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色譜在診斷發電機故障上的應用
色譜在診斷發電機故障上的應用
劉長武 王海歐
（國華盤山發電有限責任公司301900）
摘要：分析發電機發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，并通過監督確定，發電機發生定子線棒開裂漏氫故障的極限值參考值。
關題詞：色譜法；診斷；發電機故障
2003年12月盤電2#發電機發生定子線棒開裂漏氫故障，04年6月#1發電機再次出現定子線棒因磨損出現泄漏故障。在機組運行過程中雖然發現發電機補氫量增大，懷疑發電機有漏氫點，但在什么環節上漏卻無法確定，故障點在那里是否需要緊急廳級都無法確定。
盤電機組為俄供500MW超臨界直流發電機組，內冷采用氫、氫、水的冷卻方式，發電機冷卻系統簡圖如下：
瓷過濾器
濾網
運行狀態下通常系統氫壓為0.44MPa，內冷水壓為0.41MPa，系統密封油泵出口油壓為1.3MPa，從系統上分析，密封油壓高于發電機氫氣壓力，油壓正常狀態下，如果發電機漏氫，氫氣漏入密封油中的可能性不大，另一方面是發電機氫氣供給系統密封出現問題，而發電機內冷水系統發生腐蝕或應力開列會由于氫壓大于水壓，使氫氣不斷的樓如內冷冷卻水中，使補氫量增大。
在內冷水系統中雖然有測量氫氣的在線表，但通過實踐檢驗，反映不是很靈敏，而且氫氣在水中未達到飽和狀態且有大量的氫氣從水中溢出時，也即故障初期根本檢測不到，即使監測到，而發電機運行過程中，內冷水側氫氣允許極限為3%，也不一定認為是故障。
發電機定子線棒發生腐蝕泄漏或應力開裂、接口松懈等漏氫初期故障，用其他檢測手段都不易發覺，一旦查知，故障點可能已發展到了非常嚴重的狀態，甚至可能出現發電機接地，燒毀等非常嚴重的事故。
機組在正常運行狀態下，發電機由于受熱應力、振動、彎曲等各種應力的作用，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，氫氣會沿著各種應力產生的微小縫隙進入并溶于內冷冷卻水中。正常狀態下內冷冷卻水中氫氣的含量相對穩定，其值大小與設備負荷狀況和發電機檢修質量有關，一般隨負荷變動在一定的范圍內變動（如果是采用凝結水做發電機冷卻水，還有少量氫氣來自凝結水），一旦定子線棒發生泄漏，內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，與氫氣分壓有關，分壓在小于202.3--303.9 KPa時，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到平衡時，氣體在液體中的溶解度和氣體分壓成正比。
Ci=Ki ×Pi（Ki是平衡系數只與溫度有關）
在內冷氫冷系統氫氣純度一般都在98.5%以上可以近似看成是純氫氣，內冷冷卻水電導率一般在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為不影響氫氣溶解度計算（見付頁不同溫度下水的飽和蒸汽壓表），內冷冷卻水通過發電機后吸收熱量，一般溫度可達到50~60度，經查閱資料在50度，101.3KPa時氫氣的溶解度為0.0150L/L，那末由亨利定律得出：
在發電機正常運行過程中氫壓為440KPa，內冷水溫度約為50度，那末達到飽和時氫氣在定子水中的溶解度應為：Ci=Ki Pi=0.015/101.3×440≈0.06L/L
一旦定子線棒出現泄漏，溶解在定子水中的氫氣必然大于飽和狀態時，內冷水回水中約含60000uL/L左右的氫氣，由于內冷水是循環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，當內冷水進入緩沖水箱，由于水箱內氮封表壓力為20KPa小于440KPa，水中氫氣將會溢出，達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泄漏時內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。
為此我們深入進行了實驗研究，氫氣在水中的溶解度非常小，雖水溫升高溶解度降低，在機組運行過程中，用其他方法測水中氫氣含量和溶解度很難測準，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，首先要依據亨利定律測出氫氣溶解平衡時在水和氣中的分配系數。
1、50℃，101.3KPa下氫氣溶解平衡時在水和氣中的分配系數
氣體分配系數:定溫下1體力液體所能溶解某氣體的體積。此系數可在定溫下利用氣象色譜二次平衡法試驗求得，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氣，竟跌二次平衡后，在測定氫氣在氣相的濃度，而后根據公式
K=(C2/C1-C2)×r 求得分配系數K值。
以下是根據實驗數據測得的分配系數K值：
測定次數 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下氫氣溶解平衡時在水和氣中的分配系數為0.0002
2、依據色譜法對#1、#2機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(機械振蕩法) ,在一恒溫的密閉系統內使油中溶解氣體在氣.液兩相達到分配平衡。通過測定氣相內氣體濃度，并根據分配定律和物料平衡原理所導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。排盡注射器內殘留空氣，緩慢吸取發電機內冷水45mL。再準確調節注射器芯塞至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，用氮氣(或氬氣)沖洗1～2次，再準確抽取5.0mL 氮氣然后將注射器B內氣體緩慢注入有試油的注射器A內。
4）將注射器A放入恒溫定時振蕩器內，連續振蕩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從恒溫定時振蕩器內取出，立即將其中的平衡氣體通過雙頭針頭轉移到注射器C內。室溫下放置2min，準確讀其體積V g(準確至0.1mL)，以備分析用。
7）計算
7.1）樣品氣和油樣體積的校正
按式(3)和式(4)將在室溫.試驗壓力下平衡的氣樣體積Vg和試油體積V1分別校正為規定狀況(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時平衡氣體積，mL；
p——試驗時的大氣壓力，kPa；
t——試驗時的室溫，℃。
式中 V′1——50℃油樣體積，mL；
V1——室溫t時所取油樣體積，mL；
t——試驗時的室溫，℃。
7.2 ）水中溶解氣體各組分濃度的計算
按式(5)計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；
——標準氣中i組分濃度，ppm；
——樣品氣中i組分的平均峰高，mm；
——標準氣中i組分的平均峰高，mm；
Ki——組分i在50℃時的分配系數；
V′g——50℃.101.3kPa時平衡氣體積，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時的校正系數 。
03年12月，#2機漏氫停機時檢測，內冷水的氫氣最大含量為34752 ul/L，對比檢測#1機含氫量只為2913ul/L，我們推斷可能是#2發電機定子出現泄漏點。
用色譜法檢查定子線棒是否存在泄漏，可以從內冷水系統供水或回水，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是很小，一般不超過200uL/L，極個別的可達到300uL/L，以下是近期#1機和#2機定子水含氫的部分監督數據。
日期 #1發電機供水水樣含氫量μL/L #1發電機回水水樣含氫量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
取樣時間 ＃2發電機內冷水進水 ＃2發電機內冷水回水 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 （檢修后內冷水系統剛投入運行）40
2006.10.14.10：15 1987.6 2004.3 16.7
2006.11.06.09：40 2364.4 2393.3 28.9
從上面統計表和表曲線看出，內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組負荷、氫壓、水壓的變動以及內冷水補水等多方面因素的影響，因此要確定設備是否有故障，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時氫氣的溶解度為0.017L/L，但由于取樣時內冷水壓約為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際上應小于或等于0.017L/L，這樣情況下應先測定平衡后氣體中氫氣的含量，然后再進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電機內冷水的含氫量，要利用發電機內冷水的含氫量判定發電機定子漏氫的故障，必須從三方面來判斷，其一是水中絕對氫含量應不小于2500uL/L, 其二是供水和回水氫氣含量差應不大于300uL/L,超出此值應視為異常。
從上述色譜分析統計結果可以看出，盤電機組內冷水在正常情況下，氫氣含量應不大于2500uL/L，供水和回水氫氣含量差應不大于300uL/L,超出此值且有緩慢增長或突變時應視為異常。
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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