发电机两端气压不平衡引起定子进油问题研究

2018-03-14赵国钦郑桂波

山东电力技术 2018年2期

赵国钦，郑桂波

（广东粤电靖海发电有限公司，广东广州 515223）

0 引言

氢冷发电机的轴端密封一般采用油密封，油源取用汽轮机润滑油系统或自身密封油系统。发电机转子两端各有一套风扇形成自密封瓦区域向定子中心的动力压差，推动氢气从两端至发电机定子中心区域流动，使氢气经过发电机定子内部冷却器冷却。发电机转子与定子的动密封主要依靠密封瓦来完成，密封瓦回油系统的工作性能对密封油系统氢气与空气的隔离有很大的影响，尤其是发电机两端氢侧回油共用一个浮子油箱时，更要求发电机两端的氢气压力相同。

某QFSN-600型发电机在运行期间出现发电机汽端、励端氢气压力不相同，汽端氢气压力低于励端氢气压力，导致运行期间发电机定子汽端出现持续进油，污染整个发电机定子线圈和转子槽隙。

1 密封油系统设备

1.1 密封油系统及主要设备

该型发电机的密封油回油系统主要由回油扩大槽、浮子油箱、空气抽出槽等组成。密封油主要来自润滑油系统油源，进入密封油系统后由密封油泵通过油氢压差调节阀维持稳定的油压进入密封瓦内进行密封。发电机汽端和励端回油共用一个回油扩大槽、浮子油箱，回油扩大槽、浮子油箱上半部分氢气压均为发电机内氢气压力，回油扩大槽至浮子油箱段的回油依靠高差自流，见图1。由于密封油系统油氢差压调节阀的自平衡氢压取样压力分别取自回油扩大槽，考虑氢侧压力取样管内的液柱压力，回油扩大槽一般布置标高靠近发电机密封瓦部位。

图1 密封油系统主要设备及流程

1.2 密封瓦回油装置主要组件

密封瓦回油主要组件有发电机端盖、内挡油环、密封瓦组件等。密封瓦壳与发电机端盖、内档油环组成的底部腔体为密封瓦回油腔体，如图2（a）中A区域；回油腔体底部排列6个回油孔，6个回油孔在发电机端盖内汇流成一个回油腔室，回油腔室与外部回油管道连接，如图2（b）所示。回油母管管口与回油扩大槽进油口垂直高度1.5 m，再经过水平管路接入回油扩大槽进油口。回油扩大槽与浮子油箱的垂直高度差为4 m。

图2 氢侧回油轴承箱体结构

1.3 回油扩大槽结构

密封油回油扩大槽两端进油口连接发电机汽端和励端回油母管，在内部被挡板分割成两部分相对独立腔室A、B，回油扩大槽共用一个回油母管，依靠底部回油U型管联络，汇合后依靠液位差自流进入浮子油箱，如图3所示。工作时由于A、B腔室内压力基本相同，两侧出现的液位偏差很小，两个腔室的液位面基本在同一个水平面上，HA≈HB，不会使某侧回油液面淹没腔室进油管口，可以保证回油扩大槽前后各管路的回油顺畅［1-2］。

图3 密封油回油扩大槽结构

假如A、B腔室内气体压力出现较大的偏差时，如 pA＜pB时，会出现 HA＞HB。当 pA、pB的压差足够大，HA的液位接近HO时，A腔室密封油液面会逐渐升高并封闭水平回油管口，其接纳对应密封瓦回油腔体的回油能力快速降低。

2 发电机两端氢气压差的影响

由于回油扩大槽汽端和励端的A、B腔室回油连通底部连接U型管，两端压力不均衡的大小会有所区别，可以分为两种情况。

2.1 励端气压高于汽端气压

该部分主要分为3个状况：

1）回油扩大槽液位高度 HA＜HO。

当回油扩大槽A、B两个腔室内液面以上的气体压力pA＜pB，A腔室内的液位在压差的作用下升高。A腔室内的液位面高度HA＜HO时，A腔室内的气体与发电机汽端风扇入口处气体通过A腔室的进油管连通，两处气体压力相同。密封瓦回油腔体的回油此时依靠高差自流，回油流通管路依然畅通。

2）回油扩大槽液位高度HA≥HO

当压差继续增加，回油扩大槽内A腔室内液位达到HO时，A腔室内液面会封闭整个回油管道，水平管道内满盈液体，扩大槽内液位面以上形成封闭气体腔室，隔绝与发电机膛内气体的连通，如图4所示。

图4 A腔室液位面高度HA上升至HO后示意

此时A腔室内液面以上的气体成为封闭气体，随着垂直管道内H3液位面的上升，其压力也会相应升高，但在HO高度的液位稳定后，整个回油扩大槽的A、B回油腔室达到一个平衡状态：汽端回油稳定液位面高度大于励端回油稳定液位面高度；汽端回油腔体积为垂直管道的容积，励端回油腔体积维持原有状态。

对于汽端，回油腔体积骤然大幅度减小，垂直回油管液位面与密封瓦座回油孔之间垂直高度较小（为1.5 m）。密封油在转轴高速旋转作用下，其回油夹带数量比较稳定的雾化油滴，雾化油滴需要足够的空间才能比较充分的凝聚成油流向下流动而不至于弥散出去。由于回油液位面的升高，雾化油滴在减小的空间内不能充分聚集成更大的油滴向下流动，未凝聚的部分雾滴会向密封瓦内挡油环浓度较低部位移动，并通过挡油环在发电机端部风扇的“空吸”作用下，通过发电机膛内风扇入口进入风扇流道内［3］；并凝聚在发电机定子内部和转子通风孔，凝聚的油滴会形成比较大的油流，向下流动进入发电机定子底部的腔室和出线封母部位蓄积［4-5］。发电机进油表现为持续小流量或微量从定子底部排油。

3）汽端回油液位达到密封瓦座内挡油环部位。

当两端压差继续增加，汽端回油液位会沿着垂直回油管道上升，直至接近或达到图2所示的内油挡密封齿部位时，密封瓦回油会持续性大量通过内挡油环进入发电机定子内。部分密封油会通过端部风扇的“空吸”作用被带入并流经整个发电机定子内各部件，污染整个发电机膛内氢气经过的各部位，该状态下发电机定子进油量远高于回油扩大槽内液位达到HA=HO的状态。

2.2 汽端气压高于励端气压

当回油扩大槽A、B两个腔室内液面以上的气体压力pA＞pB，A腔室与B腔室之间存在U型管液柱差，压差不超过液柱高度H1时，不会对B腔室产生影响，B腔室依然能顺畅自流至浮子油箱。在压差超过液柱高度H1时，A腔室的压力才会在两个腔室的管接口部位对B腔室产生影响，造成B腔室内液位在压差的作用下升高。同样B腔室内的液位面高度HB＜HO时，B腔室内的气体与发电机汽端风扇入口处气体通过B腔室的进油管连通，两处气体压力相同，密封瓦回油腔体的回油此时依靠高差自流，回油流通管路依然畅通。

当压差继续增加，回油扩大槽内B腔室内液位达到HO时，A腔室内液面会封闭整个回油管道，水平管道内满盈液体，扩大槽内液位面以上形成封闭气体腔室，隔绝与发电机膛内气体的连通，开始发生与2.1节同样的结果，造成发电机内持续的油雾进入、凝聚、蓄积、污染等问题。

3 氢气压差影响回油的解决方案

发电机定子进油主要原因是汽端和励端出现气压不均衡，因此可以通过消除气压不均衡和提高系统对气压不均衡的抗干扰能力来解决。

3.1 消除汽端和励端气压不均衡

发电机转子在定子内部轴向沿发电机磁力中心线向两侧对称布置。氢气流动的动力源是位于发电机两侧的风扇，理论上该两组风扇扇叶是相同的，其目的是保证风扇随转子旋转时产生的风压、流量也相同。

两组风扇扇叶型式、转速及流道完全相同时，经过扇叶本体产生的风量Q、功率Pe相同。风扇产生的风压ΔP与风量Q、风扇效率η、风扇功率Pe之间的关系为：两组风扇等速运行状态下，当两端风扇的径向间隙不一致时，径向间隙较小一端的风扇效率高于径向间隙较大一端的风扇效率，进而导致径向间隙较小一端的风压高于径向间隙较大一端的风压［6］。

实际使用时，在风扇自身技术数据相同的情况下，保证发电机两端风压在安装时主要保证其动叶与风挡径向间隙的一致，可确保两组风扇运转时产生风压的均衡。

3.2 提高系统对气压不均衡的抗干扰能力

A、B腔室回油管均设置U型回油管并增加H1的高度。双U型管设置是在两端任何一端出现气压不均衡时，均需要克服本腔室对应的U型管液柱高度才能对另一个腔体产生影响而降低其回油能力。增加U型管液柱高度H1，主要是发电机汽端和励端压差更高时才能克服H1液柱高度对低压侧腔室发生作用，减弱压差不均衡对低压侧回油能力的影响。

设置双浮子油箱，汽端和励端两侧单独回油。在回油扩大槽后设置双浮子油箱，分别连接回油扩大槽的A、B腔室，取消A、B腔室的联络管，浮子油箱与回油扩大槽的气压平衡管分别连接A、B腔室。汽端和励端形成完全独立的回油系统，可以完全消除两端气压不均衡导致的一侧腔室液位面升高问题。由于空气抽出槽在回油系统中属于低压回油箱，其箱体内属于微负压区，浮子油箱与空气抽出槽之间是完全依靠压差回油，不会对回油系统造成任何影响。