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色譜在診斷發(fā)電機(jī)故障上的應(yīng)用
色譜在診斷發(fā)電機(jī)故障上的應(yīng)用
劉長武 王海歐
（國華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司301900）
摘要：分析發(fā)電機(jī)發(fā)生定子線棒開裂漏氫故障原因，確定故障中定子水氫氣含量的變化以及色譜測定方法的可靠性，并通過監(jiān)督確定，發(fā)電機(jī)發(fā)生定子線棒開裂漏氫故障的極限值參考值。
關(guān)題詞：色譜法；診斷；發(fā)電機(jī)故障
2003年12月盤電2#發(fā)電機(jī)發(fā)生定子線棒開裂漏氫故障，04年6月#1發(fā)電機(jī)再次出現(xiàn)定子線棒因磨損出現(xiàn)泄漏故障。在機(jī)組運(yùn)行過程中雖然發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫量增大，懷疑發(fā)電機(jī)有漏氫點(diǎn)，但在什么環(huán)節(jié)上漏卻無法確定，故障點(diǎn)在那里是否需要緊急廳級都無法確定。
盤電機(jī)組為俄供500MW超臨界直流發(fā)電機(jī)組，內(nèi)冷采用氫、氫、水的冷卻方式，發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)簡圖如下：
瓷過濾器
濾網(wǎng)
運(yùn)行狀態(tài)下通常系統(tǒng)氫壓為0.44MPa，內(nèi)冷水壓為0.41MPa，系統(tǒng)密封油泵出口油壓為1.3MPa，從系統(tǒng)上分析，密封油壓高于發(fā)電機(jī)氫氣壓力，油壓正常狀態(tài)下，如果發(fā)電機(jī)漏氫，氫氣漏入密封油中的可能性不大，另一方面是發(fā)電機(jī)氫氣供給系統(tǒng)密封出現(xiàn)問題，而發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)發(fā)生腐蝕或應(yīng)力開列會由于氫壓大于水壓，使氫氣不斷的樓如內(nèi)冷冷卻水中，使補(bǔ)氫量增大。
在內(nèi)冷水系統(tǒng)中雖然有測量氫氣的在線表，但通過實(shí)踐檢驗(yàn)，反映不是很靈敏，而且氫氣在水中未達(dá)到飽和狀態(tài)且有大量的氫氣從水中溢出時(shí)，也即故障初期根本檢測不到，即使監(jiān)測到，而發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，內(nèi)冷水側(cè)氫氣允許極限為3%，也不一定認(rèn)為是故障。
發(fā)電機(jī)定子線棒發(fā)生腐蝕泄漏或應(yīng)力開裂、接口松懈等漏氫初期故障，用其他檢測手段都不易發(fā)覺，一旦查知，故障點(diǎn)可能已發(fā)展到了非常嚴(yán)重的狀態(tài)，甚至可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)接地，燒毀等非常嚴(yán)重的事故。
機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)由于受熱應(yīng)力、振動、彎曲等各種應(yīng)力的作用，由于氫壓大于水壓，以及氫氣在金屬中的溶解和穿透力較強(qiáng)，氫氣會沿著各種應(yīng)力產(chǎn)生的微小縫隙進(jìn)入并溶于內(nèi)冷冷卻水中。正常狀態(tài)下內(nèi)冷冷卻水中氫氣的含量相對穩(wěn)定，其值大小與設(shè)備負(fù)荷狀況和發(fā)電機(jī)檢修質(zhì)量有關(guān)，一般隨負(fù)荷變動在一定的范圍內(nèi)變動（如果是采用凝結(jié)水做發(fā)電機(jī)冷卻水，還有少量氫氣來自凝結(jié)水），一旦定子線棒發(fā)生泄漏，內(nèi)冷水含氫量就會急劇上升。
氫氣在水中的溶劑度與水的溫度有關(guān)，與氫氣分壓有關(guān)，分壓在小于202.3--303.9 KPa時(shí)，氫氣在水中的溶解度基本服從亨利定律，即定溫下氣體溶解達(dá)到平衡時(shí)，氣體在液體中的溶解度和氣體分壓成正比。
Ci=Ki ×Pi（Ki是平衡系數(shù)只與溫度有關(guān)）
在內(nèi)冷氫冷系統(tǒng)氫氣純度一般都在98.5%以上可以近似看成是純氫氣，內(nèi)冷冷卻水電導(dǎo)率一般在0.7us/cm可近似看成純凈水，除有氫氣溶解外無其他氣體溶解，除水的蒸汽分壓無其他氣體分壓。由于水的蒸汽分壓較小可近似認(rèn)為不影響氫氣溶解度計(jì)算（見付頁不同溫度下水的飽和蒸汽壓表），內(nèi)冷冷卻水通過發(fā)電機(jī)后吸收熱量，一般溫度可達(dá)到50~60度，經(jīng)查閱資料在50度，101.3KPa時(shí)氫氣的溶解度為0.0150L/L，那末由亨利定律得出：
在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過程中氫壓為440KPa，內(nèi)冷水溫度約為50度，那末達(dá)到飽和時(shí)氫氣在定子水中的溶解度應(yīng)為：Ci=Ki Pi=0.015/101.3×440≈0.06L/L
一旦定子線棒出現(xiàn)泄漏，溶解在定子水中的氫氣必然大于飽和狀態(tài)時(shí)，內(nèi)冷水回水中約含60000uL/L左右的氫氣，由于內(nèi)冷水是循環(huán)流動的且壓力從入口到出口是不斷下降的，氫氣在水中含氫量一般低于60000uL/L，當(dāng)內(nèi)冷水進(jìn)入緩沖水箱，由于水箱內(nèi)氮封表壓力為20KPa小于440KPa，水中氫氣將會溢出，達(dá)到平衡后緩沖水箱水中氫氣溶解度最大為Ci=Ki Pi =0.000148×120≈0.018L/L≈18000uL/L 也就是定子線棒出現(xiàn)泄漏時(shí)內(nèi)冷水供水中最少約含18000uL/L左右的氫氣，那末通過色譜法測定定子水的含氫量，可以診斷定子線棒異常。
為此我們深入進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，氫氣在水中的溶解度非常小，雖水溫升高溶解度降低，在機(jī)組運(yùn)行過程中，用其他方法測水中氫氣含量和溶解度很難測準(zhǔn)，為此我們嘗試了采用了色譜法來研究測定水中的氫氣含量，要用色譜法測定水中氫氣的絕對量，首先要依據(jù)亨利定律測出氫氣溶解平衡時(shí)在水和氣中的分配系數(shù)。
1、50℃，101.3KPa下氫氣溶解平衡時(shí)在水和氣中的分配系數(shù)
氣體分配系數(shù):定溫下1體力液體所能溶解某氣體的體積。此系數(shù)可在定溫下利用氣象色譜二次平衡法試驗(yàn)求得，二次平衡法是在以密閉容器中放入一定體力的純凈水和一定體積的氫氣，經(jīng)氣液平衡后，測定氫氣在氣相中的濃度，然后排除全部氣相中的氣體，在充入一定體積的高純氮?dú)�，竟跌二次平衡后，在測定氫氣在氣相的濃度，而后根據(jù)公式
K=(C2/C1-C2)×r 求得分配系數(shù)K值。
以下是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得的分配系數(shù)K值：
測定次數(shù) 1 2 3 4 5 6
一次平衡 7969839 1742345 1382042 14667985 14635219 9210955
二次平衡 11304.22 2471.3 1960.25 208004.7 20758.22 11646.21
r值 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125
K值 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002
從上表看50℃，101.3KPa下氫氣溶解平衡時(shí)在水和氣中的分配系數(shù)為0.0002
2、依據(jù)色譜法對#1、#2機(jī)氫氣在定子水中含量的測定
測定基本方法如下：
1) 脫氣-溶解平衡法(機(jī)械振蕩法) ,在一恒溫的密閉系統(tǒng)內(nèi)使油中溶解氣體在氣.液兩相達(dá)到分配平衡。通過測定氣相內(nèi)氣體濃度，并根據(jù)分配定律和物料平衡原理所導(dǎo)出的公式求出樣品中的溶解氣體濃度。
2) 將100mL玻璃注射器A用純凈水沖洗2～3次。排盡注射器內(nèi)殘留空氣，緩慢吸取發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水45mL。再準(zhǔn)確調(diào)節(jié)注射器芯塞至40.0mL刻度(V1)，立即用橡膠封帽 將注射器出口密封。
3）取一支5mL玻璃注射器B，用氮?dú)?或氬氣)沖洗1～2次，再準(zhǔn)確抽取5.0mL 氮?dú)馊缓髮⒆⑸淦鰾內(nèi)氣體緩慢注入有試油的注射器A內(nèi)。
4）將注射器A放入恒溫定時(shí)振蕩器內(nèi)，連續(xù)振蕩20min，然后靜止10min。
5）另取一支5mL玻璃注射器C，用試油沖洗1～2次，吸入約0.5mL純凈水， 戴上橡膠封帽，插入雙頭針頭，使針頭垂直向上。將注射器內(nèi)的空氣和水慢慢排出，從而使水充滿注射器的縫隙而不致殘存空氣。
6）將注射器A從恒溫定時(shí)振蕩器內(nèi)取出，立即將其中的平衡氣體通過雙頭針頭轉(zhuǎn)移到注射器C內(nèi)。室溫下放置2min，準(zhǔn)確讀其體積V g(準(zhǔn)確至0.1mL)，以備分析用。
7）計(jì)算
7.1）樣品氣和油樣體積的校正
按式(3)和式(4)將在室溫.試驗(yàn)壓力下平衡的氣樣體積Vg和試油體積V1分別校正為規(guī)定狀況(50℃.101.3kPa)下的體積：
? (3)
?式中 V′g——50℃.101.3kPa狀況下平衡氣體積，mL;
Vg——室溫為t.壓力為p時(shí)平衡氣體積，mL；
p——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa；
t——試驗(yàn)時(shí)的室溫，℃。
式中 V′1——50℃油樣體積，mL；
V1——室溫t時(shí)所取油樣體積，mL；
t——試驗(yàn)時(shí)的室溫，℃。
7.2 ）水中溶解氣體各組分濃度的計(jì)算
按式(5)計(jì)算油中溶解氣體各組分的濃度：
式中 xi——油中溶解氣體i組分濃度，ppm；
——標(biāo)準(zhǔn)氣中i組分濃度，ppm；
——樣品氣中i組分的平均峰高，mm；
——標(biāo)準(zhǔn)氣中i組分的平均峰高，mm；
Ki——組分i在50℃時(shí)的分配系數(shù)；
V′g——50℃.101.3kPa時(shí)平衡氣體積，mL；
V′1——50℃ 油樣體積，mL；
0.929——油樣中溶解氣體從50℃校正到20℃.101.3kPa時(shí)的校正系數(shù) 。
03年12月，#2機(jī)漏氫停機(jī)時(shí)檢測，內(nèi)冷水的氫氣最大含量為34752 ul/L，對比檢測#1機(jī)含氫量只為2913ul/L，我們推斷可能是#2發(fā)電機(jī)定子出現(xiàn)泄漏點(diǎn)。
用色譜法檢查定子線棒是否存在泄漏，可以從內(nèi)冷水系統(tǒng)供水或回水，前一次測定和后一次測定氫氣增長趨勢來確定，或者采用供水與回水氫氣含量差來判斷，如果在正常情況下，供水與回水氫氣含量差應(yīng)是很小，一般不超過200uL/L，極個(gè)別的可達(dá)到300uL/L，以下是近期#1機(jī)和#2機(jī)定子水含氫的部分監(jiān)督數(shù)據(jù)。
日期 #1發(fā)電機(jī)供水水樣含氫量μL/L #1發(fā)電機(jī)回水水樣含氫量μL/L 差值
2006.05.16.10 2038.4 2063 24.6
2006.05.23.10：30 2123.4 2189.6 66.2
2006.05.30.09：30 1875.3 1985.1 109.8
2006.06.06.09:20 2063.7 2178.9 115.2
2006.06.13.09：10 2216.3 2297.4 81.1
2006.06.20.10：00 2059.9 2103.8 43.9
2006.06.27.10：30 2062.6 2205.2 142.6
2006.07.04.10：30 1692.3 1868.2 175.9
2006.07.11.10：00 1798.2 1829.4 137.1
2006.07.18.09：30 1680.1 1853.4 173.3
2006.07.25.10：00 1989.6 2112.4 122.8
2006.08.01.10：00 1370.8 1436.7 64.9
2006.08.08.10：30 1542.6 1657.6 115.0
2006.08.15.10：00 1828.2 1993.1 164.9
2006.08.22.09：30 2396.4 2421.7 25.3
2006.09.24.09：10 1985.4 2014 28.6
2006.10.14.10：15 1826 1849 23
取樣時(shí)間 ＃2發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水進(jìn)水 ＃2發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水回水 差值
2006.05.30.09：30 1960 2031.4 71.4
2006.06.06.09:20 1908.8 2075.9 167.1
2006.06.13.09：10 2032.7 2094.7 62
2006.06.20.10：00 2083.1 2092.3 9.2
2006.06.27.10：30 2079.5 2087.6 8.1
2006.07.04.10：30 1912.4 2037.4 125
2006.07.011.10：00 2127.2 2334.6 207.4
2006.07.18.09：30 2063.9 2138.8 71.9
2006.07.25.10：00 2213.4 2318.6 105.2
2006.08.01.10：00 1681.9 1995.4 313.5
2006.08.08.10：30 1830.5 1947.3 116.8
2006.08.15.10：00 1635.3 1742.4 107.1
2006.08.22.09：30 2085.2 2388.6 303.4
2006.09.24.09：10 638.4 678.4 （檢修后內(nèi)冷水系統(tǒng)剛投入運(yùn)行）40
2006.10.14.10：15 1987.6 2004.3 16.7
2006.11.06.09：40 2364.4 2393.3 28.9
從上面統(tǒng)計(jì)表和表曲線看出，內(nèi)冷水含氫氣波動是比較大的，但一般不超過2500uL/L，前一次測定和后一次測定氫氣增長速率、供水與回水氫氣含量差是有一定幅度變化的最大不超過300uL/L，波動原因主要由于受機(jī)組負(fù)荷、氫壓、水壓的變動以及內(nèi)冷水補(bǔ)水等多方面因素的影響，因此要確定設(shè)備是否有故障，還有必要求得氫氣在水中溶解的絕對含量的增長情況。
由于定子線棒入水溫度在30度左右，有資料記載在30度氫氣壓力101.3KPa時(shí)氫氣的溶解度為0.017L/L，但由于取樣時(shí)內(nèi)冷水壓約為410KPa，如果定子線棒有泄漏，在常壓下取氫氣樣品會由于過飽和而析出氫氣，在常壓下平衡后水中溶解的氫氣實(shí)際上應(yīng)小于或等于0.017L/L，這樣情況下應(yīng)先測定平衡后氣體中氫氣的含量，然后再進(jìn)行二次平衡測定水中溶解的氫氣含量，兩者相加才是水中氫氣的真正含量。
綜合上述分析力用色譜法能有效地檢測發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的含氫量，要利用發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的含氫量判定發(fā)電機(jī)定子漏氫的故障，必須從三方面來判斷，其一是水中絕對氫含量應(yīng)不小于2500uL/L, 其二是供水和回水氫氣含量差應(yīng)不大于300uL/L,超出此值應(yīng)視為異常。
從上述色譜分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，盤電機(jī)組內(nèi)冷水在正常情況下，氫氣含量應(yīng)不大于2500uL/L，供水和回水氫氣含量差應(yīng)不大于300uL/L,超出此值且有緩慢增長或突變時(shí)應(yīng)視為異常。
附表：水在不同溫度下的蒸汽壓
溫度℃ 壓力mmHg 溫度℃ 壓力mmHg
－10
－5
0
5
10
15
20
25
30
35
40 2.149
3.163
4.579
6.543
9.209
12.79
17.54
23.76
31.82
42.18
55.32 45
50
60
70
80
90
100
150
200
250
300 71.88
95.21
149.4
233.7
355.1
525.76
760.00
3571
11659
29818
64433
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