600MW双环式密封油发电机氢气纯度快速下降原因分析及处理

2015-12-25周显春马娅岚

重庆电力高等专科学校学报 2015年3期

刘彬，周显春，马娅岚

（华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆 402283）

大型热力发电厂发电机普遍采用氢气作为冷却介质。氢气作为冷却介质的优点是：密度小、传热系数大、绝缘性能好、电离现象微弱，但氢气存在易燃易爆这一缺点。

火电厂普遍采用密封油系统形成比氢气压力更高的油环将氢气封闭在发电机内部。密封油系统分为单环式密封油系统和双环式密封油系统。从理论上说，单环式密封油系统的油环既与氢气接触，又与空气接触，空气和氢气都要溶解到密封油中，也会从油中析出，容易造成空气和氢气混合，影响发电机内部氢气纯度。双环式密封油系统采用两个油环，分别密封空气和氢气，防止空气和氢气混合，保证发电机内部氢气纯度稳定。但生产实践中发现双环式密封油效果并不理想。空、氢侧密封油串油非常容易发生，并且不容易解决，导致发电机内部氢气纯度下降快。为了保证纯度，运行人员需要排放部分较低纯度的氢气（98.0%以下），补充高纯度的氢气（99.9%），来提高氢气纯度，耗氢量巨大。本文采用降低密封油温度的方法降低了密封油流量，减少空气析出量，减缓了发电机内部氢气纯度下降的速度，从而有效减少了频繁补排氢产生的耗氢量。

1 情况简介

某厂三期两台600 MW发电机密封油系统采用的是双环式密封油系统，氢侧密封油和空侧密封油各自有一路密封油回路。这种系统在密封瓦处空、氢侧密封油是有接触的，通过密封油系统的平衡阀调节空、氢侧密封油压力基本平衡（见图1）。这样，密封瓦处空、氢侧密封油从理论上说是没有油的交换。空侧密封油虽然溶解有空气等杂质气体，但是由于两个回路压力平衡，没有油交换，在理想状态下，空侧密封油不能接触到发电机里面的氢气，油中的空气不能对氢气造成污染。双环式密封油系统见图2。

图1 双环式密封油系统

从设计上看，这样的系统能够维持发电机氢气的纯度长时间不会降低。而在生产实践中，该厂的三期两台600 MW发电机组氢气纯度下降是很快的，以5#机为例，要求控制发电机氢气纯度在98.0%～98.5%。一般情况下，每35个小时左右，氢气纯度就会从98.5%降到98.0%以下，这时需要通过补排氢来提高发电机的氢气纯度。这既增加了运行人员的工作量，也浪费了大量的氢气。2012年12月，5#机运行了31天，补氢和补排氢一共19次，其中16次是补排氢，绝大多数氢气是消耗在氢气提纯上面。发电机氢气纯度下降快是三期机组氢气消耗的主要原因。如果能够控制氢气纯度下降的速度，就能够有效减少氢气的耗量。

图2 密封瓦

2 影响氢气纯度的可能因素及分析

2.1 影响氢气纯度的可能因素

2.1.1 空气漏入系统

因为发电机内部的氢气压力一般约0.40 MPa（g）［1］，远高于大气压力，环境中的空气不会直接漏入发电机内。

2.1.2 密封油含水超标

如果密封油含水超标，氢侧密封油中的水气就有可能进入发电机影响氢气纯度。检查5#机氢干燥器运行正常，氢气露点温度都控制在-25～0℃［2］，满足生产要求，故影响氢气纯度的不是水气。

2.1.3 空、氢侧密封油串油

就地检查5#机空、氢侧密封油平衡阀指示都不在零位，显示氢侧压力偏高。达到10 cm水柱（约1 kPa）超过了平衡阀要求的控制范围±0.49 kPa。如果平衡阀指示准确的话，氢侧密封油会向空侧密封油串油，氢侧的回油流量就会减少，氢侧回油箱油位就会下降，补油阀就会开启。就地检查氢侧回油箱补油管道是热的，证明空侧的密封油在向氢侧补油。空侧密封油中溶解的空气也会进入氢侧密封油。而氢侧密封油在密封瓦处与氢气接触的时候，空气就会析出进入氢气中，从而影响氢气纯度。这似乎证明了氢侧向空侧串油的判断。

2.1.4 氢侧密封油箱排油阀关不严

在就地检查中还发现氢侧密封油箱排油管道发热，说明排油管道有油流过（氢侧密封油箱结构见图3）。按照氢侧向空侧串油来分析，氢侧密封油箱的油位应该降低，不应该排油，而是补油。检查到补油管道发热是合理的，排油管道发热不合理。可能的原因是排油浮球阀3不能关严，导致氢侧密封油通过排油管道进入空侧密封油，这样油箱油位下降，就需要通过开启补油浮球阀4，向氢侧密封油箱补充更多的空侧密封油来维持氢侧密封油箱油位正常。这又增加了空侧向氢侧补油的量，含有较多空气的空侧密封油混入了氢侧密封油。

图3 氢侧密封油箱示意图

2.2 氢气纯度下降原因分析

到底是空侧向氢侧串油，还是氢侧向空侧串油；是补油浮球阀4内漏还是排油浮球阀3内漏？笔者做了以下试验：

2013年3月28日15∶49，观察氢侧密封油箱油位，用记号笔在油位计上做好标记，如图4所示。

图4 试验开始前氢侧密封油箱油位

关闭氢侧密封油箱补油手动阀1和排油手动阀2，观察油位变化，如图5所示。

图5 停止补油和排油后油位上涨

16∶00观察密封油箱油位上涨了一格，约3厘米。这说明在没有补油和排油的情况下，油箱的油位会上涨。这就排除了氢侧向空侧串油的可能，而是空侧向氢侧串油。10分钟内油箱上涨了3厘米。

开启氢侧密封油箱底部排油手动阀2（保持补油手动阀1关闭），检查排油浮球阀3能否关严。

16∶35 油箱油位下降到标记位置下3格半，还有持续下降的趋势，见图6。这说明油箱排油浮球阀3有内漏。而且内漏量较大，超过了空侧向氢侧串油量，造成了油箱油位下降。

图6 油位下降3格半

开启油箱补油手动阀1。

16∶39油位回到标记位置，见图7。

图7 油位恢复原位

检查油箱排油手动阀2和补油手动阀1。

检查发现排油阀2和补油阀1都发热，见图8。这时检测排油管道温度42 ℃，说明有密封油流过。结合上面的试验，可以判定，氢侧密封油箱排油浮球阀关不严，内漏。排油球阀3内漏造成油箱补油浮球阀4开启向油箱补油。

通过以上分析，初步认定影响5#机氢气纯度的主要因素如下所示。

（1）空侧向氢侧串油，空侧密封油含有较多的空气，串油后，空侧密封油中的空气混入氢侧密封油。当氢侧密封油接触到氢气的时候，比如在密封瓦处和消泡箱处，油中的空气析出进入发电机氢气中，造成氢气纯度下降。

图8 检查排油管道温度

（2）氢侧密封油箱排油阀内漏，造成油箱油位下降，油箱补油浮球阀自动打开补油。这样，空侧密封油进入氢侧密封油回路，然后油中空气析出至氢气中。

上面两个原因造成了空、氢侧串油，影响了氢气纯度。但是要处理好这两个串油因素，不容易。原因如下所示。

（1）空、氢侧密封油平衡表只能反映空、氢侧密封油管道油压取样处的压力平衡，密封瓦处空、氢侧油压不能被准确反映。比如此次检查中，平衡表处显示的是氢侧密封油压力高，但实际上是空侧压力密封油偏高，在向氢侧串油。

（2）密封瓦呈环状，可能某一点或者弧段的油压处于平衡，而其他地方的油压并不一定平衡。平衡表不能准确反映密封瓦处空、氢侧油压的平衡状况。

（3）氢侧密封油箱排油浮球阀内漏，机组运行无法检修。

（4）浮球阀是活动的，很难保证每次动作后都能严密关闭。

3 采取措施及效果

3.1 采取措施

3.1.1 调节空、氢侧密封油平衡阀，使平衡表显示压力平衡

笔者随后对密封油空、氢侧平衡阀（见图9），依照平衡表显示的差压指示做调整，让平衡表指示到零，控制空、氢侧密封油压力平衡，差压为零。经观察，效果不明显。主要原因如下所示：

（1）空、氢侧密封油压平衡表并不能准确反映密封瓦处的实际平衡情况，只能反映压力测点位置的油压。而测点位置在密封瓦附近的密封油进口管道上，所以平衡阀调节的是密封油管道上的压力平衡，不是密封瓦内的密封油压力平衡。

（2）5#机空、氢侧密封油串油主要不是发生在密封瓦处，而串油的发生主要是由氢侧密封油箱排油阀不严密，内漏造成。

图9 密封油平衡阀

3.1.2 降低密封油温度

通过调节平衡阀效果不明显后，我们试图从另外一个途径来缓解氢气纯度下降速度——降低密封油温度。

通过观察氢气纯度下降的规律，发现机组停运后，氢气纯度下降的速度就会明显下降。其原因是：发电机停运后，密封油系统仍然工作，发电机内部氢压没有改变。发生变化的是停机后氢温、密封油温度下降。降低密封油温度是很容易实现的，并且不用停机，不用改造设备。厂家提供的资料显示，三期机组允许的密封油温度是27～49 ℃。该厂三期密封油温度平时控制在42～45 ℃左右，温度控制范围接近上限。

3.2 原理分析

降低密封油温度对氢气纯度有如下影响。

（1）密封瓦和轴之间的间隙越小，密封油流量就会越低；反之，密封油流量就会增大。流量越大，密封油携带并析出的空气就越多，氢气纯度就下降越快。较低的密封油温，由于热胀冷缩的作用，可以使密封瓦与轴之间的间隙稍微缩小一些，有利于降低密封油的流量。

发电机轴与密封瓦之间间隙对串流量的影响如式（1）所示［3］：

式中，

Q为密封油间的串流量；Δp为空、氢侧密封油微差压；d为转子轴径；c为中间环和轴间的间隙；μ为透平油的动力粘度；l为中间环长度。

从式（1）中可以看出，密封油流量与密封瓦间隙的三次方成正比。间隙的稍微变化，对密封油流量影响会很明显。密封油流量减小，这样通过密封油析出到氢气中的空气量也相应减少。氢气纯度下降就会减慢。

（2）密封油温度下降，油的粘性增大，从式（1）中可以看出密封油的流量Q与密封油的动力粘度μ成反比。粘性越大，密封油的流量就越小。

上述两个原因分析在生产上可以验证。发电机组运行时，油温较高，就地观察密封油流量较大。机组停运后，密封油温度也随着发电机温度下降而降低，在现场的密封油流量表可以观察到密封油流量明显低于机组运行时。

3.3 实施情况

2013年1月28日，将5#机密封油温度从45 ℃降到40 ℃，观察发电机轴承振动没有异常变化。1月29日，将密封油温度从40 ℃降到37 ℃。油温下调后，通过观察，发现氢纯度下降变缓了，见图10（曲线1是氢气纯度变化曲线；曲线2和曲线3重合在一起，是空侧密封油、氢侧密封油温度）。

图10 氢纯度和密封油温度曲线

调节前，发电机补排氢的频率大约是每33～35小时补排一次。调节后第一次补排后纯度提升得比较高，约99.0%，（正常情况下是提升到98.5%左右）。经历了94个小时，氢气纯度下降到98.0%以下后，才第二次补排。经查，这期间有一次补氢操作，向发电机内部补充了一定量的氢气，对纯度有影响，故这次补排周期不能作为研究对象。随后，两次补排氢的间隔时间是56小时和60小时。经过二月份一个月的观察，把密封油温度控制在37℃，多数情况下是60小时补排一次，个别时候出现了较长时间的时间间隔。在这一个月的观察周期内，5#发电机氢气耗量明显下降。以下是化学专业提供的补排氢数据（见表1）。