发电机漏氢监测

发电机漏氢监测技术介绍华北电力科学研究院有限责任公司白亚民教授级高级工程师一、概述发电机漏氢监测装置是保证氢冷发电机安全运行的重要监测设备，监测的对象是定子绕组水内冷系统及其封闭母线和密封油系统的密封性。其中水系统的监测最重要，由于发电机氢压高于水压，当定子内冷水系统有渗漏故障时，定子内冷水箱中应有氢气逸出。内冷水中的氢气渗漏故障可能是由线棒绝缘及铜线磨损引起的，也有可能是水接头密封失效、焊缝开焊、绝缘引水管损伤等其它原因造成的，由于各种渗漏故障都可能引发相间或对地短路事故，因而一旦检测出内冷水系统漏氢量增大，就意味着严重的事故前兆，所以发电机漏氢监测装置有早期故障报警的重要作用。对该装置的基本要求是能够长期稳定工作，对故障不误报、不漏报。概述（续）二十五项反措规定，氢冷发电机应当加装漏氢检测装置。据了解目前我国各电厂氢冷发电机大多均配备漏氢监测装置。目前国内生产的该类装置从工作原理上分主要有两种，一种是用钯栅氢敏传感器做探头，对发电机就地测点处的微量氢浓度的变化进行长期在线监测；另一种是由一台安装在发电机附近的热导式氢气分析仪就地从不同测点依次抽取气样进行检测氢含量分析。两种漏氢监测仪在我国都已有十几年以上的实际业绩历史，产品覆盖范围较大。二、HK-1型漏氢监测仪简介

1测量原理和基本结构该型漏氢监测仪由探头、二次仪表和连接电缆三部分组成。探头部分由氢敏传感器和采样气室组成，安装在气体采样处，二次仪表安装在电厂的集控室或发电机附近，二者之间以电缆连接。探头的主要部件是钯栅场效应晶体管，简称钯管，其作为氢敏元件具有对氢气选择性好、灵敏度高、功耗低、响应和恢复时间短、工作温度低以及气—电转换过程中不消耗氢等优点，适合在线探测微量氢，并且是可置于易燃、易爆危险场合的本安型器件，早已在国内外取得测量微量氢的广泛工业应用，如监视变压器油中产生氢气的报警装置等等。漏氢监测仪工作流程图工作流程图的说明仪器被分为探头部分和仪表部分两个单元，中间由电缆连接。探头部分由氢敏传感器和采样气室组成，安装在气体采样处。传感器由气—电转换器、补偿器、加热器和测温器构成。气—电转换器是钯栅场效应管，开启电压值随氢气浓度变化。补偿器的作用是对钯管受到的非氢影响进行跟踪补偿，以减少读数的缓慢漂移。加热器和测温器是为使气—电转换器在设定温度下稳定工作，以消除外界温度变化对传感器的影响。仪表部分由电源回路、恒流源、放大和线性校正电路、温控电路、仪表指示以及报警单元等组成，安装在远离发电机的发电厂中央控制室内的仪表柜上。仪表部分各组件除提供探头所需的电能外，还有对传感器传回电信号进行放大处理、线性校正、指示读数和自动分析报警等仪表作用。其中很重要的一点是可以改善钯管对氢气电响应的非线性特性，使仪表读数维持线性。探头部分的气室采用非磁性金属材料制造，主要作用是采集氢气和保护氢敏传感器正常工作。气室具有特制的透氢膜片，可以使氢气透过而阻住水分、灰尘及油雾等对传感器的损害。2.HK-1型在线监测仪的性能特点

1)．仪表零位稳定，指示重复性好，定标周期长，现场维护工作量小。氢敏元件对氢气选择性好、灵敏度高、响应和恢复时间短、工作温度低以及气—电转换过程中不消耗氢，适合在线探测微量氢。多项减少“慢漂”的设计和工艺措施：传感器工作稳定性，仪器调零和定标周期半年以上，既保证了仪器的指示精度，也减小了现场工作人员的维护工作量。2)．仪表刻度线性化，读数准确、方便钯管特点是开启电压随氢气浓度呈负指数关系变化，在低浓度氢气时（如0~0.5%）有较高的开启电压，反之当氢气浓度较高时（如1.0%~2.0%）开启电压较小并且随氢气浓度变化的梯度很小，因此造成对氢气响应的严重非线性，如图实线所示。如果把氢气响应在仪表上直读，1%以上的刻度将挤靠在一起，很难读出氢气浓度数值和看出数值变化。为此，采用了特殊工艺结构，使得低浓度氢气时的响应梯度减少一些，而较高浓度氢气时的响应梯度提高一些，在一定程度上改善了钯管氢敏响应的非线性程度，如图虚线所示。另一方面，仪器中加入了线性校正电路（见流程图），进一步对氢气浓度的非线性响应信号进行处理，使得最终在仪器上显示的氢气浓度读数刻度完全是线性的，便于观察取数。钯栅场效应晶体管对氢气的反应曲线，实线为原始线，虚线为改良线开启电压（V）氢气浓度％3)．仪器灵敏度高、响应和恢复时间短钯栅氢敏管本身具有灵敏度高、响应时间和恢复时间短的优点，对氢气的响应和恢复时间一般均在几十秒以内，可以满足现场对于探测氢气浓度变化的时间需求。为避免钯管被水、油、灰尘等污染而性能变坏，需要在取气通路中加装透氢保护膜，该膜会增加仪器的响应和恢复时间。因此，透氢膜的性能决定了仪器对氢气变化的反应速度。现在采用的透氢膜既可以迅速透氢又可以阻挡水、灰尘等污染物，同时又有一定机械强度和使用寿命。加上透氢保护膜对氢气响应的延迟时间，仪器对氢气变化的响应时间在一般为几分钟以内。4)．取气气室的设计问题探头取气气室设计以实验为基础，针对封闭母线和定子内冷水系统以及密封油系统等处的不同情况，设计出相应合理的气室结构，杜绝了因氢气积存引起的误报现象。5)．仪器工作可靠、使用寿命长提高HK-1型漏氢监测仪可靠性的措施：半导体芯片内部的连接采用铂硅—钛—铂—金的四重结构，这是目前半导体最完美的内部连接方式；传感器金属栅采用多元材料，并改进栅区结构和表面处理工艺，大大提高了钯膜的抗剥落强度；钯管的输入端增加输入保护电路，提高了传感器的抗静电感应的能力；设置了合理的接地回路，可避免由地回路馈入干扰信号；选用高输入阻抗的仪表放大器，使仪器抑制共模信号的能力极强，大大提高了仪器的抗干扰能力，也减少了电缆长度对仪器性能的影响；通过了国家防爆电气产品检验中心的“本质安全型”鉴定。以上措施有效地提高了仪器的可靠性，同时也增加了仪器的使用寿命。6)．仪器安装和使用简便HK-1型漏氢监测仪设计结构紧凑，仅由探头、仪表和连接电缆三部分组成。探头安装在发电机封闭母线、定子绕组内冷水箱等采样点处；仪表安装在控制室仪表柜上；专用电缆最长可达300m，两头备有专用插头，连接方便。仪表本身调零、定标周期较长，可以安排在发电机大、小修时进行校验工作，而且操作简单。仪器具有自动声、光报警功能，还留有数据传输接口，必要时可配置记录仪进行自动记录或送入计算机集控。3钯栅氢敏传感器型漏氢监测仪

使用中需注意的问题钯管测氢准确读数范围比较小，最大到6％，一般低于4％，故仅适用于检测低氢浓度，最适于检测微量漏氢。钯管工作特性受环境温度影响较大，也怕油污和水汽的污染，虽然工艺和设计上已经有所安全保护考虑，但还是要注意探头比较娇贵。钯管本身对氢气的响应是非线性的，浓度越高响应越低，虽然已在仪器设计上采取措施使读数线性化，但较高浓度的测试结果肯定比低浓度时精度差一些。注意定期校验。最好半年左右一次。4仪器的实际应用情况从1989年起，在华北地区几个发电厂试用，并对出现的问题及时改进，使仪器不断完善化。1992年10月由华北电力集团公司主持技术鉴定，被国内有关专家被评价为“国内领先、国际先进水平”。该仪器1993年获华北电力集团公司科技进步一等奖，1994年获电力工业部科技进步三等奖。目前，全国各发电厂大型氢冷发电机上应用广泛，在维护发电机安全运行发电方面发挥着重要作用，其中运行时间最长的已连续可靠运行10年以上，有些还抓住了发电机的漏氢故障，及时报警并得到了处理。封闭母线和内冷水箱及氢冷却器回水管上用的气室示意图

三、热导型漏氢循环检测装置1测量原理和基本结构通过管道将测点气样轮流抽取到仪器柜内，由1台各测点共用的热导仪进行测量分析。该型装置需要配置从测点至仪器柜的气体取样管路，此外，为完成各测点的自动切换测量，还需要配备抽气泵、时间继电器、电磁阀，以一定的时间间隔自动依次循环进行测量。热导仪有轮流显示、报警功能和1路4-20mA输出。测量原理是利用氢的良好散热特性使通氢热导室的铂丝电桥电阻发生变化反映氢气浓度。铂丝需通电加热工作，一般要求达到400℃才具有较高的测氢灵敏度，但为考虑检测易燃易爆气体的安全性，一般把温度降到80℃～100℃，牺牲一些灵敏度。为防爆安全，前端还需有阻火件，为保证热导正常工作，需要抽气泵连续24h/d工作，将各测点气样反复轮流抽取至热导仪的热导室中进行分析测量。装有铂丝测量电桥的热导室，不允许油气及水汽进入。时间继电器是仪器关键部件，其触点功率很小，为开闭各测点气路的电磁阀，还需要多个中间继电器按时间继电器间隔的输出依次启动气路电磁阀。热导型漏氢循环检测装置（续）近些年该装置做了很多改进，较新型号的产品主要是改进了气路切换方式，从用步进马达旋动两个四通阀，由马达的步进旋转变换气路连接点，改进为各测点分别带一个磁电导通阀，进行气路切换，提高了工作可靠性，并且采用了进口的使用寿命较长的抽气泵，有效地减少了气泵损坏的故障现象。由于内冷水测点在内冷水箱顶部，测量时抽气泵也将含较多水份的氢气和空气抽出，所以需要配装带有水汽吸附剂的干燥器。由于两个油系统测点抽取的气样中含有大量透平油在高温中产生的烷烃化合物（油烟），所以气样进入热导仪前必须过滤，否则就会堵死阻火塞，从而得不到真实测量结果。油气直接进入热导仪气室易烧坏热导仪的测量部件。所以油烟过滤器是必备的，并且还需及时更换和清理该部件。2热导型漏氢监测仪的特点

是测量气体含量的传统方法，氢气浓度测量范围宽（0~100％），重复性好。但1％以下和95％以上氢气浓度测量精度较低。在规范使用的情况下，仪器使用工作稳定性高，长时间无须标定和调校。反应时间有一定滞后。用抽气泵通过管道将被测气体轮流抽到一台热导仪中去测量显示气体中的氢气含量，其显示时间上存在大约30分钟的滞后（以6个测点，每测点占5分钟计算）。此外，还可能存在气体滞留在管道中造成读数“死机”的现象。抽气泵需24d/h不间断工作，成为仪器的易损易泄漏部件。内冷水箱顶部抽出的气体湿度高对仪器的影响。汽、励两侧油回路中油烟气对仪器的影响。油测点可能带来另一种严重问题是油污会使粉末冶金制造的阻火塞变得不畅通，反过来又将影响到其它各测点的测量。3热导型漏氢监测仪实际使用情况

因过去多数随发电机供货，所以配有该型漏氢监测仪的电厂非常多，超过了氢敏传感器型仪器的应用数量，但仍能正常使用的要少很多。由于该类型仪器运行维护要求高，容易出现设备故障，使一些仪器运行不久即不能正常运行。现场调查发现，在实际使用中部分该装置存在不能正常连续使用的现象，有的因故障退出了运行，包括前苏联进口的发电机，有的电厂为此不再连续监测漏氢，改为定期人工检验，还有的电厂改装了其它型式的漏氢监测仪。四、综合性比较据了解，世界上只有前苏联和中国采用热导型装置监测发电机漏氢。根据专利文献资料检索，发电机漏氢状况监测装置的配置，国际上发达国家通常采用压力传感器元件组成的监测系统监测内冷水系统中的漏氢，而对封母、密封油等其它部位的漏氢通常不做定位监测，只是从漏氢总量上进行控制。利用氢敏元件在发电机内冷水系统中监测含氢量有一些国外专利报道，但经了解并没有形成工业应用。4.1漏氢监测仪的安装

从安装角度看，氢冷发电机氢气系统的各种监测装置，如氢纯、氢湿等通常不直接作用于停机，是可以定期手工检测的，故连续在线监测类的发电机漏氢监测仪一般仅作为发电机的可选附属装置。尽管这类装置的工作方式和配置完全不同，但安装方式基本一样，即通常所谓的外挂式，仅需要在停机期间对发电机主机做少量安装工作即可投入运行。以后觉得某装置运行不好，随时可以拆下或更换。因此，热导型和氢敏元件型的漏氢监测仪在安装方面属于同一类仪器，但由于氢敏元件型仪器不需要气体取样管路，发电机就地也不需要安装仪表柜，相对来说，安装更简单一些，也不占用现场空间。4.2不同测点环境对仪器测量的影响4.2.1封闭母线测点封闭母线套管应是不允许微漏氢的，为避免氢爆需要及时发现和处理此类故障，25项反措和标准都有规定，超过1％就需要停机处理。发电机封闭母线CT出线长方形箱体的上平面开有三个排气孔，是为套管漏氢泄放气体用的，漏氢监测仪探头即安装在此排气管上，此处也可用于便携仪表检查漏氢用。热导型仪器在封闭母线上的测点除反应有延迟外，抽气量的选择十分重要，选择不当可能导致较严重的测不准现象。实际使用中氢敏元件型仪器效果较好，尤其是大修后起机时或负载有较大波动时发生报警，对于及时发现故障隐患起到了作用。4.2.2定子内冷水箱测点定子内冷水箱水位在箱容积的2/3到3/4之间。由于发电机引水管本身是微透氢的（新型引水管基本不透氢），并且氢压高于水压，正常情况下内冷水中可能含有一定量的氢气（约1％浓度）。内冷水箱有密闭式水箱和开启式之分，前者通常充氮呈微正压状态，但有的发电机因设备损坏或其它原因并不充氮，也无微正压而密闭运行，这种密闭式水箱会造成氢气的积累，取样测试氢含量可能达3%以上，实际反映的是积存氢气而不是真实的泄漏情况；后者与大气相通，保持常压。对于充氮微正压水箱，氢敏传感器型探头在回水管上通过针型阀取微量水样，再用气水分离罐分离出气体进行检测，效果比较理想。热导型仪器如果不对内冷水箱进行改造，直接对密闭微正压或常压水箱断续或连续抽取气体采样，其测量读数大小与补氮气量有关，氮氢比例很难正好反映水系统中实际的含氢量，将会出现较大测量误差。密闭式内冷水箱的国外引进技术中原配的压力传感器型漏氢监测系统，是较理想的监测系统，但系统结构复杂，运行维护困难，价格亦较高，国内运行经验也很少。4.2.2定子内冷水箱测点（续）开启式水箱内部与大气相通，水箱上部空间是空气和水系统中逸出氢气的混和气体。如果水箱顶部排空节门是关闭的，那么与上述密闭水箱不充氮的情况一样，由于正常微渗漏氢气的积累作用，从水箱顶部抽出采样的气体中氢含量可能高于3％，所以应当定期打开排空节门放气，否则测量的结果将不能反映水系统的实际漏氢情况，甚至误导运行人员。所以，测试的基本要求是测试时打开排空门。热导型仪器因为必须抽气运行，则存在抽气量对测量的影响问题，与封闭母线上类似，抽气量小了不能很好反映水系统的真实情况，量大了稀释过度，也改变了水系统含氢量的真实情况，而且大量的抽气难免使带进的灰尘污染仪器，影响测量结果，同时把导电微粒和富含钠钾的湿气抽进水箱，加快了水质恶化，使导电率、酸碱度等指标超出合格范围。定子内冷水箱监测漏氢的意义检测内冷水箱的含氢量变化对监视定子线棒绝缘破损，特别是各个连接头处密封状况有着极其重要的价值，从避免发电机突发重大事故的预警功能上来说，比监视封闭母线上的漏氢量更为重要。正常情况下漏氢指示有一个基数，通过观察记录它的变量就能间接知道定子绕组内冷水系统密封性是否异常。实践表明，内冷水系统方法漏氢监测仪在使用中曾多次成功报警，及时地发现了发电机内冷水系统的故障。如盘山电厂。通过减负荷、减氢压、增大氢水压差等方式，能够在运行中验证水系统故障报警的真实性，用便携式仪表在排空门出口检测也可以对比验证。4.2.3密封油回油测点发电机汽、励两端空侧回油管路上有两处位置可设置含氢量测点，一处是在回油管水平段上，一处是在发电机汽、励端端盖的上半部。汽、励端回油管中流有空侧轴瓦密封油和大轴润滑油回油，由于油压调节跟踪精度和滞后等多种原因，空侧密封油中一般均含有一定量的氢气，除氢气外还有透平油分解出的大量烷烃化合物（油烟状），这两样东西随油回到主油箱后从油中分离出来，通过管道由抽油烟机排到厂房外。氢敏传感器型仪器的测量方式是通过焊在回油管水平段的法兰螺接带有油、氢、水分离膜的金属气室，在不影响原工况下，监测回油管水平段某点的管内氢气浓度。由于膜的存在，烷烃化合物不会沾污氢敏传感器。膜下的油污也不影响氢气的穿透。抽气式的热导仪测量方法是在端盖上半边安装抽气管。因为密封油和润滑油运行中是高速进出的，油高速回流产生的虹吸现象使端盖内部呈现负压状态，运行中正常情况下烷烃化合物浓度远远大于氢气，在端盖上抽气就会出现两种情况，抽气量小时采不到气样，抽气量大时抽出的主要成分是油烟状的烷烃化合物。当油压跟踪较差时，大量氢气漏向空侧，这时才可以较准确地检测到氢气。4.2.4氢气冷却器监测