氢冷发电机组H2纯度下降过快的原因分析及处理

何旭东

摘要：外部空气或湿气的混入会引起氢冷发电机H2纯度下降，对于采用双流环密封的发电机，空、氢侧密封油之间串流是外部气体进入发电机的常见原因。空、氢侧密封油压偏差，平衡阀工作好坏，轴瓦间隙、温度等都会影响串流量的大小。现针对某厂#4机实际运行情况，分析了氢冷发电机组H2纯度下降过快的原因，经分析确定是发电机密封瓦间隙偏大导致H2纯度下降，并有针对性地进行了调整优化，为解决其他类似问题提供了借鉴。

关键词：H2纯度;串流量;密封瓦;空氢侧密封油

0 引言

大型发电机普遍采用水-氢-氢冷却方式，即定子绕组（包括定子引线、定子过渡引线和出线）采用水内冷方式，转子绕组采用氢内冷方式，定子铁芯及端部构件采用氢表面冷却方式。H2由于其密度小、比热容大等物理特性，成为高速运转发电机转子的最佳冷却介质，但它同时也是相当活泼的气体，在发电机内当H2纯度降至5%～76%，含氧量超过2%时，易发生爆炸或着火事故，影响企业生产安全。因此，一般规定发电机内H2纯度正常大于96.7%，最低不得低于96.0%。

1 发电机组H2系统运行现状

某厂4×320 MW亚临界控制循环燃煤机组发电机于1996年投产，为某地区的调峰电源。该发电机采用水-氢-氢冷却方式，发电机的氢压额定值为0.31 MPa。其中#4机自2020年6月30日结束长周期调停启动以来，其氢压和H2纯度均下降较快，平均每天都要进行补氢提纯操作，H2耗量增大。表1为#4机氢站长周期调停前后一周内（2020年5月1日—8日和2020年7月1日—8日）H2消耗对比情况，从表1可以看出，#4机结束调停启动后氢站氢瓶消耗量同比上升明显。

同时，运行人员记录了2020-08-25T08：00—2020-08-26T08：00的氢压和H2纯度数据，发现氢压由0.307 MPa下降至0.305 MPa，压降0.002 MPa，H2纯度由96.20%下降至95.94%，下降近0.3%。氢压下降虽会导致H2纯度下降，但氢压从0.308 MPa泄放至0.293 MPa，压降0.015 MPa，H2纯度却只下降了0.1%，根据提纯操作经验可判断，#4机发电机H2纯度下降的主要原因并非氢压下降，而是外部气体混入导致的。

2 H2纯度下降的原因分析

一般来说，发电机H2纯度下降的直接原因就是外部空气和湿气进入发电机。由于#4机发电机采用空、氢侧双流环密封油系统密封，相比单流环来说，密封性已极大提高，但實际密封瓦处空氢侧油之间多少会存在一定的串流量，这使得外部空气和湿气有机会混入发电机H2中，使其纯度下降。从亨利定律可知，在一定温度的密闭容器内，单位体积液体中溶解的气体量与液体表面上该气体的分压力成正比[1]。当空侧密封油向氢侧密封油串流时，由于空侧密封油与空气直接接触，带有空气和湿气的空侧油会进入氢侧回油的消泡箱中，而发电机中空气分压力很低，油中的空气便进入发电机中，使H2纯度下降。当氢侧密封油向空侧密封油串流时，氢侧油箱油位下降，油箱补油浮球阀自动开启补油，空侧油箱中溶有空气和湿气的油进入氢侧油箱，而氢侧油箱上部充满H2且与发电机消泡箱相连，这也会导致空气进入发电机。根据实际运行经验，空氢侧油串流存在以下几个影响因素。

2.1    空、氢侧油泵出口压力相差过大

空、氢侧密封油主要通过氢侧密封油泵出口再循环阀粗调，再由进入密封瓦前的两个汽端、励端空氢侧密封油差压计微调平衡后进入密封瓦。若空、氢侧油泵出口压力偏差过大，超过空氢侧油平衡阀的调节范围，即达到其动作的上下限，空、氢侧油压偏差便无法平衡。如当氢侧密封油泵出口压力过小时，会使得密封瓦空侧油向氢侧油串流，此时需要调节氢侧油泵出口再循环阀，提高其出口压力。

2.2    平衡阀故障

密封油系统共有机端和励端两个平衡阀，每个平衡阀均有一个平衡活塞，上部引入空侧密封油，下部引入被调节并输出的空侧密封油。当空侧油压高于氢侧油压时，平衡活塞带动阀芯向下移动，加大阀门开度，使氢侧油压增大。反之，平衡活塞带动阀芯向上移动，减小阀门开度，使氢侧油压降低。机端和励端的两个空、氢侧差压阀出现故障，阀门卡涩、信号管堵塞以及信号管阀门未全开，均会导致调节失灵，造成空、氢侧密封油压无法自动调平。

2.3    发电机密封瓦与轴安装间隙大

密封瓦与发电机转子间间隙对串流量的计算公式如下：

由上式可以看出，空、氢侧密封油之间的串油量与密封瓦中间环与发电机转子间的间隙成立方关系：间隙越小，H2越容易密封，空、氢侧密封油间的串流量也越小，但会引起发电机两端轴承的振动增大;间隙过大，串流量则会增大。

2.4    密封油油温偏高

密封油油温上升会使其黏度、流动特性发生变化，油膜厚度也会变小，导致轴与密封瓦间隙变大，进而使串流量增大。

油温变化对间隙的影响关系式如下：

2.5    氢侧密封瓦进油管道或接头漏油

由于空、氢侧密封油差压平衡阀信号管取自汽机房0 m进油管道，当氢侧密封瓦进油管道或接头泄漏时，虽差压阀后空氢侧密封油压已平衡，但泄漏会导致实际进入氢侧密封瓦的油压要低于进入空侧密封瓦的油压，进而引起密封瓦处空侧油向氢侧油串流。

2.6    空侧密封油排烟风机故障

首先，排烟风机出力不足会导致空侧密封油箱中无法建立负压，密封油回油不畅，轴瓦产生的热量不能被及时带走，使局部油温上升，串油量增大，同时也会使轴瓦温度上升。其次，若空侧密封油排烟风机出现故障，则油箱的空气和湿气不能被及时排出，既而溶入空侧密封油中，增加其进入发电机的可能性。