氢气浓度在线测量技术的研究

    1　前言

    随着现代工业的发展,氢气在化工、冶金、航天、电力等部门中得到广泛的应用,氢气浓度在线测量已越来越受到重视,如何快速准确地测量氢气浓度已是各相关行业急待解决的问题。在电力部门,对于汽轮发电机机组的安全运行,氢气浓度的监测有着非常重要的作用。目前几乎所有的大容量、高参数发电机均采用导热率较高的氢气作为冷却剂,发电机组氢浓度、氢气湿度和氢泄漏即是保障其安全运行的重要监测参数。首先,氢气的纯度越高,其散热效果越好;相反,纯度下降,散热效果变差,这将直接导致发电机过热,危及发电机安全。其次,氢气湿度超标即存在转子护环应力腐蚀和发电机定子绝缘故障的严重危害。第三,一旦氢气泄漏,超过一定浓度,与空气中的氧气混合,极易产生爆炸,危及整个电厂的安全,给国家带来巨大的损失。

    目前,发电机的氢气浓度和湿度监测绝大部分仍然在采用定期取样、化学分析的方法,属离线分析,工作周期长,工作强度大,其缺陷是不言而喻的。

    国内曾有个别科研院所在氢敏传感器方面作过一些工作,如东南大学和沈阳工业大学联合研制了一种运用光纤干涉仪及其准外差检测系统测量氢气浓度的装置,但目前还不完善,在某些环节上仍然存在着问题,而且测量系统复杂,对环境要求高,仅处于实验室阶段。国外大型专业公司已有产品,如UOP(UniversalOil Products Company)公司研制出一种新型的可以直接快速地在线测量氢气浓度的分析仪,该仪器采用了一种专用于氢气的质子传导聚合物传感器,可以直接测量各种浓度的氢气,但其价格昂贵,对背景气要求较高(发一氧化碳含量超过2%,或氧气超过3000ppm,或氨气超过3000ppm,就会出现传感器中毒现象,严重影响仪器工作),所以国内的很多发电机组均未能配置。

    由于以上原因,我们开展了氢浓度在线监测技术的研究,力争为国内发电机氢气浓度在线监测做出一些贡献。

    2　系统原理

    本系统采用了Intel单片微处理器,高稳定恒流源,BB公司低功耗低漂移仪表放大器,并采用线性校准技术。仪器集氢纯度、氢泄漏、氢湿度、氢温度四个参数监测为一体,操作简便,测量准确,可靠性高。

    (1)氢气浓度测量的工作原理基于测量气体导热率。各种气体具有不同的导热率,如与空气为参比,在标准气压和O℃时,各种气体的相对导热率见表1。

    本系统的基本原理是根据气体的导热率而确定其成份,即通过混合气体导热率的测量来决定混合气体中某气体的含量,在混合气体中氢气导热率远远高于其它气体,比N2,O2高7—8倍,因此当混合气体中背景气体(如N2等)或其它成份基本保持恒定时,混合气体的导热率基本取决于氢的浓度,这样,根据混合气体导热率的不同,就可测出含氢量的多少。本系统采用热传导式传感器,利用混合气体导热率随氢气纯度变化而变化的特性,检测处于氢气中通电加热的铂电阻阻值,该电阻变化的大小与温度成正比,温度取决于气体传导热量的速度,传热速度取决于氢气浓度。这样,通过检测铂电阻阻值变化,间接测量出氢气的浓度。