發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降原因及解決措施

國能廣投（柳州）發(fā)電有限責(zé)任公司 陸啟毅

國能廣投（柳州）發(fā)電有限責(zé)任公司2號汽輪機(jī)在運(yùn)行中氫氣純度下降過快，平均7天左右就降低至96%，進(jìn)行就地測量時結(jié)果一致，排除氫氣純度表計的影響。為保證氫氣純度需進(jìn)行氫氣補(bǔ)排，排換氫量增加，造成大量的補(bǔ)氫操作，影響機(jī)組安全運(yùn)行。通過對氫氣系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)各個設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)了空、氫側(cè)密封油存在互竄，這是發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降的主要原因。同時現(xiàn)場氫氣系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)及其相關(guān)附屬設(shè)備較多，導(dǎo)致密封油互竄的原因較多。結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的處置措施，氫氣純度的下降速度明顯減緩，氫氣系統(tǒng)恢復(fù)正常。

1 研究發(fā)電機(jī)氫氣純度重要性

作為電網(wǎng)能量的生產(chǎn)者，發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行極其重要。當(dāng)前單個發(fā)電機(jī)的容量大，僅依靠增加銅線繞組和鐵芯來提高發(fā)電機(jī)容量受到各種條件的限制，如運(yùn)輸、加工、安裝等，一般通過增加銅線繞組的電流密度來提高發(fā)電機(jī)容量。但繞組的電流密度并不是越高越好，其參數(shù)越高將導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量越多，如無法保障銅線繞組及相關(guān)設(shè)備的溫度，最終將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組等絕緣材料因超溫加速老化直至損毀。

優(yōu)良的冷卻介質(zhì)可大幅度提高發(fā)電機(jī)的冷卻效率。氫氣的密度最小（約為0.089kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），傳熱性能強(qiáng)，通風(fēng)、摩擦損耗小，成為發(fā)電機(jī)優(yōu)良的冷卻介質(zhì)。氫氣冷卻發(fā)電機(jī)時，其通風(fēng)損耗可降至空氣冷卻時的6.46%，大幅度減少發(fā)電機(jī)繞組的溫升，提升發(fā)電效率及穩(wěn)定性；氫氣品質(zhì)是決定氫冷發(fā)電機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。較高純度的氫氣可提高發(fā)電效率。國標(biāo)中規(guī)定發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度必須大于96%，否則進(jìn)行氫氣補(bǔ)排。

從安全角度考慮，若其他氣體如氧氣或空氣混入氫氣，如遇火花則可能引起閃爆或者爆炸；從經(jīng)濟(jì)角度考慮，若氫氣純度下降過快會導(dǎo)致氫氣冷卻效率降低，發(fā)電機(jī)的繞組等散熱量減少，降低發(fā)電效率。

氫氣純度下降過快或者過低都會對發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備產(chǎn)生不可估量的影響：氫氣中的混入的其他氣體長時間的存在，會使發(fā)電機(jī)內(nèi)部鐵芯以及附屬部件受到腐蝕，加快電機(jī)繞組及其附屬設(shè)備的絕緣老化；氫氣系統(tǒng)內(nèi)含有其氣體則會使冷卻效果降低，可能使發(fā)電機(jī)內(nèi)繞組或者鐵芯等產(chǎn)生的熱量無法有效排出，最終導(dǎo)致各構(gòu)件過熱，加快絕緣材料的老化，甚至發(fā)生破損、接地、短路等嚴(yán)重故障；氫氣純度長期過低，使氣體的密度增大，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗會相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率降低。

根據(jù)美國G.E 公司數(shù)據(jù)顯示，一臺運(yùn)行氫壓為0.5MPa、容量為907MW 的氫冷發(fā)電機(jī)，當(dāng)其氫氣純度由98%下降至95%時，通風(fēng)和摩擦損耗大約增加32%，亦即相當(dāng)于損失了685kW，折合氫氣純度平均每下降1%對應(yīng)約228kW；安全規(guī)程中明確指出，氫氣純度下降至74%以下時引起爆炸的可能性大大提高。

2 案例概述

國能廣投（柳州）發(fā)電有限責(zé)任公司2號汽輪機(jī)密封油系統(tǒng)設(shè)計為雙流環(huán)式密封油系統(tǒng)。該系統(tǒng)由密封油泵、油氫側(cè)差壓閥、空氫側(cè)平衡閥、空氫側(cè)濾網(wǎng)、氫側(cè)油箱及其浮球閥等裝置構(gòu)成。該密封油系統(tǒng)主要作用是對發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣系統(tǒng)進(jìn)行密封，同時對發(fā)電機(jī)軸承具有一定的潤滑和冷卻作用。機(jī)組正常運(yùn)行中出現(xiàn)發(fā)電機(jī)氫氣純度下降速率過快、且氫氣純度無法提升至高位，為使發(fā)電機(jī)內(nèi)部的氫氣純度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，平均每5天就要進(jìn)行1次氫氣補(bǔ)排操作，不僅增加了機(jī)組的物資損耗，還極大增加了維護(hù)成本。

2.1 氫氣純度下降原因分析

發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)較為復(fù)雜，但氫氣純度快速下降最直接的原因是密封油系統(tǒng)工作不正常，空氫側(cè)密封油互竄，使空側(cè)密封油中攜帶的氣體進(jìn)入氫氣系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣純度快速下降。一般情況下空氫側(cè)密封油互竄的位置主要有兩處：發(fā)電機(jī)密封瓦處和氫側(cè)密封油箱。由于發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)設(shè)備較多、較為復(fù)雜，導(dǎo)致密封油互竄的原因也很多且不盡相同，如密封瓦處密封間隙過大、油氫壓差不合理等。

空氫側(cè)密封油壓力波動較大且不平衡是發(fā)電機(jī)密封瓦處密封油互竄的主因，油氫差壓調(diào)節(jié)閥和空氫側(cè)平衡閥作為油氫壓力、空氫側(cè)密封油壓力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，其工作是否正常決定了密封油系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。正常情況下發(fā)電機(jī)密封瓦中的空側(cè)和氫側(cè)密封油壓力相同，空側(cè)和氫側(cè)密封油不互竄，都進(jìn)行獨(dú)立的循環(huán)。

非正常情況下，密封油系統(tǒng)的平衡閥跟蹤不好或空側(cè)、氫側(cè)平衡閥安裝不合理，空側(cè)、氫側(cè)壓力取樣管中的壓力損失不同，導(dǎo)致實(shí)際空、氫側(cè)密封油壓偏差大，最終都會造成空、氫側(cè)密封油互竄。在對密封油系統(tǒng)的空氫側(cè)平衡閥檢查中，發(fā)現(xiàn)氫側(cè)平衡閥差壓較大、波動大，偏離設(shè)計值，這將導(dǎo)致氫側(cè)密封油壓力與空側(cè)密封油壓力出現(xiàn)偏差、發(fā)生互竄。

2018年11月22日，京東物流配送機(jī)器人智能配送站啟用儀式在長沙舉行，隨著載有用戶包裹的配送機(jī)器人編隊從站內(nèi)依次發(fā)出，全球首個由機(jī)器人完成配送任務(wù)的智能配送站正式投入使用。首個京東配送機(jī)器人智能配送站位于長沙市科技新城，占地面積600平米，設(shè)有自動化分揀區(qū)，配送機(jī)器人?？繀^(qū)、充電區(qū)、裝載區(qū)等多個區(qū)域，可同時容納20臺配送機(jī)器人，完成貨物分揀、機(jī)器人?？?、充電等一系列環(huán)節(jié)。當(dāng)包裹從物流倉儲中心運(yùn)輸至配送站后，在物流分揀線按照配送地點(diǎn)對貨物進(jìn)行分發(fā)，分發(fā)完成后，站內(nèi)裝載人員按照地址將包裹裝入配送機(jī)器人，再由配送機(jī)器人配送至消費(fèi)者手中。

氫側(cè)密封油箱作為氫側(cè)密封油的存儲設(shè)備，空、氫側(cè)密封油也在此互混。當(dāng)空側(cè)密封油壓比氫側(cè)密封油壓高時，空側(cè)密封油將向氫側(cè)密封油竄油，日積月累氫側(cè)密封油箱存積大量空側(cè)密封油，其所攜帶的空氣等氣體在氫側(cè)密封油中釋放，最終導(dǎo)致氫氣純度的快速下降。當(dāng)氫側(cè)密封油壓大于空側(cè)密封油壓，氫側(cè)密封油向空側(cè)密封油竄油或氫側(cè)密封油滲漏等，將導(dǎo)致氫側(cè)密封油箱油位降低，空側(cè)密封油將自動補(bǔ)至氫側(cè)密封油箱中，空側(cè)密封油將空氣等氣體帶入發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)內(nèi)，也可導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降。

在正常情況下，因?yàn)榭諝鋫?cè)密封油壓力不一致導(dǎo)致的氫側(cè)密封油箱補(bǔ)排油，氫側(cè)油箱補(bǔ)排油浮球閥只是暫時的開啟，而氫側(cè)密封油箱補(bǔ)排油浮球閥故障，則導(dǎo)致氫側(cè)密封油箱補(bǔ)排油球閥長期開啟。氫側(cè)密封油箱補(bǔ)排油浮球閥故障的明顯特征是：補(bǔ)排油管道因長期補(bǔ)排導(dǎo)致出現(xiàn)溫?zé)岈F(xiàn)象。在對密封油系統(tǒng)的管路檢查中，發(fā)現(xiàn)氫側(cè)密封油箱補(bǔ)排油管道均長期處于溫?zé)釥顟B(tài)，以此判定氫側(cè)密封油箱的補(bǔ)排油浮球閥故障。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，由于氫側(cè)密封油閉式水調(diào)節(jié)閥存在死區(qū)，夏季時氫側(cè)密封油溫波動較小，從而密封瓦處的氫側(cè)密封油壓波動小，氫側(cè)密封油、空側(cè)密封油互串較小，氫氣純度下降較慢。冬季時側(cè)密封油溫波動較大，從而密封瓦處的氫側(cè)密封油壓波動大，氫側(cè)密封油、空側(cè)密封油互竄較大，氫氣純度下降較快。

機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)汽端與勵端氫氣冷卻器出風(fēng)口冷風(fēng)溫度偏差逐漸增大，需就地對氫氣冷卻器進(jìn)行排空，且排空后氫氣冷卻器冷、熱風(fēng)出風(fēng)溫度均下降明顯，發(fā)電機(jī)汽端、勵端出風(fēng)溫度無偏差。說明運(yùn)行中發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器處存積氣體（氫氣），氫氣通過氫氣冷卻器泄漏至閉式水側(cè)，導(dǎo)致?lián)Q熱器冷卻效果存在偏差，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)汽端與勵端冷卻器出口冷風(fēng)、熱風(fēng)溫度偏差。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)本體人孔門螺栓、發(fā)電機(jī)12.6米熱控測溫接線盒、發(fā)電機(jī)勵側(cè)大端蓋等多處未嚴(yán)密，存在泄漏，經(jīng)就地封堵、整改后，發(fā)電機(jī)氫氣純度下降減慢。同時，對于發(fā)電機(jī)絕緣過熱檢測裝置、氫氣純度儀等取樣手動門的開度進(jìn)行調(diào)整，氫氣下降速率降低。

為保證備用設(shè)備的備用狀態(tài)良好，每月空側(cè)直流密封油泵、氫側(cè)直流密封油泵均需要試轉(zhuǎn)2次。試轉(zhuǎn)空側(cè)密封油泵時空側(cè)密封油油壓突升，空側(cè)密封油油壓與氫氣差壓突升，超過額定值，這將導(dǎo)致油氫兩種介質(zhì)的互滲，同時氫側(cè)密封油油壓偏低，導(dǎo)致空側(cè)密封油與氫側(cè)密封油的互竄。試轉(zhuǎn)氫側(cè)直流密封油泵時氫側(cè)密封油快速上升，氫側(cè)與空側(cè)密封油差壓均快速上漲，導(dǎo)致空側(cè)密封油與氫側(cè)密封油互竄加劇。

2.2 氫氣純度快速下降的原因

氫側(cè)密封油箱補(bǔ)、排油浮球閥故障是該發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降的主要原因。氫側(cè)密封油箱長期處于強(qiáng)補(bǔ)、強(qiáng)排，將大量的空側(cè)密封油中的空氣等其他氣體帶入氫側(cè)密封油系統(tǒng)，最終進(jìn)入發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)中，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降；氫側(cè)平衡閥跟蹤不靈敏或安裝不好，偏離設(shè)計值，使氫側(cè)密封油壓與空側(cè)密封油壓長期處于不平衡狀態(tài)，在發(fā)電機(jī)密封瓦處長期竄油，最終導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降；氫側(cè)密封油油溫波動大。

氫側(cè)密封油油溫波動大，導(dǎo)致密封瓦處的氫側(cè)密封油油壓波動大，密封油平衡閥跟蹤不及時，最終導(dǎo)致氫側(cè)密封油、空側(cè)密封油互竄較大，氫氣純度下降較快。

同時，補(bǔ)氫操作過程中運(yùn)行人員操作過快，未按規(guī)定的速率進(jìn)行補(bǔ)氫，易造成空氫側(cè)密封油壓力波動大，導(dǎo)致空、氫側(cè)密封油互竄，進(jìn)而加劇發(fā)電機(jī)氫氣純度下降。

空側(cè)直流密封油泵、氫側(cè)直流密封油泵試轉(zhuǎn)時，空側(cè)密封油油壓快速上升或氫側(cè)密封油快速上升，對應(yīng)的氫側(cè)密封油壓或空側(cè)密封油壓未變化，這將導(dǎo)致空側(cè)密封油、氫側(cè)密封油、氫氣三種介質(zhì)的互滲、互竄，若長時間運(yùn)行將加劇氫氣純度的降低。

2.3 改進(jìn)措施及效果

在機(jī)組停運(yùn)期間：更換氫側(cè)密封油箱的補(bǔ)、排油浮球閥，保證浮球閥動作靈活，不會誤開誤關(guān)；更換氫側(cè)平衡閥，保證平衡閥跟蹤靈敏并符合設(shè)計值。同時對于平衡閥的取樣管路進(jìn)行清洗及校核，保證取樣管路的壓損不超過規(guī)定值；增設(shè)氫側(cè)閉式冷卻水調(diào)門前手動門，為防止氫側(cè)密封油油溫的的大幅度變化，適當(dāng)?shù)年P(guān)小氫側(cè)密封油閉式冷卻水調(diào)門前手動門，調(diào)試好氫側(cè)密封油閉式冷卻水調(diào)門的調(diào)節(jié)特性，防止氫側(cè)密封油油溫大幅度波動。

對發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器進(jìn)行檢查并進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，保證氫氣冷卻器無氫氣泄漏，發(fā)電機(jī)汽端與勵端氫氣冷卻器出風(fēng)溫度無偏差；進(jìn)行發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫或氫氣補(bǔ)排操作時應(yīng)嚴(yán)格按操作票的要求緩慢操作，防止因氫氣系統(tǒng)壓力的快速變化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)密封油壓力大幅度頻繁波動；進(jìn)行空側(cè)直流密封油泵、氫側(cè)直流密封油泵試轉(zhuǎn)時，操作人員控制好運(yùn)行時間，防止長時間運(yùn)行，空側(cè)密封油、氫側(cè)密封油、氫氣三種介質(zhì)的互滲、互竄加劇。

經(jīng)執(zhí)行改進(jìn)措施后，發(fā)電機(jī)氫氣純度明顯放緩了下降速率，補(bǔ)排氫氣也從原來5天一次變更至15天一次。

3 結(jié)語

針對氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度快速下降的問題，本文開展研究論證，從空氫側(cè)密封油互竄的關(guān)鍵的問題出發(fā)，結(jié)合各種故障詳盡的進(jìn)行了分析，對于可能原因，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)給出相應(yīng)的防范措施：

密封油系統(tǒng)投運(yùn)后要仔細(xì)檢查系統(tǒng)各處的閥門狀態(tài)正確，尤其是空、氫側(cè)平衡閥、油氫差壓閥，運(yùn)行人員須加強(qiáng)監(jiān)視其差壓。這類儀表精密度高，并且屬于維護(hù)人員設(shè)備，運(yùn)行人員未清晰其構(gòu)造及原理，存在檢查盲區(qū)，今后將重視；氫冷發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中應(yīng)及時檢查密封油箱的液位變化以及補(bǔ)排油管道的溫度；對于補(bǔ)排油管道溫度異常的情況，及時排查原因；保持密封油系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定，例如空、氫側(cè)密封油油溫、油壓，差壓閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥等調(diào)節(jié)特性跟蹤良好，及時調(diào)整，若參數(shù)超限，立即手動調(diào)整。

發(fā)電機(jī)附屬設(shè)備較多，在保證發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)的嚴(yán)密性的同時，對于氫氣純度儀、絕緣過熱檢測裝置等用氫設(shè)備，必須控制其取樣量，最大程度地限制發(fā)電機(jī)氫氣的快速下降；發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫或者氫氣補(bǔ)排操作時，應(yīng)嚴(yán)格按要求緩慢操作，防止發(fā)電機(jī)氫氣壓力變化速率過快，最終導(dǎo)致密封油壓力大幅度頻繁波動；專業(yè)制定空側(cè)直流密封油泵、氫側(cè)直流密封油泵試轉(zhuǎn)技術(shù)措施，試轉(zhuǎn)時，操作人員控制空側(cè)密封油壓、氫側(cè)密封油壓、油氫差壓、平衡閥差壓，同時規(guī)定試轉(zhuǎn)時間，保障密封油系統(tǒng)的正常運(yùn)行。