發(fā)電機內(nèi)氫氣純度下降的原因及對策分析

鄒少聰

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

國能（泉州）熱電有限公司1 號發(fā)電機為哈爾濱產(chǎn)QFSN-300-2 型汽輪發(fā)電機，采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組采用水內(nèi)冷，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組采用氫冷。運行中，要求發(fā)電機內(nèi)氫氣的工作壓強為0.270 ～0.305 MPa。

1 號機組投運以來，一直存在氫氣純度下降較快的問題，氫氣純度從98%下降到95%的大約需要15 d。為提高發(fā)電機氫氣純度，需要進行氣體置換，每次所用氫氣量都超過200 Nm3。氫氣純度的下降影響了機組運行的經(jīng)濟性，對發(fā)電機的安全運行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時增加了運行人員置換氫氣的工作量。

發(fā)電機內(nèi)氫氣純度下降過快是很多電廠都存在的問題，具有普遍性。基于此，以國能（泉州）熱電有限公司1 號發(fā)電機的實際情況為原型，深入分析影響發(fā)電機氫氣純度下降較快的因素及其應(yīng)對措施。

1 影響發(fā)電機內(nèi)氫氣純度的因素及應(yīng)對措施

1.1 發(fā)電機補氫母管氫氣純度與濕度不合格

氫站儲存的氫的純度可達(dá)99.5%，露點溫度為-50 ℃，證明補氫氣源方面基本未受影響。在沒有補氫的情況下，儲氫罐向發(fā)電機補氫的供氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)。從氫站儲氫罐至發(fā)電機補氫入口的輸氫管道超過100 m，時間越久，管道內(nèi)氫壓下降越多，導(dǎo)致空氣會從法蘭間隙和閥門閥桿進入供氫管道。在下次補氫時，管道中的空氣會隨著氫氣進入發(fā)電機[1]。

針對這種情況，可在發(fā)電機前補氫管道、輸氫管道最低點處適當(dāng)增加多個排污放水點，并在補氫總閥前增加取樣管。此外，在向發(fā)電機內(nèi)補氫前，需進行輸氫母管的排污放水。只有測量補氫母管總閥前取樣點氫氣純度和濕度合格才能進行補氫。

1.2 儀用空氣漏入氫氣系統(tǒng)

該廠儀用空氣的壓強正常為0.700 MPa，發(fā)電機內(nèi)氣體壓強為0.270 ～0.305 MPa，壓差較大。發(fā)電機壓縮空氣補氣閥門如果關(guān)閉不嚴(yán)或內(nèi)漏，就容易導(dǎo)致儀用空氣連續(xù)漏入發(fā)電機。

針對這種情況，可在發(fā)電機未充儀用空氣時拆開充儀用空氣短管一端，杜絕漏入儀用空氣，保證氫氣純度。

1.3 密封油空側(cè)及主油箱排煙風(fēng)機出力不足

密封油空側(cè)排煙風(fēng)機出力不足，會造成更多空氣、濕氣和油煙溶入空側(cè)密封油。而空側(cè)密封油與氫側(cè)密封油之間的竄油會使得空氣、濕氣和油煙進入發(fā)電機，影響氫氣純度。發(fā)電機軸承潤滑油回油是空側(cè)密封油的油源，主油箱的兩臺排煙風(fēng)機出力不足，同樣會影響發(fā)電機內(nèi)的氫氣純度。

因此，需要定期維護與切換主油箱和空側(cè)密封油箱排煙風(fēng)機，增加排煙風(fēng)機入口壓力測點，保證主油箱和空側(cè)密封油箱維持油箱內(nèi)在負(fù)壓狀態(tài)。在運行中，要加強對排煙風(fēng)機電流的監(jiān)測保證排煙風(fēng)機出力正常。

1.4 冷卻水漏入氫氣系統(tǒng)

發(fā)電機內(nèi)冷卻水的工作壓強維持在200 ～250 kPa，比發(fā)電機內(nèi)的氫壓低，漏入發(fā)電機的可能性不大。發(fā)電機氫氣冷卻器閉式水的工作壓強為0.5 ～0.7 MPa，比發(fā)電機內(nèi)氫壓高很多。氫冷器的輕微泄漏可能使冷卻水大量漏入發(fā)電機。漏入的冷卻水?dāng)y帶空氣析出，將會影響發(fā)電機內(nèi)氫氣的純度。冷卻水本身的氣化和冷卻水泄漏導(dǎo)致發(fā)電機輕微放電所產(chǎn)生的氣體，都會影響發(fā)電機內(nèi)的氫氣純度。

在發(fā)電機氫氣冷卻器安裝前，應(yīng)仔細(xì)試驗、檢查冷卻器是否泄漏，消除漏點。在冷卻器投退或閉式水泵工頻、變頻切換時，要確保閉式水壓強穩(wěn)定，不可大幅波動。運行中，要控制氫冷器冷卻水壓不超壓，同時保證氫氣干燥器有效工作。

1.5 密封油空、氫側(cè)竄油

該廠發(fā)電機氫氣采用雙環(huán)流式密封油密封，而雙環(huán)流指空側(cè)密封油和氫側(cè)密封油。其中：空側(cè)密封油在雙環(huán)密封瓦與軸頸之間的油流和油膜阻止發(fā)電機外空氣和濕氣被氫側(cè)密封油攜帶進入發(fā)電機；氫側(cè)密封油阻止發(fā)電機內(nèi)氫氣外漏[2]。發(fā)電機空、氫側(cè)密封油油路的分開，可大大降低氫氣受到空氣和濕氣污染的概率。密封油系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 密封油系統(tǒng)

1.5.1 油壓不平衡導(dǎo)致竄油

空、氫側(cè)平衡閥壓強不平衡將導(dǎo)致空、氫側(cè)密封油流互竄，是影響發(fā)電機氫氣純度下降的主要因素。當(dāng)密封油氫側(cè)密封油壓強過低時，空側(cè)密封油通過中間環(huán)流竄至氫側(cè)密封油，再回至消泡箱，擴容并釋放空氣和濕氣到氫氣，使氫氣純度下降。當(dāng)密封油氫側(cè)油壓強過高時，氫側(cè)密封油通過中間環(huán)流竄至空側(cè)密封油，導(dǎo)致氫側(cè)密封油箱油位下降，自動補油浮子閥自動打開，由空側(cè)向氫側(cè)密封油箱頻繁補油。這樣密封油空側(cè)富含空氣和濕氣的油會污染氫側(cè)油，使氫氣純度下降[3]。造成油壓不平衡的原因主要有3 個方面。

第一，由平衡閥本身引起。由于平衡閥本身質(zhì)量問題，造成平衡閥在跟蹤空側(cè)密封油壓和調(diào)節(jié)氫側(cè)密封油壓時不夠靈敏。在設(shè)備選型時，選用設(shè)計合理、制造工藝好的平衡閥可以解決此類問題。實際上，在安裝和運行過程中，其他雜質(zhì)（包括油中所含水分）進入平衡閥的本體或管道內(nèi)，容易造成平衡閥動作不靈活或卡澀。平衡閥活塞和油缸之間間隙較小，稍有雜質(zhì)就可能增加活塞的運動阻力，甚至卡死，導(dǎo)致平衡閥調(diào)節(jié)精度變差。

第二，由平衡閥壓強信號引起。平衡閥的動作指令來自空、氫側(cè)油壓。密封瓦處，空、氫側(cè)油壓指令通過壓強信號管與平衡閥關(guān)聯(lián)，并指揮平衡閥的調(diào)節(jié)。這就要求壓強信號管能夠快速準(zhǔn)確地將密封瓦處的空、氫側(cè)油壓信號傳遞給平衡閥。影響壓強信號快速準(zhǔn)確傳遞的因素包括：密封油平衡閥壓強信號管管路長、管徑小，使平衡閥感受壓強信號變化遲緩；同一個平衡閥對應(yīng)的空、氫側(cè)壓強信號管長度不一，造成流體阻力壓降不等；同一個平衡閥對應(yīng)的空、氫側(cè)壓力信號管中間彎頭較多，且彎頭數(shù)目不一；傳壓信號管進入空氣，而空氣為可壓縮性氣體，吸收了部分油壓的變化；壓強信號管進入固體雜質(zhì)，節(jié)流后的壓強信號偏離真實值；平衡閥加工不精確或長時間使用磨損后，活塞間隙密封不良，活塞間隙漏油。

第三，由空側(cè)油壓不穩(wěn)引起。發(fā)電機空側(cè)密封油壓的調(diào)節(jié)主要以氫壓為依據(jù)，通過主差壓閥調(diào)節(jié)使空側(cè)壓強維持比發(fā)電機內(nèi)氫壓高0.085 MPa，而氫側(cè)油壓則通過平衡閥跟蹤空側(cè)油壓進行調(diào)節(jié)。平衡閥調(diào)節(jié)氫側(cè)密封油壓存在滯后，必然會引起竄油。因此，保證差壓閥工作的穩(wěn)定性有助于減少竄油。

針對這些情況，在平衡閥及密封油系統(tǒng)的安裝過程中應(yīng)保持清潔。在系統(tǒng)試運時，需要先仔細(xì)吹掃清理密封油系統(tǒng)，再充分油洗。完善壓強信號管的布置，注意密封油質(zhì)的清潔，使用質(zhì)量可靠的平衡閥并定期檢查活塞的磨損情況。在運行過程中，保持油質(zhì)清潔，定期對密封油濾網(wǎng)排污，及時對密封油除水等。定期維護空、氫側(cè)平衡閥，檢查其自動調(diào)整能力。加強對空、氫側(cè)油壓的監(jiān)視，拉好實時曲線，確?？铡鋫?cè)油壓差維持在±0.980 kPa?？铡溆捅枚ㄆ谇袚Q時可能導(dǎo)致平衡閥過調(diào)，需及時調(diào)整空、氫側(cè)油壓。

1.5.2 密封瓦間隙大加劇竄油

由于平衡閥不可能時刻保持空、氫側(cè)油壓平衡，不可避免會存在一個壓差Δp，會出現(xiàn)發(fā)電機軸與密封瓦間隙中空、氫側(cè)密封油間的竄流現(xiàn)象。竄流量為

式中：Q為密封油間的竄流量，m3·s-1；A為密封瓦與轉(zhuǎn)軸間隙的最小截面積，m2；v為空、氫側(cè)密封油竄流流速，m·s-1。

由式（1）可見，密封瓦與轉(zhuǎn)軸的間隙越大，截面積A就越大，空、氫側(cè)密封油間的竄流量也就越大。發(fā)電機密封瓦的徑向間隙為0.15 ～0.28 mm，間隙過小有可能引起發(fā)電機軸振動加劇。運行中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動、振動或密封油中帶雜質(zhì)等因素，都會導(dǎo)致密封瓦或軸頸磨損，造成間隙增大。

針對竄油問題，可采取以下處理措施：機組安裝或大修應(yīng)調(diào)好發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動平衡；定期對密封油濾網(wǎng)排污，及時對密封油除水，確保密封油質(zhì)清潔；利用機組停運期間檢查調(diào)整密封瓦的間隙。

1.6 發(fā)電機浸油

密封油回油管路不暢、機組處于盤車狀態(tài)或發(fā)電機氫壓過低，導(dǎo)致密封油不能及時排出，此時密封油消泡箱滿油進入發(fā)電機，發(fā)生發(fā)電機浸油[4-5]。發(fā)電機浸油后，油及油中攜帶的水和油煙空氣蒸發(fā)釋放會污染氫氣，造成氫氣純度下降。浸油后的發(fā)電機絕緣能力下降，嚴(yán)重的情況下有可能局部放電，產(chǎn)生其他氣體污染氫氣，造成氫氣純度下降。

為防止發(fā)電機浸油，最根本的措施是保證密封油回油與發(fā)電機放油的及時性。因此，密封油回油管和發(fā)電機的排油管管徑應(yīng)足夠大，并密切關(guān)注油水監(jiān)測器是否積液。一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)電機浸油，必須進行清理才能恢復(fù)運行。

2 結(jié)語

采用水-氫-氫冷卻方式的汽輪發(fā)電機，其氫氣系統(tǒng)、冷卻水和密封油系統(tǒng)從設(shè)計、安裝到運行的每個環(huán)節(jié)，都會影響發(fā)電機氫氣的純度。為防止氫氣純度下降，在運行過程中應(yīng)注意與其他系統(tǒng)的有效隔離。安裝檢修過程中，避免油路受到污染。與油系統(tǒng)相關(guān)的檢修工作結(jié)束后，需要對油系統(tǒng)進行油洗，徹底濾油除去可能遺留在油中的雜質(zhì)。運行中，應(yīng)保持密封油油質(zhì)的清潔，定時進行濾網(wǎng)排污，保證發(fā)電機氫氣干燥器正常工作，維持較低的密封油溫。良好的油質(zhì)不僅可以防止密封瓦及軸徑的磨損，而且能夠確保平衡閥和差壓閥的控制精度。另外，跟蹤維護相關(guān)設(shè)備如平衡閥和密封瓦等，使其保持良好的工作狀態(tài)。