核電廠氫冷雙流環(huán)發(fā)電機氫氣純度降低的分析與處理

中廣核核電運營有限公司 呂慶舉 周黨鋒

1 發(fā)電機密封油系統(tǒng)設(shè)備介紹

某核電廠1號汽輪發(fā)電機是Alsthom生產(chǎn)1000MW級全速發(fā)電機，采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組為直接水內(nèi)冷，定、轉(zhuǎn)子鐵芯及轉(zhuǎn)子繞組為氫氣冷卻。為使機組安全、可靠、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行，保證其內(nèi)部的氫氣純度十分必要。氫氣純度不合格，將會造成發(fā)電機內(nèi)構(gòu)件局部散熱效果變差，導(dǎo)致發(fā)電機過熱；氫氣純度降低，有害雜質(zhì)氣體的存在還有可能造成絕緣性能下降和金屬部件腐蝕，影響發(fā)電機的安全。發(fā)電機密封裝置采用雙流式、環(huán)式結(jié)構(gòu)（圖1），密封油系統(tǒng)由空側(cè)和氫側(cè)2個獨立又互有聯(lián)系的油路組成，分別將油供給密封瓦上的2個環(huán)型配油槽，沿轉(zhuǎn)軸軸向穿過密封瓦與轉(zhuǎn)子間的間隙后，以相反的方向分別向氫側(cè)和空側(cè)排出，使空、氫側(cè)完全分開，防止空側(cè)密封油中含有的空氣析出進入發(fā)電機內(nèi)部，影響氫氣的純度。

在發(fā)電機正常運行條件下，空側(cè)密封油壓力依靠隔膜式差壓調(diào)節(jié)閥進行控制，使發(fā)電機內(nèi)部氫氣壓力高于密封油壓力0.14MPa，在該壓差值設(shè)定后進入動態(tài)平衡狀態(tài)?？諅?cè)密封油將沿軸和密封瓦之間的間隙流往軸承側(cè)，并同軸承潤滑油回油一起靠重力進入空側(cè)密封油箱。該油箱設(shè)有氣體密封裝置，能防止氣體隨排油進入汽輪機潤滑油、頂軸油和盤車系統(tǒng)（GGR）主油箱。

氫側(cè)密封油分為2路分別通過發(fā)電機汽、勵端平衡閥到發(fā)電機汽、勵端密封瓦的氫側(cè)油環(huán)中，通過平衡閥跟蹤汽、勵端密封瓦內(nèi)空側(cè)油環(huán)內(nèi)壓力，調(diào)整密封瓦內(nèi)氫側(cè)油環(huán)內(nèi)壓力與空側(cè)油環(huán)壓力差±20mbar之間。如果空、氫側(cè)供油壓力在密封瓦處恰好相等，油就不會在密封瓦兩個配油槽之間的間隙中竄流，便可防止氫氣從發(fā)電機內(nèi)逸出。儲油箱儲存來自密封裝置氫氣側(cè)的回油，同時也向油位控制油箱供油，油位控制油箱通過2個浮球閥控制油位，油位高時向汽輪機潤滑油箱排油，油位低時浮球閥把空氣側(cè)冷油器分接點來的油注入油位控制油箱。

2 影響氫氣純度下降的可能原因

某核電廠1號機組第11次大修后，機組啟機階段的第1周氫氣純度下降較快，無法穩(wěn)定在≥98%（正常運行值≥98%、報警值＜95%）。每天下降0.3%，超過運行經(jīng)驗值0.1%；氫氣置換頻率為3次/d；運行至第2至第3周期間，氫氣純度下降趨勢變緩、氫氣置換頻率下降為2次/d，氫氣純度相對能穩(wěn)定在98%附近。從發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、工作介質(zhì)等方面分析，影響發(fā)電機氫氣純度變化的主要因素有3點：密封油中含有水和空氣、密封油空氣側(cè)竄油以及密封油控制油箱補、排油閥調(diào)節(jié)不當(dāng)。

2.1 密封油中含水和空氣

在機組正常運行情況下，由于汽輪機軸封結(jié)構(gòu)上的原因，潤滑油中都含有一定量的水份和溶解氣體，含水油進入汽輪機潤滑主油箱，主油箱又參與空側(cè)密封油系統(tǒng)的循環(huán)；氫側(cè)密封油會直接與氫氣接觸，其中溶解有一定量的氫氣，因而氫側(cè)油路并不是單一的液體流。在發(fā)電機實際運行過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械甩油使油溫升高產(chǎn)生的熱作用使一部分油和溶解在油中的水發(fā)生霧化，形成油煙和水汽。油煙、水汽在回油腔室擴容并釋放出來，在發(fā)電機冷卻風(fēng)扇的負(fù)壓作用下進入發(fā)電機殼體內(nèi)，導(dǎo)致氫氣污染純度下降。通過對氫氣干燥器運行狀態(tài)檢查，及機組運行時的氫氣露點溫度都控制在0～3℃，滿足設(shè)備運行要求，故影響氫氣純度的不是油煙和水汽。

2.2 密封瓦空氫側(cè)竄油

機組運行中，空、氫側(cè)密封油互竄是發(fā)電內(nèi)氫氣純度下降的主要因素。密封油系統(tǒng)中壓差閥、平衡閥的調(diào)節(jié)響應(yīng)，油箱液位的自動調(diào)節(jié)狀態(tài)及密封瓦的狀態(tài)等都會直接影響發(fā)電機內(nèi)的氫氣純度，無論哪個設(shè)備環(huán)節(jié)出了問題，都可歸結(jié)為空、氫側(cè)密封油竄油導(dǎo)致溶解在空側(cè)密封油中的空氣進入發(fā)電機內(nèi)部而引起氫氣純度下降。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子與密封環(huán)瓦之間的油流可稱為軸向油流，流動狀態(tài)處于層流，其流量的計算公式為：（1），式中Q為軸向流量，m3/h；d為密封環(huán)內(nèi)徑，m；δ為密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸間的間隙，m；ΔP為空氣側(cè)密封油在密封環(huán)處的壓差，Pa；μ為油的動力粘度；L為從空側(cè)密封環(huán)油沿軸向流經(jīng)氫氣側(cè)密封環(huán)的軸向長度，m；ε為密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸的相對偏心度，同心時為0，轉(zhuǎn)軸靜止或盤車時為1。由式（1）可知決定空、氫側(cè)竄油量大小的因素有d、δ、ΔP、L、ε，因此當(dāng)發(fā)電機出現(xiàn)氫氣純度下降的問題應(yīng)從這些因素逐一檢查。

2.2.1 密封瓦與轉(zhuǎn)軸間的間隙偏大

發(fā)電機密封瓦徑向間隙（轉(zhuǎn)軸與密封間的間隙）的大小是衡量密封油流量多少的一個重要參數(shù)。據(jù)式（1）在其他參數(shù)不變情況下，若密封瓦徑向間隙偏大，為保證發(fā)電機內(nèi)氫氣不外漏并建立穩(wěn)定的油氫壓差，需增加密封油的流量來維持密封油的壓力，從而使空、氫側(cè)密封油的交換大幅增加，密封油中釋放出來的油煙和水汽就越多，過多的油煙和水汽進入發(fā)電機內(nèi)使氫氣純度下降。某核電廠1號機組第11次大修期間，測量密封瓦與轉(zhuǎn)軸的間隙為0.39mm，超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)間隙值為0.35～0.38mm），查詢歷史為改善發(fā)電機密封瓦過熱發(fā)黑現(xiàn)象，故把密封瓦加工徑向間隙放大為0.39mm，該間隙值與2號機組發(fā)電機密封瓦的間隙值（0.40mm）接近。雖然密封瓦間隙提供了氫、空側(cè)密封油竄油的途徑，對氫氣污染有一定貢獻，但0.39和0.40mm的間隙不是氫氣污染的關(guān)鍵所在。

2.2.2 平衡閥調(diào)節(jié)不當(dāng)

平衡閥是控制空側(cè)和氫側(cè)密封油在密封瓦處壓力平衡的設(shè)備，若調(diào)節(jié)不靈敏或壓力值設(shè)置存在偏差會使壓差ΔP的增加，由（1）式可知空、氫側(cè)密封油竄量會增大。當(dāng)空側(cè)密封油壓力高于氫側(cè)密封油壓力時，密封由從空側(cè)在密封瓦處向氫側(cè)竄油，含有水份和空氣的空側(cè)密封油進入氫側(cè)；當(dāng)氫側(cè)密封油壓力高于空側(cè)密封油壓力時，密封油從氫側(cè)在密封瓦處向空側(cè)竄油，使氫側(cè)密封油箱液位下降，氫側(cè)密封油箱補油閥打開補油，主油箱（GGR油箱）進入氫側(cè)密封油箱。由此可見，空、氫側(cè)密封油壓力存在偏差，無論是氫側(cè)壓力高大還是空側(cè)壓力高均導(dǎo)致空、氫側(cè)密封油發(fā)生互竄，使含有空氣和水份的空側(cè)密封油竄入氫側(cè)密封油并流經(jīng)密封瓦，引起氫氣純度下降。

系統(tǒng)設(shè)計要求空側(cè)油壓跟隨發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力來進行調(diào)節(jié)，保持油氫壓差在1.4bar，氫側(cè)油壓跟隨空側(cè)油壓來調(diào)節(jié)，使氫空側(cè)油壓差值控制在±20mbar（表壓）。通過對1號機組發(fā)電機密封油運行參數(shù)進行監(jiān)測，如表1所示，密封瓦氫、空側(cè)密封油壓差均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)屬正常運行狀態(tài)，其中后端空氣、氫氣壓差值波動相對其他偏大，但波動數(shù)值是在±20mbar（表壓）內(nèi)，表明氫、空側(cè)差壓波動導(dǎo)致密封油之間存在輕微竄油現(xiàn)象對氫氣純度下降有一定貢獻，但也不是關(guān)鍵因素。

表1 某核電廠1號和2號機組空氣、氫氣側(cè)密封油壓差（mbar）

2.2.3 密封油供油溫度

依據(jù)流體動力學(xué)的理論可知，溫度是影響流體粘度μ的主要因素，在溫度升高的過程中液體分子內(nèi)聚力減小，μ隨溫度的升高而降低。因此發(fā)電機密封油的溫度越高油的動力粘度μ越小，油分子的內(nèi)聚力減小，之間的距離拉大，空、氫側(cè)密封油的竄油量會增大，使油液的含氣量增大，引起氫氣純度下降。發(fā)電機密封油系統(tǒng)氫、空側(cè)密封油設(shè)計供油溫度為45℃，1號機組現(xiàn)場實際運行溫度在該值附近，而且1、2號機組的供油溫度都處于44.6～45.2℃之間。雖然供油溫度越高使油中含氣量的本底值提高，但供油溫度的高低不是氫氣純度下降的關(guān)鍵因素。

2.3 密封油控制油箱補、排油閥調(diào)節(jié)不當(dāng)

密封油控制油箱補排油是靠浮球閥自動補、排油。油位高時向汽輪機潤滑油箱排油；油位低時浮球閥把空氣側(cè)冷油器分接點來的油注入油位控制油箱（圖2）。若浮球位置調(diào)整不當(dāng)則會造成補、排油閥同時打開處于同時補、排油的平衡狀態(tài)，即在控制油箱中空、氫側(cè)油一直在交換，形成補、排油式的竄油，引起氫氣純度下降。

現(xiàn)場使用紅外測溫儀測量管線溫度，發(fā)現(xiàn)排油手動隔離閥上下游管線溫度約60℃，均高于其所處環(huán)境溫度，接近GHE002BA表面溫度；而補油手動隔離閥管線溫度約45℃卻低于環(huán)境溫度且接近于發(fā)電機密封油系統(tǒng)空氣側(cè)密封油溫度（由于補油浮球閥上游來自發(fā)電機密封油空側(cè)油冷卻器出口），如表2所示?？赡茉驗榕庞透∏蜷y未關(guān)嚴(yán)，使氫側(cè)密封油通過排油管排入GGR002BA油箱，使密封油油箱油位下降；當(dāng)液位下降至補油浮球閥動作液位時開啟，向氫側(cè)密封油箱補充更多的含水份和空氣的空側(cè)密封油來維持氫側(cè)密封油箱油位處于正常值，使較多空氣和水份的空側(cè)密封油進入到氫側(cè)密封油。

表2 1、2號機組密封油油箱及管道溫度對比（℃）

2.4 分析總結(jié)

通過上述原因分析可以得出，導(dǎo)致發(fā)電機氫氣純度下降的最可能的原因為排油浮球閥未關(guān)嚴(yán)，使氫側(cè)密封油通過排油管排入GGR002BA油箱，使密封油油箱油位下降；當(dāng)液位下降至補油浮球閥動作液位時開啟，向氫側(cè)密封油箱補充更多的含水份和空氣的空側(cè)密封油來維持氫側(cè)密封油箱油位處于正常值，使較多空氣的空側(cè)密封油進入到氫側(cè)密封油。

3 原因分析與處理

3.1 竄油試驗驗證與原因的查找

關(guān)閉圖2中的補、排油手動隔離閥，觀察GHE 002BA油箱油位持續(xù)下降，速率約為0.028m3/h。這說明在沒有補、排油的情況下，油箱油位持續(xù)下降表明發(fā)電機密封瓦氫側(cè)向空氣少量竄油。目前竄油速率為0.028m3/h屬于正常水平，不存在發(fā)電機密封瓦竄油量過大的情況。打開排油隔離閥，保持補油隔離閥關(guān)閉，觀察油箱液位快速下降至0.345m3后開始緩慢下降。前期快速下降是排油浮球閥處在排油狀態(tài)，當(dāng)油位下降至0.345m3時達到浮球閥的關(guān)閉動作值后只有密封瓦的竄油，所以GHE002BA油位開始緩慢下降，速率為之前的0.028m3/h。試驗驗證結(jié)果表明排油浮球閥無內(nèi)漏。

開啟補油手動隔離閥，關(guān)閉排油手動隔離閥，然后觀察GHE002BA油箱油位緩慢上升至0.368m3后保持穩(wěn)定，由此確定補油浮球閥的補油動作關(guān)閉值為0.368m3且無內(nèi)漏。同時，自從試驗開始關(guān)閉補油手動隔離閥后，經(jīng)約36h持續(xù)驗證，氫氣純度能持續(xù)維持且在試驗過程中執(zhí)行氫氣提純2次，說明氫氣純度能提高且不再下降。對比分析在補油手動隔離閥未關(guān)閉前，氫氣每一次提純之后約4h就會出現(xiàn)純度下降的現(xiàn)象，約6h就需再次進行氫氣置換提純操作。因此關(guān)閉補油手動隔離閥后的試驗結(jié)果驗證了補油浮球閥處于開啟補油狀態(tài)。查詢該機組在第11次大修時浮球閥的標(biāo)定值與本次試驗值進行對比（表3），發(fā)現(xiàn)排油浮球閥的關(guān)閉動作值存在下漂（關(guān)閉的動作液位值偏低）；補油浮球閥的補油動作值存在上漂（動作液位值偏高）；另外，機組運行期間的GHE002BA油位為0.368m3，該油位恰好處于補油浮球閥開啟補油和排油浮球閥的排油區(qū)間內(nèi)。

表3 浮球閥動作液位值比較（m3）

通過上述試驗驗證與分析，補、排油浮球閥均處于開啟動作的重疊臨界區(qū)間，導(dǎo)致氫側(cè)密封油通過排油管道排至GGR002BA分離油箱，含有空氣的GGR油連續(xù)不斷的補充到GHE系統(tǒng)中，向氫側(cè)密封油箱補充更多的含水份和空氣的空側(cè)密封油來維持氫側(cè)密封油箱油位處于正常值，使發(fā)電機內(nèi)氫氣純度下降。

3.2 處理措施

在該機組第12次大修時，停機后在發(fā)電機5bar狀態(tài)下對補、排油浮球閥進行了試驗驗證，結(jié)果為排油浮球閥的關(guān)閉動作值0.346m3，補油浮球閥的補油動作值為0.37m3，與機組日常運行期間試驗結(jié)果一致，進一步說明補、排油浮球閥高度位置發(fā)生變化，使補排油浮球閥均處于開啟動作的重疊臨界區(qū)間。大修中對浮球閥安裝高度進行了測量，發(fā)現(xiàn)補、排油浮球閥安裝高度接近。結(jié)合日常和機組停運后的補、排油浮球閥動作油位定值驗證結(jié)果，對補、排油浮球安裝高度分別進行調(diào)整，安裝高度分別為110mm和135mm。執(zhí)行動作試驗，排油浮球閥的關(guān)閉動作值0.365m3，補油浮球閥的補油動作值為0.28m3，從這2個動作液位值來看，補、排油浮球閥均開啟的重疊問題解決。通過處理后，1號機組在日常運行期間密封油箱液位穩(wěn)定，發(fā)電機氫氣純度穩(wěn)定。