發(fā)電機氫氣露點溫度超標(biāo)原因分析及處理

趙紅光

(國電電力邯鄲東郊熱電有限責(zé)任公司,河北 邯鄲 057550)

1 概述

在氫氣含水量及壓力均不變的前提下,氫氣冷卻至飽和溫度時,氫氣中的水分將凝結(jié)為水滴,這一飽合溫度稱為露點溫度[1]。氫氣露點溫度是氫冷發(fā)電機的重要監(jiān)視參數(shù),是反映氫氣濕度的重要指標(biāo)。按照規(guī)程要求,氫冷發(fā)電機運行過程中應(yīng)維持露點溫度低于0℃,以確保氫冷發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。

邯鄲東郊1號、2號發(fā)電機采用北重生產(chǎn)的T255-460/350三相交流型同步汽輪發(fā)電機,采用水-氫-氫冷卻方式,配備一套XFG-1F吸附式氫氣干燥器。發(fā)電機氫氣系統(tǒng)采用閉式氫氣循環(huán)系統(tǒng),氫氣冷卻器采用閉式冷卻水冷卻,熱氫通過4組氫氣冷卻器冷卻。發(fā)電機密封油系統(tǒng)采用單流環(huán)式密封油系統(tǒng),其中,油氣分離器、密封油排煙風(fēng)機、密封油真空泵主要用于排除密封油中氫氣、水蒸氣、油煙等雜質(zhì),確保密封油運行安全。發(fā)電機密封瓦結(jié)構(gòu)(見圖1)由密封瓦座和2個密封環(huán)組成。軸密封油由下半密封座進(jìn)入供油槽,流經(jīng)2個油封環(huán)和發(fā)電機軸之間的間隙,然后分別在氫氣側(cè)(簡稱“氫側(cè)”)和空氣側(cè)(簡稱“空側(cè)”)流出。氫側(cè)回油匯集在下半軸承座內(nèi),被抽向密封油回油系統(tǒng)?？諅?cè)回油匯集在下半軸承座內(nèi),與軸承潤滑油一同進(jìn)入潤滑油回油系統(tǒng)。

圖1 發(fā)電機密封瓦結(jié)構(gòu)示意

2 異?，F(xiàn)象

2號機組投運以來,氫氣露點溫度經(jīng)常升高至4℃,特別是夏季運行時,露點溫度更高,月度合格率嚴(yán)重偏低,對發(fā)電機安全運行存在較大隱患。

通過不斷分析、排查,逐漸發(fā)現(xiàn)一些參數(shù)之間的變化關(guān)系,經(jīng)過進(jìn)一步梳理系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)氫氣露點溫度與機組負(fù)荷、汽端密封油回油漏氫報警、密封油排煙風(fēng)機管道排污、干燥器冷卻水存在一定的關(guān)系。

機組負(fù)荷在200 MW以下運行,氫氣露點溫度可維持在一合格數(shù)值正常波動,不會有明顯的升高;機組負(fù)荷在230 MW以上時,特別是更高負(fù)荷長期運行,氫氣露點溫度會嚴(yán)重惡化,見圖2。

圖2 氫氣露點溫度與機組負(fù)荷關(guān)系

在發(fā)電機氫油壓差不變情況下,汽端回油管道漏氫報警達(dá)到上限值4%時,氫氣露點溫度逐漸升高而超標(biāo),此時密封油排煙風(fēng)機前后管道內(nèi)會有大量積水。經(jīng)排污后,漏氫報警值快速消失,氫氣露點溫度會逐漸下降并大幅好轉(zhuǎn),見圖3。

圖3 氫氣露點溫度與汽端密封油回油漏氫關(guān)系

采用吸附式氫氣干燥器進(jìn)行干燥,氫氣濕度隨冷卻水溫度、壓力的變化而變化。夏季,閉冷水溫度較高,氫氣露點溫度比冬季高4～8℃。2020年9月1日發(fā)電機C級修修期間,用2號發(fā)電機閉冷水串帶1號發(fā)電機操作時,閉冷水壓力從0.7 MPa下降至0.64 MPa,氫氣露點溫度從-4℃升至0℃以上,經(jīng)連續(xù)排污處理也只能勉強維持在-2℃左右,見圖4。

圖4 氫氣露點溫度與閉冷水關(guān)系

3 原因分析

3.1 原因排查

3.1.1 氫氣濕度增加的可能性因素

從發(fā)電機各系統(tǒng)關(guān)系來分析,認(rèn)為可能導(dǎo)致氫氣濕度增加的原因主要有以下幾個方面。

(1)氫氣冷卻器存在泄漏,閉冷水漏至發(fā)電機內(nèi);

(2)定子繞阻有滲漏點,定冷水漏至發(fā)電機內(nèi);

(3)油中帶水導(dǎo)致密封油中水蒸氣增大、油煙進(jìn)入氫氣系統(tǒng)中;

(4)補氫站氫罐中的氫氣含水量超標(biāo);

(5)氫氣干燥器干燥效果差,未能及時將氫氣中水分去除;

(6)發(fā)電機氫氣干燥器再生冷卻器滲漏,冷卻水漏至氫氣中返回發(fā)電機內(nèi)。

3.1.2 排查分析

逐一對可能導(dǎo)致氫氣濕度增加的原因進(jìn)行排查,通過現(xiàn)場分析,逐一排除了氫氣冷卻器、干燥器、定冷水、購置氫氣對露點溫度的影響,認(rèn)為氫氣中水分來自油中帶水。

(1)若氫氣冷卻器滲漏較大,發(fā)電機氫氣冷卻器檢漏門放水就會有水,而現(xiàn)場檢查無水。若其輕微滲漏,也會造成氫氣濕度增大。2020年4-5月,對2號機4組氫冷器分別進(jìn)行單組退出試驗,氫氣濕度無變好趨勢,故可排除氫氣冷卻器滲漏原因。

(2)1號、2號發(fā)電機定冷水箱均存在氫氣集聚報警現(xiàn)象,可以初步判斷發(fā)電機定冷水系統(tǒng)存在一定的滲漏。正常情況下,氫氣(0.4 MPa)比定冷水(0.25 MPa)壓力高,若存在滲漏,氫氣漏入定冷水系統(tǒng)可能性較大。目前1號發(fā)電機雖然同2號機一樣存在定冷水箱氫氣報警現(xiàn)象,但1號發(fā)電機氫氣露點溫度始終保持在比較高的合格水平。另外,發(fā)電機內(nèi)有滲漏水時油水監(jiān)視器也會報警,實際上油水監(jiān)視器無報警,排污同樣無油水。因此,可排除定冷水系統(tǒng)滲漏。

(3)對2號發(fā)電機軸瓦回油窺視窗觀察,發(fā)現(xiàn)水珠數(shù)量明顯多于1號發(fā)電機;2號主油箱排煙風(fēng)機入口溢流管連續(xù)滴水以及通過主油箱濾油機、密封油排煙風(fēng)機出入口管等處放水,均可發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機油中含水嚴(yán)重。汽輪機主機潤滑油中水來源一般有2種,一種冷油器泄漏,另一種是軸封漏汽量大,蒸氣串入軸瓦回油中?，F(xiàn)場切換冷卻器后無明顯變化,查看循環(huán)水系統(tǒng)也未發(fā)現(xiàn)有明顯油花,可以確定油中水來自軸封漏氣。

(4)對每次來氫化驗,新氫露點溫度在-25℃左右,滿足DL/T 1164-2012《汽輪發(fā)電機運行導(dǎo)則》對補充新氫氣的標(biāo)準(zhǔn)要求,且每次發(fā)電機補氫后氫氣濕度未見明顯變化。1、2號發(fā)電機共用一套補氫系統(tǒng),若有問題都會受影響[2]。因此,可排除補充氫氣存在質(zhì)量問題的因素。

(5)現(xiàn)場使用便攜式氫氣濕度儀,對2號發(fā)電機氫氣干燥器進(jìn)出管氫氣進(jìn)行采樣化驗,經(jīng)與1號發(fā)電機氫氣干燥器干燥效果對比,確認(rèn)2號發(fā)電機氫氣干燥器干燥效果正常。運行過程中,對1號、2號發(fā)電機氫氣干燥器凝結(jié)水12 h收集試驗發(fā)現(xiàn),1號發(fā)電機約收集到200 mL,2號發(fā)電機約收集到500 mL。證實2號發(fā)電機氫氣濕度大,且干燥器去除水分效果明顯。2020年機組C修時,分別對2臺發(fā)電機氫氣干燥器吸附塔更換干燥劑,發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機干燥劑雖然比1號發(fā)電機失效稍重(主要是2號發(fā)電機氫氣濕度大、干燥劑長期超出力工作所致),但總體上干燥劑還算良好。

(6)若發(fā)電機氫氣干燥器再生冷卻器存在滲漏,冷卻水進(jìn)入氫氣內(nèi),會進(jìn)一步增大氫氣中的水蒸氣,隨再生后氫氣返回發(fā)電機氫氣系統(tǒng)內(nèi),這時干燥器出口管氫氣濕度就會增大。通過現(xiàn)場實際測得的2號發(fā)電機干燥器出口管濕度與1號發(fā)電機相近。可排除此處滲漏的可能。

3.2 影響過程分析

3.2.1 機組負(fù)荷升高對氫氣濕度的影響

機組負(fù)荷高時,高中壓缸內(nèi)壓力升高、軸封漏氣量增大,軸封漏氣串至軸瓦中,隨潤滑油回油進(jìn)入主油箱,水蒸氣進(jìn)入主油箱后,一部分通過主油箱排煙風(fēng)機排出,一部分將融入油中。主油箱內(nèi)融有大量水蒸氣的油,經(jīng)過冷油器冷卻后(40℃左右)進(jìn)入真空油箱[3],大部分水融在密封油中。帶水的密封油通過密封油泵進(jìn)入密封瓦后,油溫升高至65℃左右,油中水分變成大量水蒸氣,形成大量含水蒸氣的油煙。

當(dāng)密封油帶水時,由于密封油與發(fā)電機氫氣相接觸[3-4],氫側(cè)密封瓦內(nèi)油煙與氫氣互串,一小部分通過氫側(cè)密封瓦進(jìn)入發(fā)電機內(nèi)氫氣中,一大部分隨密封油回流至壓力油箱。含有氫氣水蒸氣的混合氣體,在壓力油箱內(nèi)分離后,通過壓力油箱返氫管回到發(fā)電機內(nèi),從而增大了發(fā)電機內(nèi)部氫氣的濕度。壓力油箱內(nèi)油通過浮子閥排至油氣分離箱內(nèi)再次進(jìn)行分離,分離出的油煙等氣體通過密封油排煙風(fēng)機排出,下部的油則流回主油箱?？諅?cè)密封瓦內(nèi)回油中含有大量的油煙,在密封瓦回油管道內(nèi)由密封油排煙風(fēng)機排出,回油流回主油箱。

3.2.2 排煙風(fēng)機管道積水對氫氣露點溫度的影響

2號發(fā)電機運行過程中,由于密封油含水量偏大,形成大量的含有水蒸氣的油煙。在空側(cè)密封油回油管內(nèi)被密封油排煙風(fēng)機抽到排煙風(fēng)機管道內(nèi)。隨著排煙風(fēng)機管道內(nèi)溫度逐漸降低,含有水蒸氣的部分油煙在密封油排煙風(fēng)機管道內(nèi)冷凝成水,凝結(jié)水匯集在密封油排煙風(fēng)機下部入口的U形管處。

密封油排煙風(fēng)機管道積水后,密封油排煙風(fēng)機管道不暢會逐漸加快凝結(jié)過程直至形成阻塞。正?？諅?cè)回油管內(nèi)含有少量的氫氣在密封油排煙風(fēng)機下部入口U形管積水堵塞后,聚集在排煙風(fēng)機入口管道內(nèi),無法排向室外,從而造成漏氫測點報警(漏氫測點安裝在排煙風(fēng)機入口管道上,距離排煙風(fēng)機約2 m)。2號發(fā)電機密封油回油管道漏氫報警后,管道排污時能夠放出20 L的油水,密封油排煙風(fēng)機回油管道直徑約12 c m,下部入口U型管長約1.6 m,按排出的水量計算這段管內(nèi)充滿了油水。

管道內(nèi)積水排除后,聚集的氫氣通過密封油排煙風(fēng)機排出,油中分離出的氫氣在管道內(nèi)不聚集,漏氫報警自然消失。

密封油排煙風(fēng)機管道通暢時,一方面油氣分離箱分離出的水蒸氣直接被排向外部,減少了返回主油箱油中含水量;另一方面,空側(cè)回油管道內(nèi)形成一定的負(fù)壓,空側(cè)回油順暢、油量有一定的增加,含水油煙大部分抽向空側(cè)回油并在回油管道內(nèi)被徹底排出。這樣整個油系統(tǒng)進(jìn)行不斷的良性循環(huán),可以確保氫氣露點溫度逐漸降低并最終達(dá)到一個平衡點。

3.3 原因確定

3.3.1 密封油帶水

根據(jù)運行經(jīng)驗:除軸封漏氣與機組負(fù)荷變化高度相關(guān)外,其它各原因與機組負(fù)荷關(guān)系不大。所以可以斷定2號機組油中帶水是由于軸封漏氣導(dǎo)致的。

汽輪機軸封安裝不良、間隙調(diào)整不當(dāng)、運行過程中軸封齒磨損等原因,都可能導(dǎo)致軸封漏氣量增大。軸封漏氣增大時,大量蒸汽會通過汽輪機軸瓦回油進(jìn)入油系統(tǒng),導(dǎo)致汽輪機油中帶水[2]。密封油取自汽輪機主油泵來油,油中帶水必然造成密封油中帶水。

機組高負(fù)荷時,軸封不斷向油中漏氣、增大油中水分。含水密封油在汽輪機工作過程中、溫度升高,油中水分變成水蒸氣,從而在密封瓦處與氫氣互串,密封油氫側(cè)回油中含有大量氫氣水蒸氣的混合氣體回到壓力油箱,在壓力油箱內(nèi)分離后返回發(fā)電機內(nèi),造成發(fā)電機氫氣濕度增加,嚴(yán)重時必然導(dǎo)致超標(biāo)。

3.3.2 密封油排煙風(fēng)機管道積水

密封油帶水后,會造成含有大量水蒸氣的油煙在密封油排煙風(fēng)機管道內(nèi)凝結(jié)成水、最終造成管道阻塞,致使密封油排煙風(fēng)機工作效率急劇下降。

密封油排煙風(fēng)機管道阻塞后,空側(cè)回油管道內(nèi)壓力有所升高、空側(cè)回油油煙減少,大部分油煙被排擠至氫側(cè)回油中,增加的氫側(cè)回油油煙全部進(jìn)入壓力油箱,分離后通過返氫管回到發(fā)電機氫氣系統(tǒng)中,引起氫氣濕度急劇升高最終導(dǎo)致超標(biāo)。

另外,大量含水油煙在排煙風(fēng)機管道阻塞后無法通過密封油排煙風(fēng)機排出,就會隨回油流回主油箱并逐漸使油乳化,進(jìn)一步加重主油箱油中含水量,這種過程周而復(fù)始,造成油中帶水惡性循環(huán)。

4 處理措施及效果

利用機組檢修機會,對汽輪機汽封齒進(jìn)行逐一檢查,有損壞的及時更換,間隙不合適的及時調(diào)整更換。徹底解決油中帶水的問題。由于解決汽封的問題需要汽輪機揭缸后方可處理,目前尚不具備徹底解決的條件,因此采取以下臨時措施。

4.1 制定并執(zhí)行濾油排水制度

加強主油箱濾油機濾油,及時排除濾油機濾出的水。根據(jù)濾油機運行狀況及時更換濾芯,確保主油箱濾油機工作效率。加強油系統(tǒng)化驗監(jiān)督,準(zhǔn)確掌握油中含水情況,必要時增加移動濾油機強化濾油,嚴(yán)防油質(zhì)惡化損壞汽輪機軸瓦。

定期對主油箱排煙風(fēng)機管道疏水,確保主油箱排煙風(fēng)機工作正常,能夠及時排除主油箱內(nèi)含有水蒸氣的油煙。每日對2號發(fā)電機密封油排煙風(fēng)機出、入口排污手動門進(jìn)行定期排污,確保密封油排煙風(fēng)機管道暢通,確保密封油排煙風(fēng)機排煙效果。

2號發(fā)電機組運行過程中,根據(jù)發(fā)電機氣端回油漏氫報警測點數(shù)值以及氫氣露點溫度情況,必要時增加對密封油排煙風(fēng)機進(jìn)出口管道疏水次數(shù)。對密封油排煙風(fēng)機管道及時充分排污后,排煙風(fēng)機回路管道暢通,對密封油系統(tǒng)可以形成良好循環(huán)。

4.2 監(jiān)視干燥器出氫濕度,來氫進(jìn)行化驗

使用便攜式氫氣濕度測試儀定期監(jiān)視干燥器出氫濕度,確保干燥器干燥效果,以不斷除去發(fā)電機內(nèi)部氫氣中的水蒸氣。按照設(shè)計壽命氫氣干燥劑需要3年更換一次。但目前由于2號機組氫氣濕度增大、干燥劑處于超負(fù)荷工作,必然會縮短干燥劑的壽命。因此需要備足干燥劑,根據(jù)運行累計時間或?qū)崪y出干燥效果變差后,利用停機機會及時更換,確保氫氣干燥器始終具有良好的干燥效果。

干燥器冷卻水冷卻能力降低后,在固定的再生時間內(nèi),再生氫氣中的水分無法全部冷凝,部分殘存水蒸氣回流至氫氣系統(tǒng),造成氫氣濕度增大、露點溫度有所升高。冷卻水濕度對露點溫度影響較大[5],夏季冷卻水溫度升高,在冷卻水量、流速不變情況下,冷卻水冷卻能力降低;同時其他冷卻水用戶用水量增大后導(dǎo)致冷卻水壓力降低,干燥器再生冷卻器內(nèi)冷卻水流速降低、流量減小,冷卻水冷卻能力同樣會降低。因此,針對目前這種情況,可引一路空調(diào)冷凍水做為2號發(fā)電機氫氣干燥器的備用冷卻水源。在未徹底解決問題前,夏季運行時可切換為備用水源冷卻,以確保氫氣干燥器的干燥效果。

加強新購置氫氣入廠化驗,確保來氫品質(zhì)合格,保證補入發(fā)電機氫氣系統(tǒng)內(nèi)的氫氣品質(zhì)合格。

4.3 處理效果

2020年10月初,通過試驗確定每天對密封油排煙風(fēng)機管道定期徹底排污一次后,2號發(fā)電機氫氣露點溫度可維持在-8℃穩(wěn)定運行,整月氫氣露點溫度合格率提升至100%。圖5為氫氣露點溫度歷史曲線,露點溫度突然升高位置經(jīng)現(xiàn)場核實是未嚴(yán)格執(zhí)行排污規(guī)定,排污不徹底,管道積水所致,經(jīng)手動排污后快速降低。

圖5 定期排污后發(fā)電機氫氣露點溫度趨勢

5 結(jié)束語

通過分析、查找、現(xiàn)場驗證,認(rèn)為2號發(fā)電機氫氣露點溫度超標(biāo)的根本原因為汽輪機軸封漏氣、密封油帶水量大,導(dǎo)致密封油排煙風(fēng)機管道積水、阻塞,密封油回油中含水蒸氣油煙通過氫側(cè)回油返回發(fā)電機氫氣系統(tǒng)。通過采取臨時處理措施,氫氣露點溫度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。接下來要嚴(yán)格執(zhí)行密封油排煙風(fēng)機管道定期排污工作,確保密封油排煙風(fēng)機良好的抽吸作用,并盡快安排徹底處理軸封漏氣問題、消除油中帶水現(xiàn)象,從根本上解決氫氣露點溫度超標(biāo)的問題,以確保氫冷發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。