600MW雙環(huán)式密封油發(fā)電機氫氣純度快速下降原因分析及處理

劉 彬，周顯春，馬婭嵐

（華能重慶珞璜發(fā)電有限責任公司，重慶 402283）

大型熱力發(fā)電廠發(fā)電機普遍采用氫氣作為冷卻介質(zhì)。氫氣作為冷卻介質(zhì)的優(yōu)點是：密度小、傳熱系數(shù)大、絕緣性能好、電離現(xiàn)象微弱，但氫氣存在易燃易爆這一缺點。

火電廠普遍采用密封油系統(tǒng)形成比氫氣壓力更高的油環(huán)將氫氣封閉在發(fā)電機內(nèi)部。密封油系統(tǒng)分為單環(huán)式密封油系統(tǒng)和雙環(huán)式密封油系統(tǒng)。從理論上說，單環(huán)式密封油系統(tǒng)的油環(huán)既與氫氣接觸，又與空氣接觸，空氣和氫氣都要溶解到密封油中，也會從油中析出，容易造成空氣和氫氣混合，影響發(fā)電機內(nèi)部氫氣純度。雙環(huán)式密封油系統(tǒng)采用兩個油環(huán)，分別密封空氣和氫氣，防止空氣和氫氣混合，保證發(fā)電機內(nèi)部氫氣純度穩(wěn)定。但生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)雙環(huán)式密封油效果并不理想?？?、氫側(cè)密封油串油非常容易發(fā)生，并且不容易解決，導致發(fā)電機內(nèi)部氫氣純度下降快。為了保證純度，運行人員需要排放部分較低純度的氫氣（98.0%以下），補充高純度的氫氣（99.9%），來提高氫氣純度，耗氫量巨大。本文采用降低密封油溫度的方法降低了密封油流量，減少空氣析出量，減緩了發(fā)電機內(nèi)部氫氣純度下降的速度，從而有效減少了頻繁補排氫產(chǎn)生的耗氫量。

1 情況簡介

某廠三期兩臺600 MW發(fā)電機密封油系統(tǒng)采用的是雙環(huán)式密封油系統(tǒng)，氫側(cè)密封油和空側(cè)密封油各自有一路密封油回路。這種系統(tǒng)在密封瓦處空、氫側(cè)密封油是有接觸的，通過密封油系統(tǒng)的平衡閥調(diào)節(jié)空、氫側(cè)密封油壓力基本平衡（見圖1）。這樣，密封瓦處空、氫側(cè)密封油從理論上說是沒有油的交換?？諅?cè)密封油雖然溶解有空氣等雜質(zhì)氣體，但是由于兩個回路壓力平衡，沒有油交換，在理想狀態(tài)下，空側(cè)密封油不能接觸到發(fā)電機里面的氫氣，油中的空氣不能對氫氣造成污染。雙環(huán)式密封油系統(tǒng)見圖2。

圖1 雙環(huán)式密封油系統(tǒng)

從設計上看，這樣的系統(tǒng)能夠維持發(fā)電機氫氣的純度長時間不會降低。而在生產(chǎn)實踐中，該廠的三期兩臺600 MW發(fā)電機組氫氣純度下降是很快的，以5#機為例，要求控制發(fā)電機氫氣純度在98.0%～98.5%。一般情況下，每35個小時左右，氫氣純度就會從98.5%降到98.0%以下，這時需要通過補排氫來提高發(fā)電機的氫氣純度。這既增加了運行人員的工作量，也浪費了大量的氫氣。2012年12月，5#機運行了31天，補氫和補排氫一共19次，其中16次是補排氫，絕大多數(shù)氫氣是消耗在氫氣提純上面。發(fā)電機氫氣純度下降快是三期機組氫氣消耗的主要原因。如果能夠控制氫氣純度下降的速度，就能夠有效減少氫氣的耗量。

圖2 密封瓦

2 影響氫氣純度的可能因素及分析

2.1 影響氫氣純度的可能因素

2.1.1 空氣漏入系統(tǒng)

因為發(fā)電機內(nèi)部的氫氣壓力一般約0.40 MPa（g）［1］，遠高于大氣壓力，環(huán)境中的空氣不會直接漏入發(fā)電機內(nèi)。

2.1.2 密封油含水超標

如果密封油含水超標，氫側(cè)密封油中的水氣就有可能進入發(fā)電機影響氫氣純度。檢查5#機氫干燥器運行正常，氫氣露點溫度都控制在-25～0℃［2］，滿足生產(chǎn)要求，故影響氫氣純度的不是水氣。

2.1.3 空、氫側(cè)密封油串油

就地檢查5#機空、氫側(cè)密封油平衡閥指示都不在零位，顯示氫側(cè)壓力偏高。達到10 cm水柱（約1 kPa）超過了平衡閥要求的控制范圍±0.49 kPa。如果平衡閥指示準確的話，氫側(cè)密封油會向空側(cè)密封油串油，氫側(cè)的回油流量就會減少，氫側(cè)回油箱油位就會下降，補油閥就會開啟。就地檢查氫側(cè)回油箱補油管道是熱的，證明空側(cè)的密封油在向氫側(cè)補油。空側(cè)密封油中溶解的空氣也會進入氫側(cè)密封油。而氫側(cè)密封油在密封瓦處與氫氣接觸的時候，空氣就會析出進入氫氣中，從而影響氫氣純度。這似乎證明了氫側(cè)向空側(cè)串油的判斷。

2.1.4 氫側(cè)密封油箱排油閥關不嚴

在就地檢查中還發(fā)現(xiàn)氫側(cè)密封油箱排油管道發(fā)熱，說明排油管道有油流過（氫側(cè)密封油箱結(jié)構(gòu)見圖3）。按照氫側(cè)向空側(cè)串油來分析，氫側(cè)密封油箱的油位應該降低，不應該排油，而是補油。檢查到補油管道發(fā)熱是合理的，排油管道發(fā)熱不合理?？赡艿脑蚴桥庞透∏蜷y3不能關嚴，導致氫側(cè)密封油通過排油管道進入空側(cè)密封油，這樣油箱油位下降，就需要通過開啟補油浮球閥4，向氫側(cè)密封油箱補充更多的空側(cè)密封油來維持氫側(cè)密封油箱油位正常。這又增加了空側(cè)向氫側(cè)補油的量，含有較多空氣的空側(cè)密封油混入了氫側(cè)密封油。

圖3 氫側(cè)密封油箱示意圖

2.2 氫氣純度下降原因分析

到底是空側(cè)向氫側(cè)串油，還是氫側(cè)向空側(cè)串油；是補油浮球閥4內(nèi)漏還是排油浮球閥3內(nèi)漏？筆者做了以下試驗：

2013年3月28日15∶49，觀察氫側(cè)密封油箱油位，用記號筆在油位計上做好標記，如圖4所示。

圖4 試驗開始前氫側(cè)密封油箱油位

關閉氫側(cè)密封油箱補油手動閥1和排油手動閥2，觀察油位變化，如圖5所示。

圖5 停止補油和排油后油位上漲

16∶00觀察密封油箱油位上漲了一格，約3厘米。這說明在沒有補油和排油的情況下，油箱的油位會上漲。這就排除了氫側(cè)向空側(cè)串油的可能，而是空側(cè)向氫側(cè)串油。10分鐘內(nèi)油箱上漲了3厘米。

開啟氫側(cè)密封油箱底部排油手動閥2（保持補油手動閥1關閉），檢查排油浮球閥3能否關嚴。

16∶35 油箱油位下降到標記位置下3格半，還有持續(xù)下降的趨勢，見圖6。這說明油箱排油浮球閥3有內(nèi)漏。而且內(nèi)漏量較大，超過了空側(cè)向氫側(cè)串油量，造成了油箱油位下降。

圖6 油位下降3格半

開啟油箱補油手動閥1。

16∶39油位回到標記位置，見圖7。

圖7 油位恢復原位

檢查油箱排油手動閥2和補油手動閥1。

檢查發(fā)現(xiàn)排油閥2和補油閥1都發(fā)熱，見圖8。這時檢測排油管道溫度42 ℃，說明有密封油流過。結(jié)合上面的試驗，可以判定，氫側(cè)密封油箱排油浮球閥關不嚴，內(nèi)漏。排油球閥3內(nèi)漏造成油箱補油浮球閥4開啟向油箱補油。

通過以上分析，初步認定影響5#機氫氣純度的主要因素如下所示。

（1）空側(cè)向氫側(cè)串油，空側(cè)密封油含有較多的空氣，串油后，空側(cè)密封油中的空氣混入氫側(cè)密封油。當氫側(cè)密封油接觸到氫氣的時候，比如在密封瓦處和消泡箱處，油中的空氣析出進入發(fā)電機氫氣中，造成氫氣純度下降。

圖8 檢查排油管道溫度

（2）氫側(cè)密封油箱排油閥內(nèi)漏，造成油箱油位下降，油箱補油浮球閥自動打開補油。這樣，空側(cè)密封油進入氫側(cè)密封油回路，然后油中空氣析出至氫氣中。

上面兩個原因造成了空、氫側(cè)串油，影響了氫氣純度。但是要處理好這兩個串油因素，不容易。原因如下所示。

（1）空、氫側(cè)密封油平衡表只能反映空、氫側(cè)密封油管道油壓取樣處的壓力平衡，密封瓦處空、氫側(cè)油壓不能被準確反映。比如此次檢查中，平衡表處顯示的是氫側(cè)密封油壓力高，但實際上是空側(cè)壓力密封油偏高，在向氫側(cè)串油。

（2）密封瓦呈環(huán)狀，可能某一點或者弧段的油壓處于平衡，而其他地方的油壓并不一定平衡。平衡表不能準確反映密封瓦處空、氫側(cè)油壓的平衡狀況。

（3）氫側(cè)密封油箱排油浮球閥內(nèi)漏，機組運行無法檢修。

（4）浮球閥是活動的，很難保證每次動作后都能嚴密關閉。

3 采取措施及效果

3.1 采取措施

3.1.1 調(diào)節(jié)空、氫側(cè)密封油平衡閥，使平衡表顯示壓力平衡

筆者隨后對密封油空、氫側(cè)平衡閥（見圖9），依照平衡表顯示的差壓指示做調(diào)整，讓平衡表指示到零，控制空、氫側(cè)密封油壓力平衡，差壓為零。經(jīng)觀察，效果不明顯。主要原因如下所示：

（1）空、氫側(cè)密封油壓平衡表并不能準確反映密封瓦處的實際平衡情況，只能反映壓力測點位置的油壓。而測點位置在密封瓦附近的密封油進口管道上，所以平衡閥調(diào)節(jié)的是密封油管道上的壓力平衡，不是密封瓦內(nèi)的密封油壓力平衡。

（2）5#機空、氫側(cè)密封油串油主要不是發(fā)生在密封瓦處，而串油的發(fā)生主要是由氫側(cè)密封油箱排油閥不嚴密，內(nèi)漏造成。

圖9 密封油平衡閥

3.1.2 降低密封油溫度

通過調(diào)節(jié)平衡閥效果不明顯后，我們試圖從另外一個途徑來緩解氫氣純度下降速度——降低密封油溫度。

通過觀察氫氣純度下降的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)機組停運后，氫氣純度下降的速度就會明顯下降。其原因是：發(fā)電機停運后，密封油系統(tǒng)仍然工作，發(fā)電機內(nèi)部氫壓沒有改變。發(fā)生變化的是停機后氫溫、密封油溫度下降。降低密封油溫度是很容易實現(xiàn)的，并且不用停機，不用改造設備。廠家提供的資料顯示，三期機組允許的密封油溫度是27～49 ℃。該廠三期密封油溫度平時控制在42～45 ℃左右，溫度控制范圍接近上限。

3.2 原理分析

降低密封油溫度對氫氣純度有如下影響。

（1）密封瓦和軸之間的間隙越小，密封油流量就會越低；反之，密封油流量就會增大。流量越大，密封油攜帶并析出的空氣就越多，氫氣純度就下降越快。較低的密封油溫，由于熱脹冷縮的作用，可以使密封瓦與軸之間的間隙稍微縮小一些，有利于降低密封油的流量。

發(fā)電機軸與密封瓦之間間隙對串流量的影響如式（1）所示［3］：

式中，

Q為密封油間的串流量；Δp為空、氫側(cè)密封油微差壓；d為轉(zhuǎn)子軸徑；c為中間環(huán)和軸間的間隙；μ為透平油的動力粘度；l為中間環(huán)長度。

從式（1）中可以看出，密封油流量與密封瓦間隙的三次方成正比。間隙的稍微變化，對密封油流量影響會很明顯。密封油流量減小，這樣通過密封油析出到氫氣中的空氣量也相應減少。氫氣純度下降就會減慢。

（2）密封油溫度下降，油的粘性增大，從式（1）中可以看出密封油的流量Q與密封油的動力粘度μ成反比。粘性越大，密封油的流量就越小。

上述兩個原因分析在生產(chǎn)上可以驗證。發(fā)電機組運行時，油溫較高，就地觀察密封油流量較大。機組停運后，密封油溫度也隨著發(fā)電機溫度下降而降低，在現(xiàn)場的密封油流量表可以觀察到密封油流量明顯低于機組運行時。

3.3 實施情況

2013年1月28日，將5#機密封油溫度從45 ℃降到40 ℃，觀察發(fā)電機軸承振動沒有異常變化。1月29日，將密封油溫度從40 ℃降到37 ℃。油溫下調(diào)后，通過觀察，發(fā)現(xiàn)氫純度下降變緩了，見圖10（曲線1是氫氣純度變化曲線；曲線2和曲線3重合在一起，是空側(cè)密封油、氫側(cè)密封油溫度）。

圖10 氫純度和密封油溫度曲線

調(diào)節(jié)前，發(fā)電機補排氫的頻率大約是每33～35小時補排一次。調(diào)節(jié)后第一次補排后純度提升得比較高，約99.0%，（正常情況下是提升到98.5%左右）。經(jīng)歷了94個小時，氫氣純度下降到98.0%以下后，才第二次補排。經(jīng)查，這期間有一次補氫操作，向發(fā)電機內(nèi)部補充了一定量的氫氣，對純度有影響，故這次補排周期不能作為研究對象。隨后，兩次補排氫的間隔時間是56小時和60小時。經(jīng)過二月份一個月的觀察，把密封油溫度控制在37℃，多數(shù)情況下是60小時補排一次，個別時候出現(xiàn)了較長時間的時間間隔。在這一個月的觀察周期內(nèi)，5#發(fā)電機氫氣耗量明顯下降。以下是化學專業(yè)提供的補排氫數(shù)據(jù)（見表1）。

表格1 5#機2013年一、二月耗氫對比 Nm3

簡單估算，平均每日耗氫量減少了45.6%左右。二月份比一月份少耗氫約500 Nm3?？梢钥闯觯档兔芊庥蜏囟?，對發(fā)電機氫氣純度下降減緩效果明顯。

密封油溫度的降低要考慮到機組振動的變化。有可能由于密封瓦間隙變小，密封瓦和軸出現(xiàn)摩碰，使轉(zhuǎn)子振動上升。在對振動沒有影響的前提下保持較低的溫度，從現(xiàn)場實踐來看，對控制氫氣消耗量作用明顯。

4月初，將三期6#機密封油溫度降低，也取得同樣的效果。統(tǒng)計2013年某廠三期機組耗氫量，較2012年減少了9 057 Nm3，占2012年三期機組耗氫量的1/3。

4 結(jié)論

（1）某廠雙環(huán)式密封油機組耗氫量大的原因在于串油，而產(chǎn)生串油的原因復雜，比如密封瓦串油、氫側(cè)密封油箱串油等等，機組運行時很難杜絕串油現(xiàn)象。

（2）較低的密封油溫度，冷卻密封瓦，使密封瓦與軸之間的間隙減小，降低了密封油流量，減少了密封油攜帶空氣的總量。

（3）較低的密封油溫度，增大了密封油的粘性，減少了密封油流量，降低了密封油攜帶空氣總量。

（4）通過實踐表明，在不影響機組振動的情況下，保持較低的密封油溫度，可以在沒有解決串油的情況下，有效地降低氫氣純度下降的速度，從而減少頻繁補排產(chǎn)生的耗氫量。

［1］ 張泳濤，廖開友，等.珞璜電廠三期集控運行規(guī)程（輔機部分）［S］ .重慶：華能重慶珞璜發(fā)電有了公司，2010.

［2］ 中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T 651-1998. 氫冷發(fā)電機氫氣濕度的技術要求［S］ .北京：中國電力出版社，1998.

［3］ 張廼彭，龍?zhí)煊?，況文仲.工程流體力學 ［M］ .重慶：重慶大學出版社，1992.