摘 要：吸附式氢气在线干燥装置和制冷式氢气在线干燥装置在大型电站中被广泛应用，本文对这两种氢气在线干燥装置的结构、工作原理、特点作了介绍，并对两种设备使用情况作了比较，以供有关工程技术人员在实践中参考。

关键词：发电机；氢气；干燥；吸附；制冷；装置
1 前言
在气体介质中，氢气比空气和其他气体有更好的冷却性能，如纯氢气的表面散热系数是空气的1.51倍，导热系数为空气的6.69倍；同时氢气的密度小，通风损耗小；现在制氢技术可使氢气纯度达到99.9%以上，氢气中含氧量低于2%时，不助燃，不燃烧，不爆炸，即使发电机内部发生短路故障，也不会有着火危险，从而可使故障的损坏程度大为减轻，故氢气在大容量机组发电机中普遍使用。氢冷发电机内的氢气湿度超标问题也越来越引起人们的重视。氢气湿度过大，不仅会降低氢气的纯度，导致气体平均密度增加，增加通风损耗，而且会降低定子绕组的绝缘强度，因为水分在运行中会蒸发为水蒸汽，使微细击穿点之间氢气介质导电率升高,另一方面由于水汽吸附在绝缘层上，侵入绝缘内部的水将造成内部导体与外部绝缘表面电位相等，成为等电位体,导致定子绕组的绝缘强度降低。在国家电力公司制定的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中明确提出要“严格控制氢冷发电机氢气的湿度在规程允许的范围内，并做好氢气湿度的控制措施”。

根据电力行业标准DL/T651-1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》：发电机内氢气在运行湿度的低限为露点温度-25℃，允许氢气湿度的高限与发电机内温度有关，发电机温度为5℃时氢气湿度高限值为-5℃，发电机温度为≥10℃时氢气湿度高限值为0℃。事实证明，并不是机内氢气湿度越低越好。如果发电机内的氢气湿度过低，由于气体太干燥，会造成绝缘收缩，引起固定结构松弛，严重时甚至绝缘块会产生裂纹，所以上述标准规定了氢气湿度的下限值。
为了降低发电机内氢气湿度，通常采用的三种方法为：压缩制冷干燥法、半导体制冷氢气干燥和吸附干燥法。
半导体制冷是50年代发展起来的制冷技术，它建立在帕尔帖效应的基础上，其工作原理是：当直流电源给半导体制冷组件通以要求的直流电源时，出于帕尔帖效应，其一端（冷端）温度将降低而吸收热量，另一端（热端）将温度升高而放出热量，冷端与除湿换热器紧密接触而使除湿换热器整体降温，当氢气流过除湿换热器内部管道时也被降温，其中的水分被冷冻分离，然后通过缓霜工作使之融化成水，流入底部的集水罐中定期排放，从而达到氢气除湿的目的。半导体制冷组件的性能、质量以及制冷的深度和效果对设备性能制约很大，存在以下缺点：造价高，运行不可靠；制冷系数较低，进行大容量低温制冷能耗极高，因而运行成本高，很不经济，故在实际生产中使用较少，这里不作重点介绍。

目前某公司一期2×300MW机组发电机在线氢气干燥装置选用吸附式氢气干燥装置，二期4×600MW机组发电机每台机组配备有二台制冷式氢气在线干燥装置。下面就实际运行情况对二种在线氢气干燥装置进行介绍。

2 二种在线氢气干燥装置的情况概述
2.1 吸附式氢干燥装置
某公司吸附式氢气干燥装置主要由干燥筒、增压风机、除油器、气水分离器、冷却器等几部分组成。该装置采用双筒切换吸附式干燥器对氢气进行外循环干燥，其中一个筒吸附,另一个筒再生，定时交替切换，以使干燥过程连续进行。由同一台氢气风机增压后同时进行两个循环。较大量的氢气进行主循环（约250Nm3/h）。主循环为干燥循环：发电机来氢气（湿气）——风机加压——油分离器过滤——干燥筒内干燥——氢气回发电机（大部分氢气）；副循环为再生循环：发电机来氢气（湿气）——风机增压——油分离器过滤——干燥筒内干燥——少部分氢气去加热再生另一只干燥筒——含再生水的氢气经水冷却器冷却——水分离器分离游离水——分离出游离水的氢返回风机进口。通过调节干燥气和再生气的气量分配比，来调节发电机内部的氢气的湿度，以满足对机内湿度的不同要求（使机内湿度不至于过低），循环干燥量可在30-200Nm3/h范围内调节。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。
1） 干燥筒内部结构
干燥筒由内筒、外筒及U型电加热棒组成，干燥剂装在内、外筒之间，干燥剂采用13X分子筛，U型电加热棒布置于内筒，内筒底部设有不锈钢网布制成的滤网，防止分子筛进入。在干燥筒工作时，湿气从干燥筒外筒上部进入，流经内外筒填塞的分子筛并从下部滤网进入内筒，然后从内筒上部流出；在干燥筒再生时，已干燥的氢气从干燥筒内筒上部进入，经下部滤网进入内筒流入外筒，将分子筛中经加热后分离出来的水气外筒上部带出。
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10A，吸附小于10A 任何分子，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比其直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，13X静态吸水量为21%。因而其吸附量大，单筒设计容量6kg 水，吸附深度高。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。并可能影响分子筛的使用寿命。因此，分子筛的再生进口温度在120℃较好。再生出口温度80℃时，两者任一值达到限值，电加热器即停止工作。
2） 增压风机结构
吸附式氢气干燥装置由于配备有增压风机，所以在发电机停运情况下，仍可对发电机内氢气进行干燥，采用专门为氢气干燥器研制的磁力驱动风机，风压大，可达24.5kPa以上，风量可达250Nm3/h或更大，氢气增压风机因其特殊的工作场合，要求具有防爆性能，故它的主要工作部件如滑片、壳体内腔、气密封组件等都采用石墨、碳化硅等非金属材料，且其工作部分和外部空气完全隔绝，联轴器采用磁性联轴器，故驱动形式为磁力驱动，内、外磁性联轴器通过中间隔离套隔开，使轴封由动密封变为静密封，消除H2泄漏的隐患，因而保证安全运行。
2.2 冷凝式氢气干燥装置
工作原理概述：发电机内的氢气靠发电机风扇前后压差力的推动，或氢气管道风机的推动不断地流过氢气干燥器。冷凝式氢气干燥器利用制冷系统和换热系统将流过氢气干燥器的氢气冷却，使其温度降到露点以下，使其中的水蒸汽以结露或结霜的形式分离出来，再经过热冲霜过程将霜化成水排出，从而达到降低氢气湿度的目的。被冷却的氢气再经换热系统升温后返回发电机。
1）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（水冷型设备无贮液器）、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，再经过气液分离器，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，达到将氢气冷却的目的。
2） 氢气除湿系统的工作原理
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，此时氢气中的一部分水蒸汽将凝结析出。然后，这股氢气再进入冷却器，在冷却器内被深冷却，使氢气中的水蒸气充分的凝结析出，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。
冷却器中结霜到一定时间后，设备将停止制冷工作，启动热冲霜工作将霜化成水，化霜完毕后再重新投入除湿运行。
3 二种在线氢气干燥装置使用中的体会

1 安装和使用操作：吸附式氢气干燥装置安装稍为复杂，气体置换时需要单独操作置换，使用时须调整多项参数，如再生气流量、再生温度等。制冷式氢气干燥装置安装简单，联接氢气管路、接通电源既可，气体置换与发电机一起进行，无须进行特别操作。

吸附式氢气干燥装置具有较深的吸附程度，发电机内氢气露点温度通常能达到-25℃以下，经常需要操作停机，以免氢气湿度下限超标，而制冷式氢气在线干燥装置发电机内氢气露点温度一般在-20℃左右，无须经常操作。

2 维护情况：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并失效，粉末可能由氢气流带入发电机内，造成对发电机的污染，因此必须定期更换吸湿剂，氢气中如果有油或其它杂质灰尘，也会影响吸湿剂的性能，造成吸湿剂失效，有时基至必须经常更换吸附剂，这在发电机有漏油的情况时必须注意。增压风机也需要定期更换滑片，吸附式氢气干燥装置由于装置阀门、法兰密封面较多，泄漏点也多，某些阀门柄上还存在经常性转动的密封轴封，容易泄漏，在检修工作结束后需进行气密性试验，检修和投入运行前都需要单独进行气体置换，维护工作量较大。

冷冻式氢气去湿装置氢气除湿系统是独立封闭的系统，不怕油污和灰尘的影响，不用检修，发生泄漏的可能性很小。其主要的维护工作是冷冻系统，维修工作空调制冷专业人员即能胜任，检修时也无须解裂和置换氢气系统。

冷冻式氢气去湿装置能较好地控制氢气湿度在规定的范围内，吸附式氢气干燥装置除湿能力强，但不易控制，在运行中需经常对出口流量和再循环流量进行调整。由于对发电机氢气湿度控制不好，某公司在#1、#2机组发电机露点温度低于-25℃时，停运氢干燥装置，在高于-5℃时，开启氢干燥装置，采用上述方式来控制发电机氢气湿度又增加了工作量。

4 制冷式氢气去湿装置依靠发电机运行时转子两端的风扇的随转子旋转产生差压进行工作，当发电机在停运备用状态下，机内氢气差压消失，依靠压差进气的氢气干燥器氢气无法流动，干燥器不能对氢气进行干燥，需另外配备循环风机。吸附式氢气干燥装置因配备有增压风机，但石墨滑片在运行中不断磨损，如不采取措施，易影响发电机氢气品质。吸附式氢气干燥装置在增压风机后设有除油器，一方面除去增压风机滑片磨损时产生的石墨粉，另一方面，除去发电机来的密封油，防止分子筛发生油污染。

（值得说明的是，目前其它吸附式氢气干燥器所采用的内置风机为离心式风机，只能在吸附剂加热再生时提供再生循环气流，其产生的氢气压差很小，大约20毫米高水柱压差，远远小于发电机风扇前后氢气的300毫米高水柱压差，因此并不能提供和维持氢气干燥循环的气流，不要想信某些生产厂家的误导。）

5 制冷式氢气干燥装置具有去湿和降温双重功能，对发电机的冷却有利。压缩制冷技术历史悠久，技术成熟，配件易购，具有较高的安全可靠性，随着环保意识日益提高，目前制冷剂已全面采用环保型的新型制冷介质，已无环保问题。

6 吸附式氢气干燥装置采用 13X分子筛或活性氧化铝作为吸附剂，可用于催化剂载体、水和二氧化碳共吸附、水和硫化氢气体共吸附，由于13X分子筛或活性氧化铝对二氧化碳有吸附作用，在置换时如使用二氧化碳，分子筛会对二氧化碳进行吸附，并在再生过程中释放，在一定程度上影响发电机氢气纯度，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。

7 吸附式氢气在线干燥装置由于装有电加热器及循环风机，故其需要更高的装机容量，通常电源容量需5kW以上，而制冷式氢气在线干燥装置只有制冷压缩机，一般只需3kW电源容量左右。
4结束语

通过对吸附式氢气在线干燥装置和制冷式氢气在线干燥装置结构特点及运行、维护情况比较发现
1.吸附式氢气在线干燥装置和制冷式氢气在线干燥装都具有很好的去湿性能，能达到大型发电机组对氢气湿度的要求。
2.吸附式氢气在线干燥装置能实现干燥桶和再生桶之间的自动切换,但对发电机氢气湿度控制方面尚不能实现自动控制，在运行中发电机氢气湿度有超标现象，制冷式氢气在线干燥装置在这方面有更优越的性能。

3.吸附式氢气在线干燥装置维护工作量较大，安装和使用操作麻烦，一次投入和运行成本都较高，冷凝式氢气干燥器则维护量很小，一次投入和运行成本都较低。

参考文献
[1] 张启文. 发电机内氢气湿度的分析. 浙江电力，1998

[2] 李军，贺志刚，朱冬生. 氢气干燥器吸附过程的数学模型及模拟. 中国工程热物理学会 2002年学术会议

[3] 贺志刚. 在线吸附式氢气干燥器的控制和模拟研究. 华南理工大学硕士学位论文，2001
[4] 李正富. 发电机氢气纯度湿度偏高分析及防范. 湖南电力，2000，1（6）
[5] 何绍洪，左朝禄. 氢冷发电机氢气湿度超标原因分析及处理. 四川电力技术，2000，1
[6] 高强生，张学洪. DGH型吸附式氢气干燥装置的运行维护特点. 华东电力，2002，30（9）