S109FA機(jī)組發(fā)電機(jī)氫氣泄漏分析與處理

薛志敏，羅以勇，吳文青，嚴(yán)國利

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528403)

氫氣具有密度小、發(fā)電機(jī)風(fēng)阻小、熱導(dǎo)率和對流傳熱系數(shù)大、可保持機(jī)內(nèi)清潔和故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)組中已廣泛用作發(fā)電機(jī)的冷卻介質(zhì)。氫氣雖是良好的傳熱介質(zhì)，但其易爆性對密封系統(tǒng)提出了嚴(yán)格要求，須保證電機(jī)運(yùn)行性能良好以避免發(fā)生爆炸事故[1]。文獻(xiàn)[2]深入研究了發(fā)電機(jī)漏氫監(jiān)測系統(tǒng)，并對閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)漏氫監(jiān)測進(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了漏氫監(jiān)測裝置，能有效監(jiān)測氫冷發(fā)電機(jī)氫氣泄漏，并能夠及時(shí)在分散控制系統(tǒng)(DCS) 報(bào)警。文獻(xiàn)[3]闡述了發(fā)電機(jī)幾起不同位置漏氫故障的分析判斷、處理過程和方法，并提出了相應(yīng)預(yù)防措施和建議。文獻(xiàn)[4]介紹了針對哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的600 MW等級的汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生氫氣泄漏情況的一般查找方法，對引起發(fā)電機(jī)出現(xiàn)氫氣泄漏部位的原因進(jìn)行了深入的探討，并通過對日常發(fā)電機(jī)漏氫實(shí)例的查找及處理，提出了處理方法及技術(shù)改進(jìn)措施。然而，在發(fā)電機(jī)氫氣泄漏查找分析中，少有文獻(xiàn)提出將發(fā)電機(jī)氫氣泄漏故障排查診斷智慧化。

本文介紹了發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫氣泄漏的危害、發(fā)電機(jī)氫氣泄漏的兩種主要途徑、常見的發(fā)電機(jī)氫氣泄漏部位及處理措施，針對機(jī)組盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣壓力下降過快的情況，分別從外漏和內(nèi)漏進(jìn)行排查分析判斷，確認(rèn)為發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏，并進(jìn)一步確認(rèn)了密封油油氫差壓低是造成發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量大的主要原因。

1 發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)

采用氫氣作為發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)的機(jī)組，為了防止氫氣沿著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的間隙漏出，須設(shè)置發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)，將恒定流動(dòng)的密封油注入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的間隙中，從而將氫氣密封在發(fā)電機(jī)內(nèi)。如圖1所示，發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)主要包括密封油控制單元、氫側(cè)回油箱、浮子油箱系統(tǒng)、軸承回油箱及隔氫箱。發(fā)電機(jī)密封油來自機(jī)組潤滑油母管壓力調(diào)節(jié)閥前，經(jīng)過密封油控制單元，根據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力調(diào)整適當(dāng)油壓后分別進(jìn)入發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)側(cè)和集電環(huán)側(cè)的密封瓦，再流入密封環(huán)之間，并沿軸向兩個(gè)方向流出。中間油沿軸向間隙流向氫氣側(cè)和空氣側(cè)，建立起密封瓦與軸頸之間的油膜，起到密封、潤滑和冷卻的作用，然后分成兩路密封油回油，一路流向密封瓦的氫氣側(cè)，另一路流向密封瓦的空氣側(cè)。流向發(fā)電機(jī)兩軸端密封瓦氫氣側(cè)的密封油回油進(jìn)入氫側(cè)回油箱，在油箱內(nèi)膨脹，分離出氫氣排到廠房外，油則繼續(xù)流到密封油浮子油箱，進(jìn)一步分離出氫氣排到廠房外，然后再回到潤滑油箱；流向發(fā)電機(jī)兩軸端密封瓦空氣側(cè)的密封油回油，與發(fā)電機(jī)兩軸端軸承潤滑油回油混合后流入軸承回油箱，進(jìn)一步分離出氫氣排到廠房外，然后再回到潤滑油箱。為了將氫氣密封在發(fā)電機(jī)內(nèi)，須保證發(fā)電機(jī)兩軸端密封瓦的密封油壓力必須適當(dāng)高于發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣壓力，因此須設(shè)置密封油控制單元調(diào)節(jié)密封油供油壓力，并且保證提供一定量的密封油，送到發(fā)電機(jī)兩軸端密封瓦去密封氫氣。

圖1 S109FA機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)圖

2 發(fā)電機(jī)氫氣泄漏的主要危害

發(fā)電機(jī)氫氣泄漏的主要危害：1)氫氣泄漏量過大，不能保證發(fā)電機(jī)氫氣壓力，氫氣壓力下降會影響發(fā)電機(jī)冷卻效果，造成發(fā)電機(jī)溫度上升，從而影響發(fā)電機(jī)的出力；2)氫氣泄漏量大會過多消耗氫氣，造成制氫頻繁，增高發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本，增加發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫頻次，還會造成運(yùn)行人員工作量增加；3)氫氣有易爆性，氫氣泄漏會存在安全隱患。

3 發(fā)電機(jī)氫氣泄漏的主要途徑及處理措施

3.1 氫氣外漏

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)氫氣外漏主要是指發(fā)電機(jī)本體、氫氣干燥器、氫氣純度控制柜及鐵芯監(jiān)測裝置等設(shè)備存在漏點(diǎn)，造成氫氣向大氣泄漏。常見的發(fā)電機(jī)氫氣外漏部位及處理措施如下。

發(fā)電機(jī)人孔門：可以通過氫氣檢測儀檢測發(fā)電機(jī)人孔門周圍的氫氣濃度，來判斷確定發(fā)電機(jī)人孔門的氫氣泄漏情況。一般情況下可通過氫氣濃度檢測、人孔門密封墊檢查、均勻螺栓等方式來排除氫氣泄漏，必要時(shí)可在結(jié)合面上涂密封膠進(jìn)行處理。

發(fā)電機(jī)本體結(jié)合面：此類泄漏可以通過對結(jié)合面的二次注膠孔進(jìn)行補(bǔ)膠來避免對注膠孔改造，再在注膠孔增加絲堵后，發(fā)電機(jī)才能正常運(yùn)行。

與發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)相連的氫氣干燥器、氫氣純度控制柜、鐵芯監(jiān)測裝置等附屬系統(tǒng)中的管路、閥門、法蘭、儀表及設(shè)備元件等：此類漏氫主要通過更換密封墊，研磨修理、更換閥門及更換設(shè)備元件來處理。

發(fā)電機(jī)兩軸端軸承中分面：此類氫氣泄漏可通過在兩軸端軸承中分面加注密封膠，并進(jìn)行氫氣濃度檢測解決。

密封瓦：發(fā)電機(jī)端蓋與密封瓦座結(jié)合面出現(xiàn)氫氣泄漏，可通過在發(fā)電機(jī)集電環(huán)側(cè)、汽輪機(jī)側(cè)檢測氫氣濃度來判斷，運(yùn)用向發(fā)電機(jī)端蓋與密封瓦結(jié)合面漏氫處加注密封膠后進(jìn)行氫氣濃度檢測的方式來處理；若密封瓦間隙調(diào)整不當(dāng)，可在機(jī)組停運(yùn)后調(diào)整密封瓦間隙至正常值，做發(fā)電機(jī)嚴(yán)密性試驗(yàn)檢查氫氣是否泄漏。

3.2 氫氣內(nèi)漏

氫氣內(nèi)漏是指發(fā)電機(jī)氫氣泄漏至發(fā)電機(jī)出口封閉母線、密封油、冷卻水或發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)與大氣相連的設(shè)備，然后經(jīng)過排放管排放至大氣的現(xiàn)象。常見的發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏部位及處理措施如下。

發(fā)電機(jī)出線套管：發(fā)電機(jī)機(jī)座下方布置有6個(gè)出線套管，其中3個(gè)出線端，3個(gè)中性點(diǎn)，定子電流在發(fā)電機(jī)集電環(huán)側(cè)經(jīng)定子引線、出線套管、離相封閉母線到變壓器，定子出線套管為氫內(nèi)冷瓷套管。可通過發(fā)電機(jī)出口封閉母線氫氣在線監(jiān)測系統(tǒng)判斷氫氣泄漏情況，這需要發(fā)電機(jī)廠家對套管系統(tǒng)進(jìn)行檢查更換處理。

氫氣冷卻器：正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣壓力略高于氫氣冷卻器冷卻水壓力，若氫氣冷卻器出現(xiàn)漏點(diǎn)，則會造成發(fā)電機(jī)氫氣經(jīng)氫氣冷卻器漏點(diǎn)進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。若氫氣冷卻器冷卻水側(cè)排空側(cè)檢測到氫氣濃度升高，應(yīng)確定氫氣冷卻器有漏。S109FA機(jī)組發(fā)電機(jī)共有4組氫氣冷卻器，若發(fā)生氫氣冷卻器泄漏，可以單組隔離氫氣冷卻器。單組隔離對發(fā)電機(jī)出力影響不大，但會造成氫冷器氫氣出口溫度偏差很大。目前各電廠處理氫氣冷卻器泄漏，一般采用堵頭封堵有泄漏的冷卻器管，會造成可利用冷卻器管減少，冷卻器冷卻效果下降；而對于運(yùn)行年數(shù)長的發(fā)電機(jī)，在機(jī)組停運(yùn)檢修時(shí)，應(yīng)徹底更換新的冷卻器。

密封瓦空側(cè)：密封油系統(tǒng)油氫差壓低或密封瓦出現(xiàn)故障時(shí)，密封瓦氫側(cè)向空側(cè)竄油，進(jìn)入空側(cè)的密封油回油流到軸承回油箱，回到潤滑油箱，氫氣隨主油箱排油煙風(fēng)機(jī)排入大氣?？赏ㄟ^調(diào)整密封油油氫差壓至正常值來處理，若是油氫差壓閥故障，則通過檢修或更換油氫差壓閥恢復(fù)油氫差壓正常；也可檢修密封瓦、更換密封瓦以處理密封瓦故障。

浮子油箱：浮子油箱氫氣內(nèi)漏發(fā)生在浮子油箱浮球卡澀，或密封瓦氫側(cè)回油過少造成浮子油箱油位過低時(shí)，氫氣通過浮子油箱至輔助隔氫箱排放管排向大氣，或與回油混合回到潤滑油箱隨主油箱排油煙風(fēng)機(jī)排入大氣?？赏ㄟ^檢修浮子油箱浮球卡澀或調(diào)整密封油回油量，以處理浮子油箱氫氣內(nèi)漏。

氫氣控制柜、鐵芯監(jiān)測系統(tǒng)、氫氣干燥器及氫氣管路等系統(tǒng)排放閥：此類氫氣泄漏是因排放閥誤開或通過內(nèi)漏致使氫氣經(jīng)相應(yīng)的排放管排向大氣?？赏ㄟ^檢查排放閥狀態(tài)以排除閥門誤開造成氫氣泄漏，閥門內(nèi)漏可通過相應(yīng)系統(tǒng)隔離置換進(jìn)行閥門研磨或更換處理。

4 發(fā)電機(jī)氫氣泄漏分析與處理

某S09FA機(jī)組在正常運(yùn)行中氫氣泄漏量約8 m3/d，然而機(jī)組因調(diào)度負(fù)荷要求，執(zhí)行晚上調(diào)峰停機(jī)、早上啟機(jī)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)投入盤車后至早上啟動(dòng)前，發(fā)電機(jī)氫氣壓力下降過快，早上啟動(dòng)前需進(jìn)行補(bǔ)氫操作，而機(jī)組啟動(dòng)完成后發(fā)電機(jī)氫氣泄漏恢復(fù)正常。以理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算的每天氫氣泄漏量如下：

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

(1)

式中：V為每天發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量，m3/d；p1為試驗(yàn)開始時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣壓力，Pa；pb1為試驗(yàn)開始時(shí)的大氣壓力，Pa；T1為試驗(yàn)開始時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的中間溫度，K；p2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣壓力，Pa；pb2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的大氣壓力，Pa；T2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的中間溫度，K；Z為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，h；Vg為發(fā)電機(jī)容積，根據(jù)發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)資料取85 m3；0.022 414 1為理想氣體的摩爾體積，m3/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 51，J/(mol·K)。

收集機(jī)組正常運(yùn)行或盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的變化參數(shù)，由式(1)可計(jì)算各狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量，見表1。從表1可以看出：機(jī)組盤車狀態(tài)下正常時(shí)，發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量約1.35 m3/d；機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量約6.71 m3/d；機(jī)組盤車狀態(tài)下氫氣泄漏量大時(shí)，發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量約高達(dá)51.59 m3/d，遠(yuǎn)高于表2所示的發(fā)電機(jī)氫氣泄漏標(biāo)準(zhǔn)中不合格最大泄漏量15.75 m3/d，這說明機(jī)組盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量嚴(yán)重，存在嚴(yán)重的安全隱患，須進(jìn)行分析處理。

表1 各狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量

表2 發(fā)電機(jī)氫氣泄漏標(biāo)準(zhǔn)[最大氫氣泄漏量V/(m3/d)]

4.1 發(fā)電機(jī)氫氣泄漏漏點(diǎn)分析

機(jī)組盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量大，須分析尋找泄漏點(diǎn)并進(jìn)行處理，可依次從常見的發(fā)電機(jī)氫氣外漏和內(nèi)漏重點(diǎn)部位進(jìn)行排查。

在發(fā)電機(jī)集電環(huán)側(cè)和氫氣控制柜設(shè)置氫氣探頭，機(jī)組正常運(yùn)行和盤車狀態(tài)下氫氣探頭數(shù)值為0，這說明發(fā)電機(jī)集電環(huán)和氫氣控制柜無氫氣泄漏。在機(jī)組盤車狀態(tài)下利用氫氣檢測儀對發(fā)電機(jī)氫氣外漏重點(diǎn)部位進(jìn)行檢修，如：發(fā)電機(jī)人孔門，發(fā)電機(jī)本體結(jié)合面，發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)相連的管路、閥門、法蘭、儀表及設(shè)備元件，發(fā)電機(jī)兩軸端軸承中分面及發(fā)電機(jī)兩端密封瓦等，未檢測到氫氣濃度，且機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量正常，這足以排除發(fā)電機(jī)氫氣外漏是造成機(jī)組盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量大的原因。

機(jī)組正常運(yùn)行和盤車狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)出口封閉母線氫氣在線監(jiān)測系統(tǒng)未檢測到氫氣濃度，且機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量正常，這排除了發(fā)電機(jī)出線套管氫氣泄漏。雖然該機(jī)組未在閉式水系統(tǒng)安裝氫氣檢測探頭，進(jìn)而無法在線監(jiān)視判斷氫氣冷卻器是否泄漏，但是如果機(jī)組正常運(yùn)行和盤車時(shí)，發(fā)電機(jī)氫氣壓力略高于氫氣冷卻器冷卻水壓力，且機(jī)組運(yùn)行的氫氣溫度高于盤車時(shí)的氫氣溫度，所以機(jī)組運(yùn)行時(shí)的發(fā)電機(jī)氫氣壓力高于盤車時(shí)的氫氣壓力，然而盤車時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏大而運(yùn)行時(shí)正常，這就反向排除了氫氣冷卻器泄漏?，F(xiàn)場檢查氫氣控制柜、鐵芯監(jiān)測系統(tǒng)、氫氣干燥器及氫氣管路等系統(tǒng)排放閥狀態(tài)正常，用氫氣檢測儀在各排放閥排放口檢測，未發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏，且機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量正常，這排除了排放閥門誤開或閥門內(nèi)漏造成氫氣泄漏。檢查機(jī)組正常運(yùn)行和盤車狀態(tài)下，浮子油箱系統(tǒng)閥門狀態(tài)正常、浮子油箱油位正常，即可排除浮子油箱浮球卡澀或密封瓦氫側(cè)回油過少造成氫氣從浮子油箱排空系統(tǒng)泄漏。分析至此，可將發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏泄漏部位聚焦在密封瓦空側(cè)，收集與發(fā)電機(jī)密封瓦空側(cè)相關(guān)的參數(shù)曲線，見圖2。由圖2可知，盤車狀態(tài)下的排油煙風(fēng)機(jī)電流大于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的電流，這說明盤車狀態(tài)下確實(shí)存在密封瓦氫側(cè)向空側(cè)竄油，進(jìn)入空側(cè)的密封油回油流到軸承回油箱，回到潤滑油箱，隨主油箱排油煙風(fēng)機(jī)排入大氣造成發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量大。進(jìn)一步分析密封瓦空側(cè)氫氣泄漏的原因，從機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏正常，排除發(fā)電機(jī)兩軸端密封瓦故障，圖2中盤車狀態(tài)下油氫差壓低于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，接近臨界油氫差壓。至此，確定盤車狀態(tài)下密封油油氫差壓低是造成發(fā)電機(jī)氫氣泄漏大的主要原因。

4.2 油氫差壓低處理

確定機(jī)組盤車狀態(tài)下密封油油氫差壓低是造成發(fā)電機(jī)氫氣泄漏大的主要原因。從圖2可知，盤車狀態(tài)下的油氫差壓小于機(jī)組正常運(yùn)行的油氫差壓，經(jīng)分析機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的油氫差壓值可實(shí)現(xiàn)密封瓦空側(cè)正常，檢修可利用機(jī)組調(diào)峰停機(jī)期在盤車狀態(tài)下調(diào)整油氫差壓至正常運(yùn)行的0.054 kPa，油氫差壓調(diào)整前后相關(guān)參數(shù)比較見表3。從表3可以看出，油氫差壓調(diào)整后，機(jī)組帶負(fù)荷正常運(yùn)行的油氫差壓由0.054 kPa上升至0.066 kPa，主油箱排油煙風(fēng)機(jī)電流變化量較油氫差壓調(diào)整前減少0.092 A，這說明油氫差壓調(diào)整后，盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量減小，機(jī)組盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量見表4。從表4可知，油氫差壓調(diào)整后機(jī)組盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量約由51.59 m3/d下降至0.92 m3/d，與之前機(jī)組盤車狀態(tài)下正常時(shí)的發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量約為1.35 m3/d相比較，油氫差壓調(diào)整后，發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量恢復(fù)正常。

圖2 發(fā)電機(jī)密封瓦空側(cè)相關(guān)的參數(shù)

表3 油氫差壓調(diào)整前后相關(guān)參數(shù)比較

表4 油氫差壓調(diào)整后發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量

5 結(jié)論

綜上所述，發(fā)電機(jī)氫氣泄漏危害大，泄漏途徑有發(fā)電機(jī)氫氣外漏和內(nèi)漏，通過對常見發(fā)電機(jī)氫氣泄漏重點(diǎn)部位進(jìn)行分析排查，可確認(rèn)發(fā)電機(jī)油氫差壓低是造成盤車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量大的主要原因，這為檢修判斷提供參考方向，可保證機(jī)組安全運(yùn)行。隨著智慧化電廠建設(shè)的不斷發(fā)展，針對發(fā)電機(jī)氫氣泄漏故障排查診斷提出以下建議。

第一，發(fā)電機(jī)氫氣外漏重點(diǎn)部位安裝氫氣監(jiān)測探頭，遠(yuǎn)傳至控制系統(tǒng)，并設(shè)置相應(yīng)報(bào)警。在發(fā)電機(jī)兩軸端、氫氣控制柜及發(fā)電機(jī)底部易聚集氫氣的空間安裝氫氣監(jiān)測探頭。

第二，發(fā)電機(jī)氫氣內(nèi)漏重點(diǎn)部位安裝氫氣監(jiān)測探頭，遠(yuǎn)傳至控制系統(tǒng)，并設(shè)置相應(yīng)報(bào)警。在發(fā)電機(jī)出線箱與封閉母線連接處、鐵芯監(jiān)測系統(tǒng)排放口、氫氣系統(tǒng)排空處、冷卻水箱內(nèi)及主油箱排油煙風(fēng)機(jī)屋頂排放口等安裝氫氣監(jiān)測探頭。結(jié)合主油箱排油煙風(fēng)機(jī)屋頂排放口氫氣濃度與浮子油箱油位變化，建立密封瓦空側(cè)氫氣泄漏報(bào)警。

第三，根據(jù)建立的氫氣泄漏量計(jì)算模型測算任意時(shí)間段氫氣泄漏量，并設(shè)置趨勢預(yù)警。