百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)漏氫分析及處理

姚嘉俊

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì),90 %以上的國內(nèi)百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組均采用東方電氣集團(tuán)ALSTOM技術(shù)生產(chǎn)的半轉(zhuǎn)速大型汽輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)采用水-氫-氫冷卻技術(shù),即定子線圈(包括定子引線、定子過渡引線和出線)水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子線圈氫內(nèi)冷、定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件氫氣表面冷卻的方式；在額定壓力0.3 MPa下充氫體積142 m3。

氫氣嚴(yán)密性是保障發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)。發(fā)電機(jī)漏氫可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部部件溫度升高,影響設(shè)備壽命,同時(shí)氫氣是一種易燃易爆氣體,極易造成人員傷亡和設(shè)備損壞。國內(nèi)外百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組曾多次發(fā)生因發(fā)電機(jī)氫氣泄漏而被迫停機(jī)檢修的事件,造成較大經(jīng)濟(jì)損失。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,漏氫初期僅能觀察到泄漏量變大、補(bǔ)氫頻率增加等表象,往往很難第一時(shí)間定位到漏點(diǎn),導(dǎo)致出現(xiàn)查漏、堵漏困難及干預(yù)被動(dòng)的局面。因此,有必要對(duì)水-氫-氫冷發(fā)電機(jī)的漏氫機(jī)理和干預(yù)措施進(jìn)行分析研究。

1 發(fā)電機(jī)漏氫的可能途徑

1.1 發(fā)電機(jī)氫氣直接外漏

直接外漏,即發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣通過發(fā)電機(jī)端蓋與基座結(jié)合面、上下端蓋結(jié)合面、固定端蓋的螺孔等漏點(diǎn)直接泄漏到環(huán)境中。該型漏點(diǎn)發(fā)生可能性大、范圍廣,漏點(diǎn)定位較難。通過收集多個(gè)發(fā)電機(jī)漏氫處理案例發(fā)現(xiàn),發(fā)電機(jī)軸承端蓋中分面、各法蘭連接部件螺栓等部位極易發(fā)生漏氫現(xiàn)象。

(1) 發(fā)電機(jī)各軸承端蓋中分面泄漏。發(fā)電機(jī)軸承端蓋與本體的連接一般采用法蘭結(jié)合連接,可能由于法蘭連接力矩不足、結(jié)合面存在異物、結(jié)合面損傷或變形等因素導(dǎo)致密封性能下降,氫氣從微小的縫隙中漏出。中分面泄漏一般呈現(xiàn)線狀漏點(diǎn),泄漏量較大。以實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,一條約10 cm長(zhǎng)的中分面泄漏,使用探測(cè)儀器測(cè)得的泄漏量達(dá)到20 % LEL (LEL是low explosion level的縮寫,意為“爆炸下限”,對(duì)于氫氣來說,1 % LEL為0.04 % (氫氣在空氣中的體積百分比)。20 % LEL為一般漏量大小)時(shí),對(duì)發(fā)電機(jī)整體氫氣泄漏量的貢獻(xiàn)約為10 m3/天(標(biāo)準(zhǔn)條件下,下同)。

(2) 法蘭連接部件螺栓泄漏。發(fā)電機(jī)結(jié)合部件的法蘭連接螺栓泄漏是另一種較為常見的外漏,一般原因?yàn)榉ㄌm螺栓力矩不足,螺紋結(jié)合面存在制造瑕疵,或者安裝時(shí)存在安裝缺陷等原因?qū)е?。法蘭螺栓屬于螺紋連接,氫氣從不嚴(yán)密的螺紋縫隙處漏出,為點(diǎn)狀泄漏,漏量一般較小。使用探測(cè)儀器測(cè)得的泄漏量達(dá)到50 % LEL時(shí),對(duì)發(fā)電機(jī)整體氫氣泄漏量的貢獻(xiàn)約為2 m3/天。

1.2 密封組件內(nèi)漏

發(fā)電機(jī)密封瓦座與端蓋的垂直接合面之間的密封組件也是較易漏氫的部位之一?，F(xiàn)代百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)均采用密封組件(密封瓦+密封齒)與密封油結(jié)合的綜合密封方式。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的過程中,內(nèi)部密封油壓比氫壓大50 kPa左右,同時(shí)密封組件設(shè)計(jì)有密封膠條,使基座與端蓋兩個(gè)剛性組件之間建立柔性過盈連接,可進(jìn)一步減少漏氫的概率；如若密封膠條失效,還能夠通過在線操作往密封膠槽注入密封膠的方式進(jìn)行補(bǔ)漏,以此替代密封膠條的功能。

但是,密封組件一旦失效,所導(dǎo)致的氫氣泄漏量較大。密封組件失效初期表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)軸瓦潤滑油系統(tǒng)回油管線、密封油系統(tǒng)回油排煙口可以探測(cè)到氫氣。原因是在汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí),為了避免潤滑油從軸承處甩出,發(fā)電機(jī)潤滑油箱一般保持負(fù)壓,確保潤滑油回流至油箱內(nèi),但這也導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部在發(fā)生氫氣泄漏時(shí)會(huì)往潤滑油箱聚集,由此帶來較大的氫爆風(fēng)險(xiǎn)。

2020年,國內(nèi)某百萬千瓦級(jí)核能發(fā)電機(jī)組大修并網(wǎng)后,發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量測(cè)得12.63 m3/天,兩天后升高至18.30 m3/天。在進(jìn)行發(fā)電機(jī)氫氣泄漏點(diǎn)排查過程中,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端蓋螺栓3處點(diǎn)狀直接外漏點(diǎn),使用金屬膠進(jìn)行堵漏后泄漏量仍處于較高水平；之后參考同行電廠的排查經(jīng)驗(yàn),對(duì)發(fā)電機(jī)軸瓦潤滑油回油管線進(jìn)行氫濃度測(cè)量,最終定位到7瓦軸承潤滑油回油管線氫濃度約為0.16 % (氫氣在空氣中的體積百分比),據(jù)此判斷為該處密封組件失效,相關(guān)泄漏排查數(shù)據(jù)見表1。在該事件中據(jù)保守估算,7瓦潤滑油回油管線氫氣泄漏量為14.63 m3/天,屬于大型漏點(diǎn)。

表1 密封組件失效時(shí)氫濃度測(cè)量值 %

1.3 定子冷卻水線棒泄漏

發(fā)電機(jī)定子繞組采用水內(nèi)冷,鐵芯采用氫氣外冷。氫氣與水之間通過銅制線棒隔開,旨在避免冷卻水漏入發(fā)電機(jī)內(nèi)部引發(fā)短路事故。通過表壓傳感器測(cè)得定子空腔導(dǎo)線內(nèi)的冷卻水壓約為250 kPa,低于發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓300 kPa。當(dāng)冷卻線棒出現(xiàn)沙眼或者接頭焊縫處存在缺陷時(shí),可能造成氫氣進(jìn)入冷卻水中,隨著定子冷卻水流動(dòng)并最終在定冷水箱處聚集。定冷水漏氫的現(xiàn)象為：漏氫量的大小隨定冷水壓波動(dòng)而波動(dòng),在定冷水箱排氣閥處可測(cè)出較高濃度的氫含量。

以某電廠發(fā)電機(jī)定子冷卻水泄漏為例,在初期發(fā)電機(jī)氫氣泄漏率突然達(dá)到30 m3/天,排查的過程中發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏量與定冷水壓力存在反比關(guān)系,頭箱壓力上漲則泄漏量下降,為了避免定冷水系統(tǒng)超壓,頻繁進(jìn)行泄壓,泄壓過程中,泄壓口探測(cè)到較高濃度的氫氣。停機(jī)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行打壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)線棒上一處φ5的穿孔,初步分析為發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間該處線棒與基座長(zhǎng)期碰磨導(dǎo)致。

2 發(fā)電機(jī)漏氫的干預(yù)措施

2.1 安全準(zhǔn)則

按照ALSTOM廠家設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,其生產(chǎn)的百萬千瓦級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)組(適用于包括TA-1100-78等多種型號(hào))的額定工作氫壓為300 kPa,該工況下的泄漏量應(yīng)小于等于18 m3/天,一般未出現(xiàn)任何漏點(diǎn)的發(fā)電機(jī)啟機(jī)后泄漏率為8～10 m3/天,超出11～12 m3/天時(shí)就應(yīng)該組織進(jìn)行查漏。

廠家安裝技術(shù)要求為：發(fā)電機(jī)整體氣密性試驗(yàn)24 h,折算成0 ℃時(shí)的壓降小于2 kPa合格,這也是歷次發(fā)電機(jī)解體大修后的啟動(dòng)前氦氣保壓檢查的必檢項(xiàng)目。氣密性試驗(yàn)24 h壓降計(jì)算式可寫成：

式中：Δp為24 h真實(shí)壓降,kPa；D為測(cè)試持續(xù)時(shí)間,h；p氫氣1,p氫氣2為測(cè)試起始、結(jié)束時(shí)機(jī)內(nèi)氫氣壓強(qiáng),kPa；t1,t2為測(cè)試起始、結(jié)束時(shí)機(jī)內(nèi)氫氣平均溫度,℃；p大氣1,p大氣2為測(cè)試起始、結(jié)束時(shí)發(fā)電機(jī)周圍大氣壓強(qiáng),kPa。

2.2 發(fā)電機(jī)直接外漏的查漏措施及干預(yù)方式

發(fā)電機(jī)氫氣外漏的檢查方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單,一般情況下可通過肥皂液、噴涂專用檢漏液、高靈敏度可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀來輔助漏點(diǎn)排查。發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)后,可采用涂抹金屬密封膠的工藝進(jìn)行帶壓堵漏,目前采用的密封膠普遍為美國泰特(Tite Seal)公司生產(chǎn)的T25-75型產(chǎn)品或美國ABBEY公司生產(chǎn)的N25-75型產(chǎn)品。待密封膠凝固后監(jiān)測(cè)評(píng)估堵漏效果,如堵漏無效果或漏點(diǎn)擴(kuò)大,應(yīng)及時(shí)停機(jī)處理。

為了避免漏氫聚集引發(fā)氫爆風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于等待停機(jī)檢修的小型漏點(diǎn),可以在漏點(diǎn)處增加防爆風(fēng)機(jī)促進(jìn)區(qū)域空氣流動(dòng),同時(shí)通過控制該區(qū)域的動(dòng)火作業(yè)等方式進(jìn)行管控。

2.3 密封組件泄漏的排查措施及干預(yù)方式

發(fā)電機(jī)密封組件泄漏發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部,難以進(jìn)行在線堵漏,如果漏點(diǎn)較大則應(yīng)該停機(jī)檢修處理。按照行業(yè)慣例,在汽輪機(jī)啟動(dòng)之前,會(huì)通過氦氣檢漏方式對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行一次較為全面的漏點(diǎn)排查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理缺陷,避免帶病啟機(jī)。運(yùn)行期間突發(fā)密封組件失效,較可能的原因是密封膠硬化開裂或者密封線圈老化失效,可以從端蓋中分面注膠孔進(jìn)行注膠堵漏。

不過,采用注膠孔注膠方式進(jìn)行堵漏也存在一定風(fēng)險(xiǎn)。例如國內(nèi)某機(jī)組發(fā)電機(jī)氫氣泄漏量大,經(jīng)排查定位到發(fā)電機(jī)軸瓦端蓋密封膠失效導(dǎo)致氫氣內(nèi)漏。采用注膠孔注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)漏,注膠過程中發(fā)現(xiàn)膠水在加壓到30 MPa時(shí)仍無法注入,且短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏率急劇增大,由注膠前的約26 m3/天,數(shù)小時(shí)內(nèi)急劇上升至58.21 m3/天,被迫停機(jī)檢修。停機(jī)后軸瓦端蓋拆卸后發(fā)現(xiàn),汽端和勵(lì)端端蓋中分面及垂直面密封膠存在嚴(yán)重固化現(xiàn)象,堵住了注入路徑,由于檢修規(guī)程中未對(duì)注膠壓力進(jìn)行明確,30 MPa的強(qiáng)壓使得膠水破壞原油封,氫氣從原油封處漏出。后經(jīng)實(shí)踐得出,路徑暢通的情況下,5 MPa的壓力足以讓膠水進(jìn)入密封槽。

2.4 定冷水線棒泄漏的排查措施及干預(yù)方式

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT,在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),熱力學(xué)溫度T不變,物質(zhì)的量n與理想氣體常數(shù)R為恒定量,則氣體的壓力p與容器的容積V的乘積為定量。

以某次發(fā)電機(jī)氫氣泄漏率高,對(duì)發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行漏點(diǎn)排查的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)氫氣泄漏率約為18 m3/天,屬于偏大漏點(diǎn)。24 h內(nèi)定子冷卻水頭箱壓力由122.1 kPa上漲至124 kPa,頭箱有效容積為0.5 m3,按照pV=nRT來估算,即24 h內(nèi)泄漏到定子冷卻水系統(tǒng)的氫氣量為0.015 m3,換算為標(biāo)準(zhǔn)體積泄漏量為0.018 m3/天,與當(dāng)時(shí)的泄漏量量級(jí)不一致,由此可以初步排除該位置的漏點(diǎn)嫌疑。

發(fā)電機(jī)定子冷卻水漏氫時(shí),如泄漏量較大且無法有效控制,則應(yīng)立即停機(jī)檢修；如發(fā)生微量泄漏,則可采取以下措施維持機(jī)組狀態(tài)：

(1) 在停機(jī)檢修前,盡量不安排可能導(dǎo)致定冷水流量、壓力大幅波動(dòng)的操作,如切換水泵等。

(2) 加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)定冷水相關(guān)參數(shù)的監(jiān)視。氫氣漏入定冷水將主要影響定冷水電導(dǎo)率和pH值,需通過化學(xué)方式對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行密切跟蹤。

(3) 密切監(jiān)視氫氣的壓力和純度,當(dāng)壓力降至補(bǔ)氫定值時(shí),需要及時(shí)安排補(bǔ)氫。補(bǔ)氫壓力不宜過高,否則可能加快泄漏。

(4) 維持發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)與氫氣系統(tǒng)之間的壓差在一恒定值,正常為50 kPa,但為了減少泄漏率可以適當(dāng)降低,但不應(yīng)低于35 kPa。

(5) 定冷水線棒漏入氫氣后,如果在線棒內(nèi)部積聚將削弱其冷卻能力,因此需要關(guān)注線棒層間溫度差,如某個(gè)引出水管線溫差達(dá)到8 ℃時(shí)應(yīng)降低機(jī)組負(fù)荷,達(dá)到12 ℃或者發(fā)電機(jī)定冷水溫度達(dá)到85 ℃時(shí)應(yīng)盡快停機(jī)處理。

3 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)氫氣泄漏已成為影響電力生產(chǎn)安全的一大主要原因,裝配精度、設(shè)備瑕疵、干預(yù)方式方法都可能影響泄漏率的大小。行業(yè)內(nèi)比較成熟的預(yù)防手段包括啟機(jī)前螺栓力矩復(fù)核、氦氣檢漏等。只有不斷總結(jié)同行經(jīng)驗(yàn),分析泄漏原因并進(jìn)行消化、行動(dòng)和再優(yōu)化,形成閉環(huán)控制,才能夠保證快速定位漏點(diǎn),精準(zhǔn)估算漏量,有效實(shí)施干預(yù),在保證安全的前提下提升電力生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。