点的设定自动进行切换，保证氢气纯度，从而保证高运行效率。
彻底去除污染物：
GGD开启再生式气体干燥器是从再生筒内去除油污、湿气最有效的方法，与封闭再生式干燥器相比，它可以通过提高再生温度，使吸附剂再生得更彻底；它将再生气体完全放空，彻底排除了污染；它不需要提供冷却水，节省了设备投资和运行费用，也更适合缺水地区使用。开启再生式系统在再生时要消耗一些氢气，再生周期为15-30天，每次再生大约（2-3）小时，一次再生共约消耗氢气6立方米，平均漏氢量远低于国家标准所允许的漏氢量（8立方米/天）。
多微处理器电子系统：
GGA采用多微处理器技术，分别组成测量、校正模式选择，传感器与控制，报警接触，出错记录，系统输入/输出，校准和自诊断等子系统。
由于排氢再生有点复古的感觉，类似于80年代美国发电机组采用的减压排氢再生硅胶罐，因此，E/ONE公司的新产品不一定能为我国接受，但至少可以给我们提供设计新型吸附式氢气干燥器的思路，比如：可以考虑首次再生时氢气排空，以后采用密封再生方式，或设计新型半开放再生方式等。不过还是不如干脆使用冷凝式氢气干燥器，所有影响氢气纯度问题都解决了。
结语：
通过以上的分析，我们可以看出冷凝式氢气干燥器能够适用于所有的氢冷发电机，具有除湿量大，不怕油污、灰尘影响，不污染氢气，无氢气泄漏之虑，运行成本低廉，安全可靠，维修维护简单方便等优点。相比于其它型式的氢气干燥器，具有其特有的不可替代的优势，更适合用作发电机的氢气除湿。随着技术和工艺的进步，冷凝式氢气干燥器必将可以做到如目前的空调和冰箱一样无故障免维护的运行。
再生吸附式干燥器适用于漏油情况较少的发电机。使用过程中应注意维修前后和使用前用氮气严格气体置换，使用前和维修后严格试漏，并应经常检查有无氢气泄漏，以避免危险情况的发生。
电子致冷式氢气干燥器由于受电子致冷技术的限制，造价高，运行能耗过高，很不经济，应尽早淘汰。
张启来