一起氫氣系統(tǒng)進(jìn)油事故的分析與處理

洪小江，張照亮，石曉民

（贛浙國(guó)華（信豐）發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000）

0 引言

采用氫氣冷卻的發(fā)電機(jī)，為防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)氫氣沿發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向外漏，一般都設(shè)有密封油系統(tǒng)，該系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)密封瓦提供壓力略高于氫壓一定數(shù)值的壓力油，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的可靠密封，同時(shí)對(duì)密封瓦進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。本文針對(duì)某新安裝的660 MW機(jī)組單流環(huán)密封油系統(tǒng)出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)進(jìn)油事故進(jìn)行了排查、分析，確定了氫氣系統(tǒng)進(jìn)油的原因，并提出了改進(jìn)措施，消除了發(fā)電機(jī)進(jìn)油的安全隱患。

1 單流環(huán)密封油系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 單流環(huán)密封油系統(tǒng)流程

如圖1所示，典型的單流環(huán)密封油系統(tǒng)只有1套供油系統(tǒng)，且不分氫氣側(cè)和空氣側(cè)。

圖1 典型的單流環(huán)密封油系統(tǒng)Fig.1 Typical single-ring sealing oil system

正常運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)來(lái)的潤(rùn)滑油進(jìn)入密封油真空油箱，經(jīng)交流密封油泵升壓后由差壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至大于機(jī)內(nèi)氣體壓力0.056±0.02 MPa［1］，并經(jīng)濾網(wǎng)過(guò)濾后進(jìn)入發(fā)電機(jī)密封瓦。

單流環(huán)密封瓦縱向剖面如圖2 所示，其中空氣側(cè)的回油進(jìn)入空氣抽出槽，氫氣側(cè)的回油進(jìn)入擴(kuò)大槽（也稱“膨脹箱”）后再向下流入浮子油箱［2］，而后依靠壓差流入空氣抽出槽（也稱“空氣析出槽”），最后通過(guò)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油套裝油管回到主油箱，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖2 單流環(huán)密封瓦Fig.2 Single-ring sealing tile

系統(tǒng)還配置了1 臺(tái)再循環(huán)油泵，正常運(yùn)行時(shí)吸入來(lái)自真空箱內(nèi)的密封油，經(jīng)處于高度真空狀態(tài)下的真空油箱頂部設(shè)置的噴頭降壓噴霧，析出油中的氣體和水分。真空泵連續(xù)運(yùn)行維持真空油箱中的真空度，并將空氣和水分（水蒸汽）抽出并排放掉［3］。再循環(huán)泵工作時(shí)，通過(guò)管路使真空油箱中的油形成一個(gè)局部循環(huán)回路，從而使油得到更好的凈化。擴(kuò)大槽兩側(cè)和浮子油箱頂部分別引出細(xì)小排氣管，用于密封油啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)氣體置換過(guò)程中排空氣，兩路排氣管匯合后接入氫氣系統(tǒng)排氣管排至主廠房外。

擴(kuò)大槽頂部和發(fā)電機(jī)底部分別引出細(xì)管，接至油水探測(cè)器，用于正常運(yùn)行及氣體置換時(shí)檢查判斷密封油進(jìn)入發(fā)電機(jī)的程度，發(fā)現(xiàn)油水探測(cè)器有油時(shí)，應(yīng)及時(shí)排放并查找原因予以消除。

1.2 密封油系統(tǒng)的油位控制

擴(kuò)大槽安裝于發(fā)電機(jī)底部，用于儲(chǔ)存密封瓦氫氣側(cè)的回油，擴(kuò)大槽油位高于預(yù)定值時(shí)發(fā)報(bào)警。擴(kuò)大槽箱體中部由一隔板分開(kāi)，防止發(fā)電機(jī)兩側(cè)風(fēng)扇出口壓力不平衡產(chǎn)生壓差，造成油氣在發(fā)電機(jī)兩端之間循環(huán)流動(dòng)［4］。箱體上部設(shè)有一根平衡管與浮子油箱連通，用以平衡擴(kuò)大槽與浮子油箱的壓力，保證擴(kuò)大槽回油順暢。隔板兩側(cè)底部回油通過(guò)一個(gè)U 型管連接，向下流入浮子油箱。

氫氣側(cè)回油進(jìn)入浮子油箱，在此分離出的氫氣通過(guò)油箱頂部的平衡管返回至擴(kuò)大槽，密封油則通過(guò)油箱底部的浮子閥排入空氣抽出槽。由于浮子的控制作用，油箱內(nèi)始終維持一定的油位，防止氫氣進(jìn)入空氣抽出槽。

浮子閥的控制原理如圖3 所示，當(dāng)油箱油位逐漸上升時(shí)，浮球帶動(dòng)浮子閥逐漸開(kāi)大直至全開(kāi)，以增大油箱排油量；而當(dāng)油箱油位逐漸降低時(shí)，浮球帶動(dòng)浮子閥逐漸關(guān)小，直至全關(guān)以減小油箱排油量［5］。當(dāng)浮子閥故障時(shí)，易于出現(xiàn)油位失控的現(xiàn)象，此時(shí)可通過(guò)開(kāi)關(guān)浮子油箱旁路一、二次手動(dòng)閥，控制旁路觀察窗油位在1/2處，暫時(shí)維持?jǐn)U大槽正?；赜?。

圖3 浮子閥的控制原理圖Fig.3 Control principle diagram of float valve

發(fā)電機(jī)軸承的回油與密封瓦空氣側(cè)的回油混合后進(jìn)入空氣抽出槽，在此分離出的空氣經(jīng)抽出槽風(fēng)機(jī)和外管線排出，回油通過(guò)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油套裝油管流入主油箱。

密封油真空油箱的油位也通過(guò)一個(gè)進(jìn)油浮子閥自動(dòng)控制，當(dāng)油箱油位逐漸上升時(shí)，浮子閥逐漸關(guān)小直至全關(guān)以減小油箱進(jìn)油量；而當(dāng)油箱油位逐漸降低時(shí)，浮子閥逐漸開(kāi)大直至全開(kāi)以增大油箱進(jìn)油量［6］。當(dāng)浮子閥故障時(shí)，易于出現(xiàn)油位失控的現(xiàn)象，此時(shí)可通過(guò)開(kāi)關(guān)手動(dòng)補(bǔ)油閥暫時(shí)維持正常的油箱油位。

2 某660 MW 機(jī)組單流環(huán)密封油系統(tǒng)調(diào)試問(wèn)題的分析與處理

2.1 問(wèn)題描述

2021 年11 月13 日，該機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行第一階段管道沖洗，發(fā)電機(jī)密封瓦進(jìn)油管斷開(kāi)，通過(guò)臨時(shí)短管連接進(jìn)油母管和擴(kuò)大槽排油管，沖洗流程如下：

汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)→真空油箱→交流密封油泵→濾網(wǎng)→差壓閥旁路→臨時(shí)短接管→擴(kuò)大槽排油管→空氣抽出槽→汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)。［7］

2021 年12 月15 日，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)氫氣匯流排安全閥有油輕微滲出，擴(kuò)大槽出現(xiàn)油位高報(bào)警。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，氫氣系統(tǒng)多處排污閥開(kāi)啟后能放出油，發(fā)電機(jī)密封油已經(jīng)進(jìn)入汽機(jī)房0 m 和6.9 m 層氫氣系統(tǒng)的相關(guān)管道；發(fā)電機(jī)底部油水探測(cè)器和排污口均未檢測(cè)到油，確認(rèn)發(fā)電機(jī)尚未進(jìn)油。

2.2 氫氣系統(tǒng)進(jìn)油原因分析及處理

發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)進(jìn)油，可能造成氫氣攜帶大量密封油進(jìn)入發(fā)電機(jī)，影響定子線圈的絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)使絕緣擊穿，出現(xiàn)匝間或相間短路［8］，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

根據(jù)單流環(huán)密封油系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行的特點(diǎn)，初步確定了以下幾種導(dǎo)致氫氣系統(tǒng)進(jìn)油的可能，并進(jìn)行逐一排查和分析。

2.2.1 密封瓦進(jìn)油壓力過(guò)高

根據(jù)廠家說(shuō)明書，密封油壓應(yīng)比發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體壓力高0.056±0.02 MPa，經(jīng)檢查密封瓦進(jìn)油壓力為0.04 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，排除了密封瓦進(jìn)油壓力過(guò)高的可能。

2.2.2 浮子油箱工作異常導(dǎo)致氫側(cè)回油不暢

浮子油箱工作異常的主要原因有：

1）浮子油箱油位自動(dòng)控制失靈，浮子閥開(kāi)啟在某一開(kāi)度卡住或浮子閥在較高油位時(shí)不能自動(dòng)開(kāi)啟，使浮子油箱和擴(kuò)大槽滿油［9］。

2）發(fā)電機(jī)氣體壓低，導(dǎo)致浮子油箱浮子閥調(diào)節(jié)性能變差，浮子閥不能正常工作，使浮子油箱和擴(kuò)大槽滿油。

3）用以平衡擴(kuò)大槽與浮子油箱壓力的平衡管截止閥未開(kāi)［10］，使浮子油箱上部憋壓，導(dǎo)致浮子閥無(wú)法開(kāi)啟，使浮子油箱和擴(kuò)大槽滿油。

4）密封油回油系統(tǒng)浮子油箱進(jìn)、回油門等閥門誤關(guān)，使氫氣側(cè)密封瓦回油截?cái)唷?/p>

針對(duì)上述原因，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了逐一排查分析：

1）經(jīng)過(guò)逐一核對(duì)，密封油系統(tǒng)閥門狀態(tài)正常，不存在平衡管截止閥誤關(guān)的可能。

2）開(kāi)啟浮子油箱旁路一、二次閥，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大槽和浮子油箱油位無(wú)變化，排除了浮子閥卡澀、失靈或調(diào)節(jié)性能差的影響。

綜上，消除了浮子油箱工作異常導(dǎo)致氫側(cè)回油不暢的疑慮。

2.2.3 設(shè)計(jì)或安裝不合理導(dǎo)致氫側(cè)回油不暢

通過(guò)查閱廠家說(shuō)明書，核對(duì)密封油回油系統(tǒng)管道施工圖，發(fā)現(xiàn)施工圖中擴(kuò)大槽和空氣抽出槽的相對(duì)高不滿足說(shuō)明書的要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，擴(kuò)大槽和空氣抽出槽的高度差僅150 mm，與施工圖一致，說(shuō)明書中要求擴(kuò)大槽和空氣抽出槽的相對(duì)高度差不得小于380 mm［11］，故系統(tǒng)存在擴(kuò)大槽和空氣抽出槽的高度差不足導(dǎo)致氫側(cè)回油不暢的問(wèn)題。

2.2.4 密封油通過(guò)與氫氣系統(tǒng)的連接管串油

如圖4 所示，密封油系統(tǒng)與氫氣系統(tǒng)連通的部分除發(fā)電機(jī)本體外，只有擴(kuò)大槽和浮子油箱排氣母管［12］。

圖4 某660 MW發(fā)電機(jī)單流環(huán)密封油系統(tǒng)回油部分Fig.4 Oil return part of single-ring seal oil system of a 660 MW generator

發(fā)電機(jī)底部油水探測(cè)器和排污口均未檢測(cè)到油，發(fā)電機(jī)尚未進(jìn)油，密封油通過(guò)發(fā)電機(jī)本體進(jìn)入氫氣系統(tǒng)的可能性被排除。另外，擴(kuò)大槽兩側(cè)排氣管高于發(fā)電機(jī)油水探測(cè)器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可排除氫側(cè)回油進(jìn)入擴(kuò)大槽頂部排氣管的可能。

在密封油啟動(dòng)初期需開(kāi)啟浮子油箱排氣閥排空氣，氫側(cè)回油通過(guò)浮子油箱排氣管串入氫氣系統(tǒng)的可能較大，于是對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

1）從流體動(dòng)力學(xué)角度分析。

首先，取擴(kuò)大槽液面、空氣抽出槽液面2個(gè)斷面進(jìn)行分析，根據(jù)伯努利方程：

式（1）中，z1、u1、p1分別為擴(kuò)大槽液面的標(biāo)高、液體流速、絕對(duì)壓力；z2、u2、p2分別為空氣抽出槽液面的標(biāo)高、液體流速、絕對(duì)壓力；hw1為密封油從擴(kuò)大槽流到空氣抽出槽的阻力［13］；ρ為密封油的密度；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

密封油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，擴(kuò)大槽和空氣抽出槽的油位基本穩(wěn)定，可以近似認(rèn)為這兩個(gè)斷面液體流速為0，即u1=u2=0。取兩個(gè)箱體液位凈高度差Δh1=z1-z2，p1、p2、Δh1與hw1之間的關(guān)系式為：

在發(fā)電機(jī)內(nèi)壓力未建立前，p1為0，Δh1=hw1+p2/ρg。

空氣抽出槽風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，p2約為-200 Pa 左右；當(dāng)抽出槽風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，p2為0，Δh1取得最大值，即Δh1=hw1，此時(shí)擴(kuò)大槽油位最高，發(fā)電機(jī)進(jìn)油的風(fēng)險(xiǎn)最大。密封瓦氫氣側(cè)回油完全依靠擴(kuò)大槽與空氣抽出槽液面高度差（Δh1）來(lái)克服流動(dòng)阻力（hw1），沿著擴(kuò)大槽→浮子油箱→空氣抽出槽的路徑，進(jìn)入空氣抽出槽，最后通過(guò)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油套裝油管回到主機(jī)潤(rùn)滑油箱。

因流動(dòng)阻力hw1>0，故Δh1>0，也即擴(kuò)大槽油箱液面高于空氣抽出槽液面。

根據(jù)流體力學(xué)范寧公式：

式（3）中，λ1為從擴(kuò)大槽到空氣抽出槽的流動(dòng)阻力系數(shù)，l1為從擴(kuò)大槽到空氣抽出槽的管道長(zhǎng)度，d1為從擴(kuò)大槽到空氣抽出槽的當(dāng)量直徑，u1為從擴(kuò)大槽到空氣抽出槽的液體流速。

同理，取擴(kuò)大槽液面、浮子油箱排氣管最高點(diǎn)液面兩個(gè)斷面，進(jìn)行分析，可以得出：

式（4）中，hw2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)密封油的流動(dòng)阻力，p1、p3分別是擴(kuò)大槽、浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的壓力，Δh2為擴(kuò)大槽與浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的高度差。

因浮子油箱排氣管、氫氣系統(tǒng)排氣管與主廠房外大氣連通，p1=p3=0，Δh2=hw2。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量浮子油箱排氣管的安裝高度，最高點(diǎn)的安裝高度低于擴(kuò)大槽底部，甚至比空氣抽出槽底部低，Δh2≈400 mm，顯然hw2>0。

根據(jù)流體力學(xué)范寧公式：

式（5）中，λ2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的流動(dòng)阻力系數(shù)，l2為從從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的管道長(zhǎng)度，d2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的當(dāng)量直徑，u2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的液體流速。

顯然，λ2、l2、d2均大于0，由hw2=>0，可知>0，即此時(shí)如果浮子油箱排氣閥開(kāi)啟，則密封油必然在擴(kuò)大槽與浮子油箱排氣管最高點(diǎn)之間流動(dòng)［15］。因擴(kuò)大槽液面高于浮子油箱排氣管最高點(diǎn)，可以確定密封油由擴(kuò)大槽流向浮子油箱排氣管最高點(diǎn)，然后向下進(jìn)入氫氣系統(tǒng)，進(jìn)而充滿氫氣系統(tǒng)的管道。

2）從流體靜力學(xué)角度分析

密封油系統(tǒng)啟動(dòng)初期開(kāi)啟浮子油箱排氣閥后，密封油在擴(kuò)大槽→浮子油箱→浮子油箱排氣管之間形成的油柱如圖5所示，根據(jù)靜力學(xué)基本方程［16］：

圖5 擴(kuò)大槽-浮子油箱排氣管間的油柱Fig.5 Oil column between expansion tank and float tank exhaust pipe

式（6）中，p1、z1分別為擴(kuò)大槽液面的壓力和標(biāo)高，p3、z3分別為浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的壓力和標(biāo)高。

密封油啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)壓力為零，故p3/ρg=Δh2=z1-z3=400 mm>0，即浮子油箱排氣管中油壓大于0，密封油在此壓力作用下流入氫氣系統(tǒng)。

由此可見(jiàn)，無(wú)論從流體動(dòng)力學(xué)，還是靜力學(xué)角度分析，發(fā)電機(jī)內(nèi)壓力為0 時(shí)密封油都可以通過(guò)擴(kuò)大槽經(jīng)浮子油箱排氣管流入氫氣系統(tǒng)［17］，存在氫氣攜帶密封油進(jìn)入發(fā)電機(jī)的安全隱患。

3 改進(jìn)措施

如圖6所示，為防止密封油系統(tǒng)回油不暢，將空氣抽出槽安裝高度下降230 mm，使之低于擴(kuò)大槽380 mm。為防止密封油串入氫氣系統(tǒng)，將浮子油箱排氣管安裝高度提高，使其最高點(diǎn)高于擴(kuò)大槽頂部100 mm［18］。

圖6 改進(jìn)后的密封油系統(tǒng)回油部分Fig.6 Oil return part of improved sealing oil system

3.1 從流體動(dòng)力學(xué)角度驗(yàn)證

取擴(kuò)大槽液面、浮子油箱排氣管最高點(diǎn)液面2 個(gè)斷面［19］，進(jìn)行分析，可以得出：

式（7）中，hw2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)密封油的流動(dòng)阻力，Δh2為擴(kuò)大槽液面、浮子油箱排氣管的高度差，p1、p3分別是擴(kuò)大槽［20］、浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的壓力。

因浮子油箱排氣管、氫氣系統(tǒng)排氣管與主廠房外大氣連通，p1=p3=0，hw2=Δh2，此時(shí)，擴(kuò)大槽液面比浮子油箱排氣管最高點(diǎn)低，即hw2=Δh2=-100 mm＜0。

另外，根據(jù)流體力學(xué)范寧公式：

式（8）中，λ2為密封油從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的流動(dòng)阻力系數(shù)，l2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的管道長(zhǎng)度，d2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的當(dāng)量直徑，u2為從擴(kuò)大槽到浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的液體流速［21］。

因λ2、l2、d2/2任意一項(xiàng)均大于0，可知hw2>0，這與hw2=Δh2＜0矛盾。因此，密封油從擴(kuò)大槽流向浮子油箱排氣管最高點(diǎn)的可能性不存在。

3.2 從流體靜力學(xué)角度驗(yàn)證

密封油系統(tǒng)啟動(dòng)初期，開(kāi)啟浮子油箱排氣閥后，密封油在擴(kuò)大槽→浮子油箱→浮子油箱排氣管之間形成的油柱如圖7所示，根據(jù)連通器原理，兩個(gè)液面壓力均為0［22］，浮子油箱排氣管中的液面高度與擴(kuò)大槽中的液面高度相等，低于浮子油箱排氣管與氫氣系統(tǒng)排氣管的接口標(biāo)高，密封油不可能從浮子油箱排氣管最高點(diǎn)流入氫氣系統(tǒng)。

圖7 擴(kuò)大槽-浮子油箱排氣管間的油柱Fig.7 Oil column between expansion tank and float tank exhaust pipe

由此可見(jiàn)，改進(jìn)后，無(wú)論從流體力學(xué)的動(dòng)力學(xué)角度計(jì)算，還是靜力學(xué)角度分析，密封油均不會(huì)從擴(kuò)大槽經(jīng)浮子油箱排氣管流入氫氣系統(tǒng)［23］。

3.3 改進(jìn)后的實(shí)際效果

2021年12月20日，在改進(jìn)措施實(shí)施后，啟動(dòng)密封油系統(tǒng)，擴(kuò)大槽及發(fā)電機(jī)所有油水探測(cè)器均未檢測(cè)到油，密封油回油不暢的問(wèn)題得到解決。開(kāi)啟浮子油箱頂部排氣閥，氫氣系統(tǒng)所有排污口均未放出油，成功避免了發(fā)電機(jī)內(nèi)壓力為0時(shí)密封油從擴(kuò)大槽經(jīng)浮子油箱排氣管流入氫氣系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，密封油系統(tǒng)安裝應(yīng)保證浮子油箱排氣管的最高點(diǎn)高于空氣抽出槽一定高度，防止系統(tǒng)回油不暢。單流環(huán)密封油系統(tǒng)浮子油箱排氣管直徑只有14 mm，按照現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范，其安裝標(biāo)高和路徑不在廠家和設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)范圍，由施工現(xiàn)場(chǎng)確定布置，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此在安裝調(diào)試階段防止密封油串入氫氣系統(tǒng)應(yīng)引起安裝、調(diào)試人員的足夠重視。但是只要掌握了單流環(huán)密封油系統(tǒng)的工作原理，分析清楚密封油回油不暢和氫氣系統(tǒng)進(jìn)油的原因，并在管道安裝前確定合理的布置方案，就能有效避免發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)油事故的發(fā)生［24］。以上是對(duì)某新安裝660 MW機(jī)組的單流環(huán)式密封油系統(tǒng)調(diào)試階段出現(xiàn)的氫氣系統(tǒng)進(jìn)油事故進(jìn)行了理論的分析，希望對(duì)讀者有所幫助。