核电厂氢冷双流环发电机氢气纯度降低的分析与处理

中广核核电运营有限公司 吕庆举 周党锋

1 发电机密封油系统设备介绍

某核电厂1号汽轮发电机是Alsthom生产1000MW级全速发电机，采用水-氢-氢冷却方式，即定子绕组为直接水内冷，定、转子铁芯及转子绕组为氢气冷却。为使机组安全、可靠、经济、稳定运行，保证其内部的氢气纯度十分必要。氢气纯度不合格，将会造成发电机内构件局部散热效果变差，导致发电机过热；氢气纯度降低，有害杂质气体的存在还有可能造成绝缘性能下降和金属部件腐蚀，影响发电机的安全。发电机密封装置采用双流式、环式结构（图1），密封油系统由空侧和氢侧2个独立又互有联系的油路组成，分别将油供给密封瓦上的2个环型配油槽，沿转轴轴向穿过密封瓦与转子间的间隙后，以相反的方向分别向氢侧和空侧排出，使空、氢侧完全分开，防止空侧密封油中含有的空气析出进入发电机内部，影响氢气的纯度。

在发电机正常运行条件下，空侧密封油压力依靠隔膜式差压调节阀进行控制，使发电机内部氢气压力高于密封油压力0.14MPa，在该压差值设定后进入动态平衡状态。空侧密封油将沿轴和密封瓦之间的间隙流往轴承侧，并同轴承润滑油回油一起靠重力进入空侧密封油箱。该油箱设有气体密封装置，能防止气体随排油进入汽轮机润滑油、顶轴油和盘车系统（GGR）主油箱。

氢侧密封油分为2路分别通过发电机汽、励端平衡阀到发电机汽、励端密封瓦的氢侧油环中，通过平衡阀跟踪汽、励端密封瓦内空侧油环内压力，调整密封瓦内氢侧油环内压力与空侧油环压力差±20mbar之间。如果空、氢侧供油压力在密封瓦处恰好相等，油就不会在密封瓦两个配油槽之间的间隙中窜流，便可防止氢气从发电机内逸出。储油箱储存来自密封装置氢气侧的回油，同时也向油位控制油箱供油，油位控制油箱通过2个浮球阀控制油位，油位高时向汽轮机润滑油箱排油，油位低时浮球阀把空气侧冷油器分接点来的油注入油位控制油箱。

2 影响氢气纯度下降的可能原因

某核电厂1号机组第11次大修后，机组启机阶段的第1周氢气纯度下降较快，无法稳定在≥98%（正常运行值≥98%、报警值＜95%）。每天下降0.3%，超过运行经验值0.1%；氢气置换频率为3次/d；运行至第2至第3周期间，氢气纯度下降趋势变缓、氢气置换频率下降为2次/d，氢气纯度相对能稳定在98%附近。从发电机系统结构、工作原理、工作介质等方面分析，影响发电机氢气纯度变化的主要因素有3点：密封油中含有水和空气、密封油空气侧窜油以及密封油控制油箱补、排油阀调节不当。

2.1 密封油中含水和空气

在机组正常运行情况下，由于汽轮机轴封结构上的原因，润滑油中都含有一定量的水份和溶解气体，含水油进入汽轮机润滑主油箱，主油箱又参与空侧密封油系统的循环；氢侧密封油会直接与氢气接触，其中溶解有一定量的氢气，因而氢侧油路并不是单一的液体流。在发电机实际运行过程中，发电机转子的高速旋转产生的机械甩油使油温升高产生的热作用使一部分油和溶解在油中的水发生雾化，形成油烟和水汽。油烟、水汽在回油腔室扩容并释放出来，在发电机冷却风扇的负压作用下进入发电机壳体内，导致氢气污染纯度下降。通过对氢气干燥器运行状态检查，及机组运行时的氢气露点温度都控制在0～3℃，满足设备运行要求，故影响氢气纯度的不是油烟和水汽。

2.2 密封瓦空氢侧窜油

机组运行中，空、氢侧密封油互窜是发电内氢气纯度下降的主要因素。密封油系统中压差阀、平衡阀的调节响应，油箱液位的自动调节状态及密封瓦的状态等都会直接影响发电机内的氢气纯度，无论哪个设备环节出了问题，都可归结为空、氢侧密封油窜油导致溶解在空侧密封油中的空气进入发电机内部而引起氢气纯度下降。

发电机转子与密封环瓦之间的油流可称为轴向油流，流动状态处于层流，其流量的计算公式为：（1），式中Q为轴向流量，m3/h；d为密封环内径，m；δ为密封环与转轴间的间隙，m；ΔP为空气侧密封油在密封环处的压差，Pa；μ为油的动力粘度；L为从空侧密封环油沿轴向流经氢气侧密封环的轴向长度，m；ε为密封环与转轴的相对偏心度，同心时为0，转轴静止或盘车时为1。由式（1）可知决定空、氢侧窜油量大小的因素有d、δ、ΔP、L、ε，因此当发电机出现氢气纯度下降的问题应从这些因素逐一检查。

2.2.1 密封瓦与转轴间的间隙偏大

发电机密封瓦径向间隙（转轴与密封间的间隙）的大小是衡量密封油流量多少的一个重要参数。据式（1）在其他参数不变情况下，若密封瓦径向间隙偏大，为保证发电机内氢气不外漏并建立稳定的油氢压差，需增加密封油的流量来维持密封油的压力，从而使空、氢侧密封油的交换大幅增加，密封油中释放出来的油烟和水汽就越多，过多的油烟和水汽进入发电机内使氢气纯度下降。某核电厂1号机组第11次大修期间，测量密封瓦与转轴的间隙为0.39mm，超出设计标准（标准间隙值为0.35～0.38mm），查询历史为改善发电机密封瓦过热发黑现象，故把密封瓦加工径向间隙放大为0.39mm，该间隙值与2号机组发电机密封瓦的间隙值（0.40mm）接近。虽然密封瓦间隙提供了氢、空侧密封油窜油的途径，对氢气污染有一定贡献，但0.39和0.40mm的间隙不是氢气污染的关键所在。

2.2.2 平衡阀调节不当

平衡阀是控制空侧和氢侧密封油在密封瓦处压力平衡的设备，若调节不灵敏或压力值设置存在偏差会使压差ΔP的增加，由（1）式可知空、氢侧密封油窜量会增大。当空侧密封油压力高于氢侧密封油压力时，密封由从空侧在密封瓦处向氢侧窜油，含有水份和空气的空侧密封油进入氢侧；当氢侧密封油压力高于空侧密封油压力时，密封油从氢侧在密封瓦处向空侧窜油，使氢侧密封油箱液位下降，氢侧密封油箱补油阀打开补油，主油箱（GGR油箱）进入氢侧密封油箱。由此可见，空、氢侧密封油压力存在偏差，无论是氢侧压力高大还是空侧压力高均导致空、氢侧密封油发生互窜，使含有空气和水份的空侧密封油窜入氢侧密封油并流经密封瓦，引起氢气纯度下降。

系统设计要求空侧油压跟随发电机内氢气压力来进行调节，保持油氢压差在1.4bar，氢侧油压跟随空侧油压来调节，使氢空侧油压差值控制在±20mbar（表压）。通过对1号机组发电机密封油运行参数进行监测，如表1所示，密封瓦氢、空侧密封油压差均在标准范围内属正常运行状态，其中后端空气、氢气压差值波动相对其他偏大，但波动数值是在±20mbar（表压）内，表明氢、空侧差压波动导致密封油之间存在轻微窜油现象对氢气纯度下降有一定贡献，但也不是关键因素。

表1 某核电厂1号和2号机组空气、氢气侧密封油压差（mbar）

2.2.3 密封油供油温度

依据流体动力学的理论可知，温度是影响流体粘度μ的主要因素，在温度升高的过程中液体分子内聚力减小，μ随温度的升高而降低。因此发电机密封油的温度越高油的动力粘度μ越小，油分子的内聚力减小，之间的距离拉大，空、氢侧密封油的窜油量会增大，使油液的含气量增大，引起氢气纯度下降。发电机密封油系统氢、空侧密封油设计供油温度为45℃，1号机组现场实际运行温度在该值附近，而且1、2号机组的供油温度都处于44.6～45.2℃之间。虽然供油温度越高使油中含气量的本底值提高，但供油温度的高低不是氢气纯度下降的关键因素。

2.3 密封油控制油箱补、排油阀调节不当

密封油控制油箱补排油是靠浮球阀自动补、排油。油位高时向汽轮机润滑油箱排油；油位低时浮球阀把空气侧冷油器分接点来的油注入油位控制油箱（图2）。若浮球位置调整不当则会造成补、排油阀同时打开处于同时补、排油的平衡状态，即在控制油箱中空、氢侧油一直在交换，形成补、排油式的窜油，引起氢气纯度下降。

现场使用红外测温仪测量管线温度，发现排油手动隔离阀上下游管线温度约60℃，均高于其所处环境温度，接近GHE002BA表面温度；而补油手动隔离阀管线温度约45℃却低于环境温度且接近于发电机密封油系统空气侧密封油温度（由于补油浮球阀上游来自发电机密封油空侧油冷却器出口），如表2所示。可能原因为排油浮球阀未关严，使氢侧密封油通过排油管排入GGR002BA油箱，使密封油油箱油位下降；当液位下降至补油浮球阀动作液位时开启，向氢侧密封油箱补充更多的含水份和空气的空侧密封油来维持氢侧密封油箱油位处于正常值，使较多空气和水份的空侧密封油进入到氢侧密封油。

表2 1、2号机组密封油油箱及管道温度对比（℃）

2.4 分析总结

通过上述原因分析可以得出，导致发电机氢气纯度下降的最可能的原因为排油浮球阀未关严，使氢侧密封油通过排油管排入GGR002BA油箱，使密封油油箱油位下降；当液位下降至补油浮球阀动作液位时开启，向氢侧密封油箱补充更多的含水份和空气的空侧密封油来维持氢侧密封油箱油位处于正常值，使较多空气的空侧密封油进入到氢侧密封油。

3 原因分析与处理

3.1 窜油试验验证与原因的查找

关闭图2中的补、排油手动隔离阀，观察GHE 002BA油箱油位持续下降，速率约为0.028m3/h。这说明在没有补、排油的情况下，油箱油位持续下降表明发电机密封瓦氢侧向空气少量窜油。目前窜油速率为0.028m3/h属于正常水平，不存在发电机密封瓦窜油量过大的情况。打开排油隔离阀，保持补油隔离阀关闭，观察油箱液位快速下降至0.345m3后开始缓慢下降。前期快速下降是排油浮球阀处在排油状态，当油位下降至0.345m³时达到浮球阀的关闭动作值后只有密封瓦的窜油，所以GHE002BA油位开始缓慢下降，速率为之前的0.028m3/h。试验验证结果表明排油浮球阀无内漏。

开启补油手动隔离阀，关闭排油手动隔离阀，然后观察GHE002BA油箱油位缓慢上升至0.368m³后保持稳定，由此确定补油浮球阀的补油动作关闭值为0.368m3且无内漏。同时，自从试验开始关闭补油手动隔离阀后，经约36h持续验证，氢气纯度能持续维持且在试验过程中执行氢气提纯2次，说明氢气纯度能提高且不再下降。对比分析在补油手动隔离阀未关闭前，氢气每一次提纯之后约4h就会出现纯度下降的现象，约6h就需再次进行氢气置换提纯操作。因此关闭补油手动隔离阀后的试验结果验证了补油浮球阀处于开启补油状态。查询该机组在第11次大修时浮球阀的标定值与本次试验值进行对比（表3），发现排油浮球阀的关闭动作值存在下漂（关闭的动作液位值偏低）；补油浮球阀的补油动作值存在上漂（动作液位值偏高）；另外，机组运行期间的GHE002BA油位为0.368m3，该油位恰好处于补油浮球阀开启补油和排油浮球阀的排油区间内。

表3 浮球阀动作液位值比较（m3）

通过上述试验验证与分析，补、排油浮球阀均处于开启动作的重叠临界区间，导致氢侧密封油通过排油管道排至GGR002BA分离油箱，含有空气的GGR油连续不断的补充到GHE系统中，向氢侧密封油箱补充更多的含水份和空气的空侧密封油来维持氢侧密封油箱油位处于正常值，使发电机内氢气纯度下降。

3.2 处理措施

在该机组第12次大修时，停机后在发电机5bar状态下对补、排油浮球阀进行了试验验证，结果为排油浮球阀的关闭动作值0.346m3，补油浮球阀的补油动作值为0.37m3，与机组日常运行期间试验结果一致，进一步说明补、排油浮球阀高度位置发生变化，使补排油浮球阀均处于开启动作的重叠临界区间。大修中对浮球阀安装高度进行了测量，发现补、排油浮球阀安装高度接近。结合日常和机组停运后的补、排油浮球阀动作油位定值验证结果，对补、排油浮球安装高度分别进行调整，安装高度分别为110mm和135mm。执行动作试验，排油浮球阀的关闭动作值0.365m3，补油浮球阀的补油动作值为0.28m3，从这2个动作液位值来看，补、排油浮球阀均开启的重叠问题解决。通过处理后，1号机组在日常运行期间密封油箱液位稳定，发电机氢气纯度稳定。