发电机密封油系统油击故障原因分析及对策

穆肖静

(华能铜川电厂，陕西 铜川 727000)

0 引言

发电机在运行中铁芯和绕组线圈会发热，转子转动时会产生鼓风摩擦发热以及励磁损耗等，因此，必须及时排出这些热量，确保发电机安全运行。华能铜川电厂发电机采用水－氢－氢冷却系统，即发电机定子线圈用水冷却，而发电机的铁芯和转子线圈用氢气冷却。氢气是一种优良的冷却介质，但同时又易燃、易爆，所以发电机转子伸出端必须有良好的密封性，目前主要是通过密封油系统向发电机两端密封瓦供油，形成油环，使油压高于发电机内氢压一定数量值，以封闭发电机内氢气沿转轴与密封瓦之间的间隙，防止氢气向外泄漏，同时也防止油压过高而导致发电机内大量进油。密封油系统直接关系到氢气的压力和纯度，其密封瓦内油压要保持稳定，任何油压波动甚至类似水锤作用的油击都会严重威胁发电机的安全运行。

1 密封油系统的原理、特点及主要组成

华能铜川电厂2×600 MW氢冷机组采用东汽生产的单流环式密封油系统(如图1所示)，每端密封瓦共由8块90°的弧段组成，每4块组合成1个双油环密封瓦，密封瓦与轴颈形成约0.2mm的径向总间隙，向密封瓦2个圆环中部腔室充入比氢气压力高0.056 MPa的密封油，以防止氢气泄漏。发电机内氢气压力在运行中有一定变化，利用差压阀来跟随氢压调节密封油压力，始终保持油压略高于氢压，以防氢气外溢。单流环式结构简单，有油、水分离装置，可将油中含有的水分、空气先除去后再进入密封瓦，以起到降低机内氢气湿度和防止空气污染的作用。密封油源自汽轮发电机组润滑油系统，密封油系统主要由下列部件构成:密封瓦、交流密封油泵(2台互为备用)、直流事故密封油泵、密封油真空泵、再循环泵、密封油排烟风机、真空油箱及回油扩大槽、空气抽出槽、浮子油箱、差压阀、滤网、安全阀等。

图1 密封瓦结构

2 密封油系统的工作流程

工作流程主要包括正常运行回路、事故运行回路和紧急密封油回路，油击现象发生在正常运行回路中，如图2所示。

3 密封油系统油击现象及原因分析

3.1 密封油系统油击现象

在正常运行中，密封油集装装置处突然发出较大的间歇性撞击声，间隔约3 s;同时，密封油泵出口压力、压差阀后供油母管压力、油氢压差均同时发生瞬间大幅摆动，偏离正常值0.2 MPa左右。经测氢仪测量，发电机轴瓦处和密封油排烟风机处氢含量未超标，补氢量也没有明显增加。随后，油击现象有所减轻，但一直持续存在。

3.2 水锤现象的产生及危害

在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤。引起水击的根本原因是:当阀门突然关闭/开启或水泵突然停止/启动时，引起液体动量迅速改变，使压力发生显著变化。水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力，压力的反复变化，会引起管道振动，导致管道附件及设备的损坏，甚至爆炸。

图2 正常运行回路

3.3 浮球阀的原理及其造成油击现象的原因分析

对现场表象进行分析后，初步确认发生了类似水锤的油击现象，从众多阀门中找到导致流体突然减速造成油击故障的阀门。经观察，密封油真空油箱内再循环泵的喷嘴和油箱补油喷嘴较多，喷油从油箱顶部落下直接打在浮球阀的浮球上，真空油箱内的浮球阀受到油滴脉动激振力的作用，在液面上上、下起伏，当浮球向上动作时，管道便发出一次撞击声，由此断定浮球阀便是故障阀门。浮球阀的浮球随油位的高低而升降，从而调节浮球阀的开度，控制着轴承润滑油进入真空油箱的补油速度。然而，浮球阀由于内部故障变得异常灵敏，液面波浪和落下的油滴所造成的扰动，即可使浮球阀迅速打开和关闭。在对浮球阀进行解体检查后，证实了该想法。浮球阀的组成如图3所示，该种浮球阀属于水力控制阀的一种，其工作原理是:以阀前、阀后压力差Δp为动力，由导阀节流控制，使活塞两侧受到压差而动作，从而驱动阀门开、关，相当于驱动力放大机构，活塞始终自动跟随先导阀运动并保持与先导阀之间的节流间隙。

从图4可以看出，液位上升时浮球带动连杆，使先导阀向右运动，先导阀与活塞之间的泄油间隙减小，活塞左侧腔室压力随之升高带动阀芯向右关闭，液位停止上升。当液位下降时浮球带动连杆使先导阀向左运动，先导阀与活塞之间的泄油间隙变大，先导阀后的中心孔直通阀门出口，出口由于阀芯节流，其压力低于入口压力，故先导阀打开泄油，导致活塞左侧腔室压力随之降低，带动阀芯向左移动。经分析，油击故障发生在阀门关闭过程中，由于主阀类似截止阀，各个开度下压力损失系数不一样，越是接近全闭状态，压力损失曲线越陡峭，压力衰减越快，阀芯面积上产生向左的作用力消失就越快，阀芯的动作加速，阀芯有被快速吸入的趋势，易发生水锤。

图3 浮球阀组成

图4 浮球阀原理图

在正常运行时，真空油箱始终要有一定的补油量，浮球阀最终会在某一个流量开度附近做小幅波动，降低浮球阀前压力可以使浮球阀工作在较大开度，避免在接近全关位置附近工作。总结形成油击的原因，主要有以下几点:

(1)浮球受到扰动而产生周期性开、关阀动作，而杠杆机构无阻尼，波动频率高，速度快。

(2)阀芯流量曲线较差，使阀芯工作在接近全关位置附近。

(3)橡胶密封环在阀门全关时，应起密封作用，解体密封环发现已经部分开裂磨损，应该是由于锤击造成的，密封环泄漏更易使浮球阀工作在全关位置附近。

(4)先导阀后中心泄油孔孔径较小，易受到油中沉积物的影响，减缓泄油速度，导致活塞左腔室压力衰减缓慢，当阀门接近全关位置时，阀芯有被快速吸入的趋势。

3.4 油击高压油的压力传导

为何油箱补油管路发生的油击压力会传导到密封油泵出口压力管道中。由图5可以看出，#39，25，#19阀均属于手动逆止阀且为常开阀门，依靠压力逆止，可方便地在前述3种密封油运行方式中自动切换。在正常回路运行时，#19，#39阀被主油箱冷油器后压力为0.15 MPa的润滑油压住，#25阀被0.80 MPa的交流密封油泵出口压力压住，当#1浮球阀迅速关闭时，油箱入口补油管路将产生水锤作用的高油压，当油压瞬间升高超过0.80 MPa时，#25阀被打开，脉冲油涌入交、直流密封油泵出口管路中，引起密封瓦供油压力瞬间升高，压差阀(#31阀)需要在其后密封瓦供油管路压力升高后，才能反馈至差压阀使阀关小，故氢压不变而油压已经升高，油氢压差表也表现为跟随波动。由此可以推断，如果将#25阀关死，虽然可以消除出口油压波动，但是将导致补油管路产生更高的压力，甚至使法兰盘垫片损坏而喷油，使系统无法自动切换至前述第3种紧急密封油回路，即当交直流油泵失电后，润滑油无法通过#25阀为密封瓦供油。

4 消除密封油油击故障的对策

从原理上来考虑，分2类方法。

图5 密封油系统图(部分)

(1)消除浮球阀的灵敏度，使其开关平顺，具体方法为:

1)在浮球阀前管路上加装滤芯，减少杂质对浮球阀的磨损和可能造成的卡涩。

2)关小浮球阀前#17手动门，可以改变液位最终平衡位置，从而使浮球阀工作在中间开度的位置，避免接近关闭位。

3)在真空油箱内部浮球所在区域安装罩壳，防止油滴冲击和液面波浪的影响。

4)在浮球连杆处增加阻尼装置，使浮球杆较缓慢动作。

5)选取平缓的流量开度曲线，更换新特性浮球阀。

6)减小活塞两侧油孔的直径，延缓活塞左侧腔室充油速度，使活塞只能缓慢关闭。

(2)优化系统，在发生浮球阀油击等故障时可以有效处理，具体方法为:

1)在浮球阀入口管路加装安全阀、溢流阀连接至真空油箱，保护入口管路安全。

2)当浮球阀动作失灵且不能立即将真空油箱退出运行时，作为应急处理办法，可将浮球阀前进油管路的阀门开度关小，适当降低真空油箱液位，人为控制补油速度。

5 结束语

发电机密封油系统是否正常对发电机安全运行影响很大，通过对华能铜川电厂2台600 MW发电机密封油系统油击故障的分析可以看出:油击现象可造成管道振动、碰磨，法兰盘垫片开裂跑油，阀门滤芯等设备损坏，严重时会造成发电机进油、氢气泄漏、停机等事故，必须引起足够的重视。浮球阀选型时需要选取合适的流量开度曲线，既要避免浮球阀异常灵敏，又要避免真空油箱液位产生较大范围的波动。

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