S109FA机组发电机氢气泄漏分析与处理

薛志敏，罗以勇，吴文青，严国利

(中山嘉明电力有限公司，广东 中山 528403)

氢气具有密度小、发电机风阻小、热导率和对流传热系数大、可保持机内清洁和故障率低等优点，在现代大容量发电机组中已广泛用作发电机的冷却介质。氢气虽是良好的传热介质，但其易爆性对密封系统提出了严格要求，须保证电机运行性能良好以避免发生爆炸事故[1]。文献[2]深入研究了发电机漏氢监测系统，并对闭式循环冷却水系统漏氢监测进行了优化，创新设计了漏氢监测装置，能有效监测氢冷发电机氢气泄漏，并能够及时在分散控制系统(DCS) 报警。文献[3]阐述了发电机几起不同位置漏氢故障的分析判断、处理过程和方法，并提出了相应预防措施和建议。文献[4]介绍了针对哈尔滨电机厂生产的600 MW等级的汽轮发电机发生氢气泄漏情况的一般查找方法，对引起发电机出现氢气泄漏部位的原因进行了深入的探讨，并通过对日常发电机漏氢实例的查找及处理，提出了处理方法及技术改进措施。然而，在发电机氢气泄漏查找分析中，少有文献提出将发电机氢气泄漏故障排查诊断智慧化。

本文介绍了发电机密封油系统、发电机氢气泄漏的危害、发电机氢气泄漏的两种主要途径、常见的发电机氢气泄漏部位及处理措施，针对机组盘车状态下发电机氢气压力下降过快的情况，分别从外漏和内漏进行排查分析判断，确认为发电机氢气内漏，并进一步确认了密封油油氢差压低是造成发电机氢气泄漏量大的主要原因。

1 发电机密封油系统

采用氢气作为发电机冷却介质的机组，为了防止氢气沿着发电机转轴的间隙漏出，须设置发电机密封油系统，将恒定流动的密封油注入发电机转轴的间隙中，从而将氢气密封在发电机内。如图1所示，发电机密封油系统主要包括密封油控制单元、氢侧回油箱、浮子油箱系统、轴承回油箱及隔氢箱。发电机密封油来自机组润滑油母管压力调节阀前，经过密封油控制单元，根据发电机内氢气压力调整适当油压后分别进入发电机汽轮机侧和集电环侧的密封瓦，再流入密封环之间，并沿轴向两个方向流出。中间油沿轴向间隙流向氢气侧和空气侧，建立起密封瓦与轴颈之间的油膜，起到密封、润滑和冷却的作用，然后分成两路密封油回油，一路流向密封瓦的氢气侧，另一路流向密封瓦的空气侧。流向发电机两轴端密封瓦氢气侧的密封油回油进入氢侧回油箱，在油箱内膨胀，分离出氢气排到厂房外，油则继续流到密封油浮子油箱，进一步分离出氢气排到厂房外，然后再回到润滑油箱；流向发电机两轴端密封瓦空气侧的密封油回油，与发电机两轴端轴承润滑油回油混合后流入轴承回油箱，进一步分离出氢气排到厂房外，然后再回到润滑油箱。为了将氢气密封在发电机内，须保证发电机两轴端密封瓦的密封油压力必须适当高于发电机内的氢气压力，因此须设置密封油控制单元调节密封油供油压力，并且保证提供一定量的密封油，送到发电机两轴端密封瓦去密封氢气。

图1 S109FA机组发电机密封油系统图

2 发电机氢气泄漏的主要危害

发电机氢气泄漏的主要危害：1)氢气泄漏量过大，不能保证发电机氢气压力，氢气压力下降会影响发电机冷却效果，造成发电机温度上升，从而影响发电机的出力；2)氢气泄漏量大会过多消耗氢气，造成制氢频繁，增高发电机运行成本，增加发电机补氢频次，还会造成运行人员工作量增加；3)氢气有易爆性，氢气泄漏会存在安全隐患。

3 发电机氢气泄漏的主要途径及处理措施

3.1 氢气外漏

发电机系统氢气外漏主要是指发电机本体、氢气干燥器、氢气纯度控制柜及铁芯监测装置等设备存在漏点，造成氢气向大气泄漏。常见的发电机氢气外漏部位及处理措施如下。

发电机人孔门：可以通过氢气检测仪检测发电机人孔门周围的氢气浓度，来判断确定发电机人孔门的氢气泄漏情况。一般情况下可通过氢气浓度检测、人孔门密封垫检查、均匀螺栓等方式来排除氢气泄漏，必要时可在结合面上涂密封胶进行处理。

发电机本体结合面：此类泄漏可以通过对结合面的二次注胶孔进行补胶来避免对注胶孔改造，再在注胶孔增加丝堵后，发电机才能正常运行。

与发电机氢气系统相连的氢气干燥器、氢气纯度控制柜、铁芯监测装置等附属系统中的管路、阀门、法兰、仪表及设备元件等：此类漏氢主要通过更换密封垫，研磨修理、更换阀门及更换设备元件来处理。

发电机两轴端轴承中分面：此类氢气泄漏可通过在两轴端轴承中分面加注密封胶，并进行氢气浓度检测解决。

密封瓦：发电机端盖与密封瓦座结合面出现氢气泄漏，可通过在发电机集电环侧、汽轮机侧检测氢气浓度来判断，运用向发电机端盖与密封瓦结合面漏氢处加注密封胶后进行氢气浓度检测的方式来处理；若密封瓦间隙调整不当，可在机组停运后调整密封瓦间隙至正常值，做发电机严密性试验检查氢气是否泄漏。

3.2 氢气内漏

氢气内漏是指发电机氢气泄漏至发电机出口封闭母线、密封油、冷却水或发电机氢气系统与大气相连的设备，然后经过排放管排放至大气的现象。常见的发电机氢气内漏部位及处理措施如下。

发电机出线套管：发电机机座下方布置有6个出线套管，其中3个出线端，3个中性点，定子电流在发电机集电环侧经定子引线、出线套管、离相封闭母线到变压器，定子出线套管为氢内冷瓷套管。可通过发电机出口封闭母线氢气在线监测系统判断氢气泄漏情况，这需要发电机厂家对套管系统进行检查更换处理。

氢气冷却器：正常运行时发电机氢气压力略高于氢气冷却器冷却水压力，若氢气冷却器出现漏点，则会造成发电机氢气经氢气冷却器漏点进入冷却水系统。若氢气冷却器冷却水侧排空侧检测到氢气浓度升高，应确定氢气冷却器有漏。S109FA机组发电机共有4组氢气冷却器，若发生氢气冷却器泄漏，可以单组隔离氢气冷却器。单组隔离对发电机出力影响不大，但会造成氢冷器氢气出口温度偏差很大。目前各电厂处理氢气冷却器泄漏，一般采用堵头封堵有泄漏的冷却器管，会造成可利用冷却器管减少，冷却器冷却效果下降；而对于运行年数长的发电机，在机组停运检修时，应彻底更换新的冷却器。

密封瓦空侧：密封油系统油氢差压低或密封瓦出现故障时，密封瓦氢侧向空侧窜油，进入空侧的密封油回油流到轴承回油箱，回到润滑油箱，氢气随主油箱排油烟风机排入大气。可通过调整密封油油氢差压至正常值来处理，若是油氢差压阀故障，则通过检修或更换油氢差压阀恢复油氢差压正常；也可检修密封瓦、更换密封瓦以处理密封瓦故障。

浮子油箱：浮子油箱氢气内漏发生在浮子油箱浮球卡涩，或密封瓦氢侧回油过少造成浮子油箱油位过低时，氢气通过浮子油箱至辅助隔氢箱排放管排向大气，或与回油混合回到润滑油箱随主油箱排油烟风机排入大气。可通过检修浮子油箱浮球卡涩或调整密封油回油量，以处理浮子油箱氢气内漏。

氢气控制柜、铁芯监测系统、氢气干燥器及氢气管路等系统排放阀：此类氢气泄漏是因排放阀误开或通过内漏致使氢气经相应的排放管排向大气。可通过检查排放阀状态以排除阀门误开造成氢气泄漏，阀门内漏可通过相应系统隔离置换进行阀门研磨或更换处理。

4 发电机氢气泄漏分析与处理

某S09FA机组在正常运行中氢气泄漏量约8 m3/d，然而机组因调度负荷要求，执行晚上调峰停机、早上启机，发现机组停机投入盘车后至早上启动前，发电机氢气压力下降过快，早上启动前需进行补氢操作，而机组启动完成后发电机氢气泄漏恢复正常。以理想气体状态方程计算的每天氢气泄漏量如下：

V=0.022 414 1×[(p1+pb1)×Vg/(R×T1)-
(p2+pb2)×Vg/(R×T2)]×24/Z

(1)

式中：V为每天发电机氢气泄漏量，m3/d；p1为试验开始时发电机内的氢气压力，Pa；pb1为试验开始时的大气压力，Pa；T1为试验开始时发电机内氢气的中间温度，K；p2为试验结束时发电机内的氢气压力，Pa；pb2为试验结束时的大气压力，Pa；T2为试验结束时发电机内氢气的中间温度，K；Z为试验持续时间，h；Vg为发电机容积，根据发电机数据资料取85 m3；0.022 414 1为理想气体的摩尔体积，m3/mol；R为摩尔气体常数，取8.314 51，J/(mol·K)。

收集机组正常运行或盘车状态下发电机内氢气的变化参数，由式(1)可计算各状态下发电机氢气泄漏量，见表1。从表1可以看出：机组盘车状态下正常时，发电机氢气泄漏量约1.35 m3/d；机组正常运行时，发电机氢气泄漏量约6.71 m3/d；机组盘车状态下氢气泄漏量大时，发电机氢气泄漏量约高达51.59 m3/d，远高于表2所示的发电机氢气泄漏标准中不合格最大泄漏量15.75 m3/d，这说明机组盘车状态下发电机氢气泄漏量严重，存在严重的安全隐患，须进行分析处理。

表1 各状态下发电机氢气泄漏量

表2 发电机氢气泄漏标准[最大氢气泄漏量V/(m3/d)]

4.1 发电机氢气泄漏漏点分析

机组盘车状态下发电机氢气泄漏量大，须分析寻找泄漏点并进行处理，可依次从常见的发电机氢气外漏和内漏重点部位进行排查。

在发电机集电环侧和氢气控制柜设置氢气探头，机组正常运行和盘车状态下氢气探头数值为0，这说明发电机集电环和氢气控制柜无氢气泄漏。在机组盘车状态下利用氢气检测仪对发电机氢气外漏重点部位进行检修，如：发电机人孔门，发电机本体结合面，发电机氢气系统相连的管路、阀门、法兰、仪表及设备元件，发电机两轴端轴承中分面及发电机两端密封瓦等，未检测到氢气浓度，且机组正常运行时发电机氢气泄漏量正常，这足以排除发电机氢气外漏是造成机组盘车状态下发电机氢气泄漏量大的原因。

机组正常运行和盘车状态下，发电机出口封闭母线氢气在线监测系统未检测到氢气浓度，且机组正常运行时发电机氢气泄漏量正常，这排除了发电机出线套管氢气泄漏。虽然该机组未在闭式水系统安装氢气检测探头，进而无法在线监视判断氢气冷却器是否泄漏，但是如果机组正常运行和盘车时，发电机氢气压力略高于氢气冷却器冷却水压力，且机组运行的氢气温度高于盘车时的氢气温度，所以机组运行时的发电机氢气压力高于盘车时的氢气压力，然而盘车时发电机氢气泄漏大而运行时正常，这就反向排除了氢气冷却器泄漏。现场检查氢气控制柜、铁芯监测系统、氢气干燥器及氢气管路等系统排放阀状态正常，用氢气检测仪在各排放阀排放口检测，未发现氢气泄漏，且机组正常运行时发电机氢气泄漏量正常，这排除了排放阀门误开或阀门内漏造成氢气泄漏。检查机组正常运行和盘车状态下，浮子油箱系统阀门状态正常、浮子油箱油位正常，即可排除浮子油箱浮球卡涩或密封瓦氢侧回油过少造成氢气从浮子油箱排空系统泄漏。分析至此，可将发电机氢气内漏泄漏部位聚焦在密封瓦空侧，收集与发电机密封瓦空侧相关的参数曲线，见图2。由图2可知，盘车状态下的排油烟风机电流大于机组正常运行时的电流，这说明盘车状态下确实存在密封瓦氢侧向空侧窜油，进入空侧的密封油回油流到轴承回油箱，回到润滑油箱，随主油箱排油烟风机排入大气造成发电机氢气泄漏量大。进一步分析密封瓦空侧氢气泄漏的原因，从机组运行时发电机氢气泄漏正常，排除发电机两轴端密封瓦故障，图2中盘车状态下油氢差压低于机组正常运行时，接近临界油氢差压。至此，确定盘车状态下密封油油氢差压低是造成发电机氢气泄漏大的主要原因。

4.2 油氢差压低处理

确定机组盘车状态下密封油油氢差压低是造成发电机氢气泄漏大的主要原因。从图2可知，盘车状态下的油氢差压小于机组正常运行的油氢差压，经分析机组正常运行时的油氢差压值可实现密封瓦空侧正常，检修可利用机组调峰停机期在盘车状态下调整油氢差压至正常运行的0.054 kPa，油氢差压调整前后相关参数比较见表3。从表3可以看出，油氢差压调整后，机组带负荷正常运行的油氢差压由0.054 kPa上升至0.066 kPa，主油箱排油烟风机电流变化量较油氢差压调整前减少0.092 A，这说明油氢差压调整后，盘车状态下发电机氢气泄漏量减小，机组盘车状态下发电机氢气泄漏量见表4。从表4可知，油氢差压调整后机组盘车状态下发电机氢气泄漏量约由51.59 m3/d下降至0.92 m3/d，与之前机组盘车状态下正常时的发电机氢气泄漏量约为1.35 m3/d相比较，油氢差压调整后，发电机氢气泄漏量恢复正常。

图2 发电机密封瓦空侧相关的参数

表3 油氢差压调整前后相关参数比较

表4 油氢差压调整后发电机氢气泄漏量

5 结论

综上所述，发电机氢气泄漏危害大，泄漏途径有发电机氢气外漏和内漏，通过对常见发电机氢气泄漏重点部位进行分析排查，可确认发电机油氢差压低是造成盘车状态下发电机氢气泄漏量大的主要原因，这为检修判断提供参考方向，可保证机组安全运行。随着智慧化电厂建设的不断发展，针对发电机氢气泄漏故障排查诊断提出以下建议。

第一，发电机氢气外漏重点部位安装氢气监测探头，远传至控制系统，并设置相应报警。在发电机两轴端、氢气控制柜及发电机底部易聚集氢气的空间安装氢气监测探头。

第二，发电机氢气内漏重点部位安装氢气监测探头，远传至控制系统，并设置相应报警。在发电机出线箱与封闭母线连接处、铁芯监测系统排放口、氢气系统排空处、冷却水箱内及主油箱排油烟风机屋顶排放口等安装氢气监测探头。结合主油箱排油烟风机屋顶排放口氢气浓度与浮子油箱油位变化，建立密封瓦空侧氢气泄漏报警。

第三，根据建立的氢气泄漏量计算模型测算任意时间段氢气泄漏量，并设置趋势预警。