發(fā)電機(jī)兩端氣壓不平衡引起定子進(jìn)油問(wèn)題研究

趙國(guó)欽，鄭桂波

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 廣州 515223）

0 引言

氫冷發(fā)電機(jī)的軸端密封一般采用油密封，油源取用汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)或自身密封油系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端各有一套風(fēng)扇形成自密封瓦區(qū)域向定子中心的動(dòng)力壓差，推動(dòng)氫氣從兩端至發(fā)電機(jī)定子中心區(qū)域流動(dòng)，使氫氣經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部冷卻器冷卻。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的動(dòng)密封主要依靠密封瓦來(lái)完成，密封瓦回油系統(tǒng)的工作性能對(duì)密封油系統(tǒng)氫氣與空氣的隔離有很大的影響，尤其是發(fā)電機(jī)兩端氫側(cè)回油共用一個(gè)浮子油箱時(shí)，更要求發(fā)電機(jī)兩端的氫氣壓力相同。

某QFSN-600型發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間出現(xiàn)發(fā)電機(jī)汽端、勵(lì)端氫氣壓力不相同，汽端氫氣壓力低于勵(lì)端氫氣壓力，導(dǎo)致運(yùn)行期間發(fā)電機(jī)定子汽端出現(xiàn)持續(xù)進(jìn)油，污染整個(gè)發(fā)電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子槽隙。

1 密封油系統(tǒng)設(shè)備

1.1 密封油系統(tǒng)及主要設(shè)備

該型發(fā)電機(jī)的密封油回油系統(tǒng)主要由回油擴(kuò)大槽、浮子油箱、空氣抽出槽等組成。密封油主要來(lái)自潤(rùn)滑油系統(tǒng)油源，進(jìn)入密封油系統(tǒng)后由密封油泵通過(guò)油氫壓差調(diào)節(jié)閥維持穩(wěn)定的油壓進(jìn)入密封瓦內(nèi)進(jìn)行密封。發(fā)電機(jī)汽端和勵(lì)端回油共用一個(gè)回油擴(kuò)大槽、浮子油箱，回油擴(kuò)大槽、浮子油箱上半部分氫氣壓均為發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力，回油擴(kuò)大槽至浮子油箱段的回油依靠高差自流，見(jiàn)圖1。由于密封油系統(tǒng)油氫差壓調(diào)節(jié)閥的自平衡氫壓取樣壓力分別取自回油擴(kuò)大槽，考慮氫側(cè)壓力取樣管內(nèi)的液柱壓力，回油擴(kuò)大槽一般布置標(biāo)高靠近發(fā)電機(jī)密封瓦部位。

圖1 密封油系統(tǒng)主要設(shè)備及流程

1.2 密封瓦回油裝置主要組件

密封瓦回油主要組件有發(fā)電機(jī)端蓋、內(nèi)擋油環(huán)、密封瓦組件等。密封瓦殼與發(fā)電機(jī)端蓋、內(nèi)檔油環(huán)組成的底部腔體為密封瓦回油腔體，如圖2（a）中A區(qū)域；回油腔體底部排列6個(gè)回油孔，6個(gè)回油孔在發(fā)電機(jī)端蓋內(nèi)匯流成一個(gè)回油腔室，回油腔室與外部回油管道連接，如圖2（b）所示?；赜湍腹芄芸谂c回油擴(kuò)大槽進(jìn)油口垂直高度1.5 m，再經(jīng)過(guò)水平管路接入回油擴(kuò)大槽進(jìn)油口?；赜蛿U(kuò)大槽與浮子油箱的垂直高度差為4 m。

圖2 氫側(cè)回油軸承箱體結(jié)構(gòu)

1.3 回油擴(kuò)大槽結(jié)構(gòu)

密封油回油擴(kuò)大槽兩端進(jìn)油口連接發(fā)電機(jī)汽端和勵(lì)端回油母管，在內(nèi)部被擋板分割成兩部分相對(duì)獨(dú)立腔室A、B，回油擴(kuò)大槽共用一個(gè)回油母管，依靠底部回油U型管聯(lián)絡(luò)，匯合后依靠液位差自流進(jìn)入浮子油箱，如圖3所示。工作時(shí)由于A、B腔室內(nèi)壓力基本相同，兩側(cè)出現(xiàn)的液位偏差很小，兩個(gè)腔室的液位面基本在同一個(gè)水平面上，HA≈HB，不會(huì)使某側(cè)回油液面淹沒(méi)腔室進(jìn)油管口，可以保證回油擴(kuò)大槽前后各管路的回油順暢［1-2］。

圖3 密封油回油擴(kuò)大槽結(jié)構(gòu)

假如A、B腔室內(nèi)氣體壓力出現(xiàn)較大的偏差時(shí)，如 pA＜pB時(shí)，會(huì)出現(xiàn) HA＞HB。 當(dāng) pA、pB的壓差足夠大，HA的液位接近HO時(shí)，A腔室密封油液面會(huì)逐漸升高并封閉水平回油管口，其接納對(duì)應(yīng)密封瓦回油腔體的回油能力快速降低。

2 發(fā)電機(jī)兩端氫氣壓差的影響

由于回油擴(kuò)大槽汽端和勵(lì)端的A、B腔室回油連通底部連接U型管，兩端壓力不均衡的大小會(huì)有所區(qū)別，可以分為兩種情況。

2.1 勵(lì)端氣壓高于汽端氣壓

該部分主要分為3個(gè)狀況：

1）回油擴(kuò)大槽液位高度 HA＜HO。

當(dāng)回油擴(kuò)大槽A、B兩個(gè)腔室內(nèi)液面以上的氣體壓力pA＜pB，A腔室內(nèi)的液位在壓差的作用下升高。A腔室內(nèi)的液位面高度HA＜HO時(shí)，A腔室內(nèi)的氣體與發(fā)電機(jī)汽端風(fēng)扇入口處氣體通過(guò)A腔室的進(jìn)油管連通，兩處氣體壓力相同。密封瓦回油腔體的回油此時(shí)依靠高差自流，回油流通管路依然暢通。

2）回油擴(kuò)大槽液位高度HA≥HO

當(dāng)壓差繼續(xù)增加，回油擴(kuò)大槽內(nèi)A腔室內(nèi)液位達(dá)到HO時(shí)，A腔室內(nèi)液面會(huì)封閉整個(gè)回油管道，水平管道內(nèi)滿盈液體，擴(kuò)大槽內(nèi)液位面以上形成封閉氣體腔室，隔絕與發(fā)電機(jī)膛內(nèi)氣體的連通，如圖4所示。

圖4 A腔室液位面高度HA上升至HO后示意

此時(shí)A腔室內(nèi)液面以上的氣體成為封閉氣體，隨著垂直管道內(nèi)H3液位面的上升，其壓力也會(huì)相應(yīng)升高，但在HO高度的液位穩(wěn)定后，整個(gè)回油擴(kuò)大槽的A、B回油腔室達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)：汽端回油穩(wěn)定液位面高度大于勵(lì)端回油穩(wěn)定液位面高度；汽端回油腔體積為垂直管道的容積，勵(lì)端回油腔體積維持原有狀態(tài)。

對(duì)于汽端，回油腔體積驟然大幅度減小，垂直回油管液位面與密封瓦座回油孔之間垂直高度較?。?.5 m）。密封油在轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)作用下，其回油夾帶數(shù)量比較穩(wěn)定的霧化油滴，霧化油滴需要足夠的空間才能比較充分的凝聚成油流向下流動(dòng)而不至于彌散出去。由于回油液位面的升高，霧化油滴在減小的空間內(nèi)不能充分聚集成更大的油滴向下流動(dòng)，未凝聚的部分霧滴會(huì)向密封瓦內(nèi)擋油環(huán)濃度較低部位移動(dòng)，并通過(guò)擋油環(huán)在發(fā)電機(jī)端部風(fēng)扇的“空吸”作用下，通過(guò)發(fā)電機(jī)膛內(nèi)風(fēng)扇入口進(jìn)入風(fēng)扇流道內(nèi)［3］；并凝聚在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部和轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔，凝聚的油滴會(huì)形成比較大的油流，向下流動(dòng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子底部的腔室和出線封母部位蓄積［4-5］。發(fā)電機(jī)進(jìn)油表現(xiàn)為持續(xù)小流量或微量從定子底部排油。

3）汽端回油液位達(dá)到密封瓦座內(nèi)擋油環(huán)部位。

當(dāng)兩端壓差繼續(xù)增加，汽端回油液位會(huì)沿著垂直回油管道上升，直至接近或達(dá)到圖2所示的內(nèi)油擋密封齒部位時(shí)，密封瓦回油會(huì)持續(xù)性大量通過(guò)內(nèi)擋油環(huán)進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子內(nèi)。部分密封油會(huì)通過(guò)端部風(fēng)扇的“空吸”作用被帶入并流經(jīng)整個(gè)發(fā)電機(jī)定子內(nèi)各部件，污染整個(gè)發(fā)電機(jī)膛內(nèi)氫氣經(jīng)過(guò)的各部位，該狀態(tài)下發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油量遠(yuǎn)高于回油擴(kuò)大槽內(nèi)液位達(dá)到HA=HO的狀態(tài)。

2.2 汽端氣壓高于勵(lì)端氣壓

當(dāng)回油擴(kuò)大槽A、B兩個(gè)腔室內(nèi)液面以上的氣體壓力pA＞pB，A腔室與B腔室之間存在U型管液柱差，壓差不超過(guò)液柱高度H1時(shí)，不會(huì)對(duì)B腔室產(chǎn)生影響，B腔室依然能順暢自流至浮子油箱。在壓差超過(guò)液柱高度H1時(shí)，A腔室的壓力才會(huì)在兩個(gè)腔室的管接口部位對(duì)B腔室產(chǎn)生影響，造成B腔室內(nèi)液位在壓差的作用下升高。同樣B腔室內(nèi)的液位面高度HB＜HO時(shí)，B腔室內(nèi)的氣體與發(fā)電機(jī)汽端風(fēng)扇入口處氣體通過(guò)B腔室的進(jìn)油管連通，兩處氣體壓力相同，密封瓦回油腔體的回油此時(shí)依靠高差自流，回油流通管路依然暢通。

當(dāng)壓差繼續(xù)增加，回油擴(kuò)大槽內(nèi)B腔室內(nèi)液位達(dá)到HO時(shí)，A腔室內(nèi)液面會(huì)封閉整個(gè)回油管道，水平管道內(nèi)滿盈液體，擴(kuò)大槽內(nèi)液位面以上形成封閉氣體腔室，隔絕與發(fā)電機(jī)膛內(nèi)氣體的連通，開(kāi)始發(fā)生與2.1節(jié)同樣的結(jié)果，造成發(fā)電機(jī)內(nèi)持續(xù)的油霧進(jìn)入、凝聚、蓄積、污染等問(wèn)題。

3 氫氣壓差影響回油的解決方案

發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油主要原因是汽端和勵(lì)端出現(xiàn)氣壓不均衡，因此可以通過(guò)消除氣壓不均衡和提高系統(tǒng)對(duì)氣壓不均衡的抗干擾能力來(lái)解決。

3.1 消除汽端和勵(lì)端氣壓不均衡

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部軸向沿發(fā)電機(jī)磁力中心線向兩側(cè)對(duì)稱布置。氫氣流動(dòng)的動(dòng)力源是位于發(fā)電機(jī)兩側(cè)的風(fēng)扇，理論上該兩組風(fēng)扇扇葉是相同的，其目的是保證風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓、流量也相同。

兩組風(fēng)扇扇葉型式、轉(zhuǎn)速及流道完全相同時(shí)，經(jīng)過(guò)扇葉本體產(chǎn)生的風(fēng)量Q、功率Pe相同。風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)壓ΔP與風(fēng)量Q、風(fēng)扇效率η、風(fēng)扇功率Pe之間的關(guān)系為：兩組風(fēng)扇等速運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)兩端風(fēng)扇的徑向間隙不一致時(shí)，徑向間隙較小一端的風(fēng)扇效率高于徑向間隙較大一端的風(fēng)扇效率，進(jìn)而導(dǎo)致徑向間隙較小一端的風(fēng)壓高于徑向間隙較大一端的風(fēng)壓［6］。

實(shí)際使用時(shí)，在風(fēng)扇自身技術(shù)數(shù)據(jù)相同的情況下，保證發(fā)電機(jī)兩端風(fēng)壓在安裝時(shí)主要保證其動(dòng)葉與風(fēng)擋徑向間隙的一致，可確保兩組風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生風(fēng)壓的均衡。

3.2 提高系統(tǒng)對(duì)氣壓不均衡的抗干擾能力

A、B腔室回油管均設(shè)置U型回油管并增加H1的高度。雙U型管設(shè)置是在兩端任何一端出現(xiàn)氣壓不均衡時(shí)，均需要克服本腔室對(duì)應(yīng)的U型管液柱高度才能對(duì)另一個(gè)腔體產(chǎn)生影響而降低其回油能力。增加U型管液柱高度H1，主要是發(fā)電機(jī)汽端和勵(lì)端壓差更高時(shí)才能克服H1液柱高度對(duì)低壓側(cè)腔室發(fā)生作用，減弱壓差不均衡對(duì)低壓側(cè)回油能力的影響。

設(shè)置雙浮子油箱，汽端和勵(lì)端兩側(cè)單獨(dú)回油。在回油擴(kuò)大槽后設(shè)置雙浮子油箱，分別連接回油擴(kuò)大槽的A、B腔室，取消A、B腔室的聯(lián)絡(luò)管，浮子油箱與回油擴(kuò)大槽的氣壓平衡管分別連接A、B腔室。汽端和勵(lì)端形成完全獨(dú)立的回油系統(tǒng)，可以完全消除兩端氣壓不均衡導(dǎo)致的一側(cè)腔室液位面升高問(wèn)題。由于空氣抽出槽在回油系統(tǒng)中屬于低壓回油箱，其箱體內(nèi)屬于微負(fù)壓區(qū)，浮子油箱與空氣抽出槽之間是完全依靠壓差回油，不會(huì)對(duì)回油系統(tǒng)造成任何影響。

4 氣壓差回油的影響及處理

本臺(tái)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間，初期進(jìn)行定子汽端底部油水檢測(cè)時(shí)持續(xù)性排出較大量密封油，勵(lì)端底部也有少量密封油持續(xù)排出。通過(guò)降低氫油壓差、提高氫氣壓力等多種手段均不能使該狀況得到根本的改善，僅能將定子排油量略有降低［7］。

4.1 發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間的控制措施

汽端回油擴(kuò)大槽底部排污管直接引入浮子油箱，增加回油擴(kuò)大槽至浮子油箱的自流能力，減少勵(lì)端氣壓對(duì)汽端回油能力的影響。采取該方式后發(fā)電機(jī)定子汽端底部排油量有明顯減少，但仍然持續(xù)性排出密封油；勵(lì)端底部偶爾會(huì)有少量密封油排出［8］。

汽端回油擴(kuò)大槽底部排污管引入空氣抽出槽，依靠氣壓差增加回油擴(kuò)大槽的回油能力，控制排油量不過(guò)量避免氫氣外漏。采取該方式后發(fā)電機(jī)定子汽端排油量進(jìn)一步減少。

以上兩項(xiàng)措施為臨時(shí)措施，說(shuō)明發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油主要是由于汽端回油擴(kuò)大槽油位甚至汽端回油系統(tǒng)油位偏高所致，降低其液位可以比較有效地減少發(fā)電機(jī)進(jìn)油量。

4.2 發(fā)電機(jī)檢修時(shí)的處理措施

發(fā)電機(jī)解體時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子體表面沾染大量油跡，定子內(nèi)部線圈、內(nèi)殼體及各氫氣流過(guò)部分均沾染大量的油跡，定子底部蓄積大量污油；發(fā)電機(jī)汽端風(fēng)扇與擋風(fēng)環(huán)徑向間隙大于4.0 mm，勵(lì)端風(fēng)扇與擋風(fēng)環(huán)徑向間隙1.5 mm。密封油系統(tǒng)所屬設(shè)備、設(shè)施未發(fā)現(xiàn)異常。

汽端風(fēng)扇徑向間隙遠(yuǎn)大于勵(lì)端風(fēng)扇徑向間隙，兩組風(fēng)扇扇葉型式、轉(zhuǎn)速、工作高度及流道完全相同。兩組風(fēng)扇同軸，汽端風(fēng)扇內(nèi)漏損失大于勵(lì)端風(fēng)扇內(nèi)漏損失，汽端風(fēng)扇效率小于勵(lì)端風(fēng)扇效率，致使汽端風(fēng)壓低于勵(lì)端風(fēng)壓。

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇組不做調(diào)整時(shí)，影響其效率的主要因素是內(nèi)漏損失。將汽端風(fēng)扇與勵(lì)端風(fēng)扇徑向間隙調(diào)整一致，將兩組風(fēng)扇徑向間隙均調(diào)整至1.5 mm，盡量消除其內(nèi)漏損失不一致導(dǎo)致的兩端風(fēng)壓不相同。

調(diào)整后的發(fā)電機(jī)運(yùn)行后，將外部密封油回油系統(tǒng)恢復(fù)至原設(shè)計(jì)狀態(tài) （拆除加裝的輔助回油管路），發(fā)電機(jī)定子未再出現(xiàn)進(jìn)油問(wèn)題。經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行后重新解體發(fā)電機(jī)本體，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)部各部件清潔無(wú)油污存在。通過(guò)將發(fā)電機(jī)汽端和勵(lì)端風(fēng)壓調(diào)整一致后解決風(fēng)壓不均衡導(dǎo)致的進(jìn)油問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于QFSN-600型發(fā)電機(jī)密封油回油系統(tǒng)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較緊湊，各回油腔室的體積較小，汽端、勵(lì)端兩組風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)如出現(xiàn)兩端氣體壓力不均衡時(shí)，對(duì)密封油回油系統(tǒng)的回油順暢性影響很大。

檢修維護(hù)時(shí)盡量保證汽端、勵(lì)端兩組風(fēng)扇安裝參數(shù)符合一致性等要求，確保風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)其壓力能基本相同；回油擴(kuò)大槽兩側(cè)回油腔室底部聯(lián)絡(luò)回油管均設(shè)置為U型回油管并增加其高度，減弱壓差對(duì)回油系統(tǒng)的影響；設(shè)置雙浮子油箱結(jié)構(gòu)，將汽端和勵(lì)端回油系統(tǒng)分開(kāi)，徹底避免兩側(cè)回油系統(tǒng)之間的相互干擾。

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