目前，大功率發(fā)電機的冷卻一般是通過水-氫-氫冷卻方式，發(fā)電機定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組是通過發(fā)電機內(nèi)的過壓氫氣作為導(dǎo)熱介質(zhì),通過氫氣和用閉式水作為冷卻介質(zhì)的表面式冷卻器進(jìn)行熱交換,將發(fā)電機產(chǎn)生的熱量帶出。氫氣作為理想的冷卻介質(zhì)，在現(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機中被普遍應(yīng)用。但氫冷發(fā)電機組運行中一直存在氫氣品質(zhì)下降的問題，因其直接關(guān)系到主設(shè)備的安全運行，歷來被電力生產(chǎn)企業(yè)所重視。

　　摘 要：針對神華國能(神東電力)新疆米東熱電廠氫冷汽輪發(fā)電機組運行過程中氫氣純度下降過快的問題進(jìn)行分析。簡要介紹了雙流環(huán)密封瓦的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析了氫冷汽輪發(fā)電機氫氣純度下降的主要原因，供同類型機組技術(shù)人員參考。

　　關(guān)鍵詞：評職稱對論文的要求,氫氣純度,密封油系統(tǒng),密封瓦,氫側(cè)密封油,空側(cè)密封油

　　一、前言

　　氫冷汽輪發(fā)電機內(nèi)進(jìn)入大量非氫氣體，使氫氣純度迅速降低，直接影響氫氣冷卻效果，并給發(fā)電機組安全運行帶來危害。這種危害并不僅表現(xiàn)為對個別零部件的侵蝕和使用性能的削弱，而且是全方位的危害。首先，端部線棒絕緣表面或端部綁扎結(jié)構(gòu)表面被污染，并構(gòu)成擊穿放電通道，使絕緣間隙中的氫氣介質(zhì)性能變差，為定子端部線棒絕緣擊穿事故形成了外部條件。其次，由于機內(nèi)氫氣純度迅速下降，氣體密度增大，增加了發(fā)電機的通風(fēng)損耗，降低了發(fā)電機的運行效率。一般來講，氫冷發(fā)電機采用的密封油系統(tǒng)包括兩種類型:單流環(huán)式和雙流環(huán)式。國內(nèi)大部分投產(chǎn)機組采用的是雙流環(huán)系統(tǒng),它是在發(fā)電機兩端密封瓦處采用空側(cè)油與氫側(cè)油分離的雙油流結(jié)構(gòu)。正常運行狀態(tài)下，空-氫側(cè)各自形成獨立的供排油循環(huán)回路。密封油系統(tǒng)保證了發(fā)電機內(nèi)部氫氣不外泄,保持氫氣純度與濕度處于合格的范圍。但是,已投運的氫冷雙流環(huán)發(fā)電機普遍存在氫氣純度下降過快的問題,這會對機組帶來兩個方面的危害。

　　1.發(fā)電機的通風(fēng)摩擦損耗增加,降低了發(fā)電機的效率。若發(fā)電機內(nèi)的氫氣壓力不變,氫氣純度每降低1%,通風(fēng)摩擦損耗增加約11%。

　　2.使發(fā)電機內(nèi)部構(gòu)件局部過熱,造成絕緣老化、鐵芯及金屬部件腐蝕,直接威脅到機組的安全運行。

　　為了維持和提高發(fā)電機內(nèi)的氫氣純度,電廠采取的手段多為被動的頻繁補排氫氣。采用這樣的操作手段既影響了發(fā)電機正常運行, 同時也增加了排污、補氫次數(shù)和補氫量，影響了發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性，給發(fā)電廠造成了一定的經(jīng)濟損失,又帶來了安全隱患。

　　二、密封油系統(tǒng)簡介

　　米東電廠2×300MW汽輪發(fā)電機組采用目前上海汽輪發(fā)電機廠生產(chǎn)的較成熟的三相隱極式同步發(fā)電機，主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承、氫氣冷卻器、密封瓦裝置、座板、刷架、隔音罩、密封油供油裝置、定子冷卻水裝置等部件組成，整體為全封閉氣密性結(jié)構(gòu)。采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、定子鐵芯及其他構(gòu)件氫冷。氫氣由裝在轉(zhuǎn)子兩端的漿式風(fēng)扇強制循環(huán)，并通過設(shè)置在定子座頂部汽勵兩端的氫氣冷卻器進(jìn)行冷卻，氫氣的密封采用雙流環(huán)式氫油密封系統(tǒng)，雙流環(huán)密封油系統(tǒng)對發(fā)電機的氫氣進(jìn)行密封。

　　該密封技術(shù)是比較完善的氫氣密封系統(tǒng)，其密封油系統(tǒng)分空側(cè)和氫側(cè)油路二個部分。

　　空側(cè)密封油油路是由交流電動機驅(qū)動的空側(cè)密封油油泵，從空側(cè)回油箱取得油源，它把一部分油泵入油冷卻器、濾油器，然后注入密封瓦的空側(cè)，另一部分油則經(jīng)過差壓閥流回到油泵的進(jìn)油側(cè)。通過差壓調(diào)節(jié)閥將密封瓦處的空側(cè)密封油油壓始終保持在高出發(fā)電機機內(nèi)氣體壓力(84±8)kPa的水平上，利用在密封瓦處產(chǎn)生高于氫氣壓力的油膜來密封發(fā)電機內(nèi)部氫氣。另外空側(cè)密封油直流備用泵使油以相同方式循環(huán)。如圖1所示。

　　圖1雙流環(huán)密封瓦結(jié)構(gòu)簡圖

　　氫側(cè)密封油油路是氫側(cè)密封油油路中的油泵從氫側(cè)控制箱取得油源。它把一部分油經(jīng)油冷卻器、濾油器、平衡閥泵往密封瓦的氫側(cè)。在油泵旁裝有旁路管道，通過節(jié)流閥對氫側(cè)油壓進(jìn)行粗調(diào)。氫側(cè)油路的油壓則通過平衡閥進(jìn)行細(xì)調(diào)，并使之自動跟蹤空側(cè)油壓，以達(dá)到基本相同的水平，密封油表盤上差壓計的壓力差要求不大于±490 Pa。另外氫側(cè)密封油直流備用油泵(并聯(lián)在交流油泵的兩端，使氫側(cè)直流油泵，以相同的方式循環(huán))。氫側(cè)密封油箱油位通過空側(cè)密封油泵出口補油或向空側(cè)密封油泵入口排油來控制油箱內(nèi)油位。

　　三、發(fā)電機氫氣純度下降、濕度上升原因

　　氫冷發(fā)電機的氫氣系統(tǒng)中影響發(fā)電機氫氣純度的因素有以下幾個方面。

　　1.補氫管路中有壓縮空氣漏入

　　在氫冷發(fā)電機的系統(tǒng)中，為了啟動前或長期停機檢修時置換發(fā)電機內(nèi)部的氣體。通常設(shè)置有氫氣控制裝置，其作用是通過開啟和關(guān)閉氫氣系統(tǒng)上相關(guān)的閥門，實現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部氣體的置換。在氫氣控制裝置上有一根可移連接管與廠內(nèi)儀用壓縮空氣管路相連，目的是檢修或長期停機時置換發(fā)電機內(nèi)部的二氧化碳?xì)怏w，避免碳酸腐蝕。在檢修后未及時拆除可移連接管的情況下，由于閥門內(nèi)漏或運行人員誤操作等原因，使壓縮空氣進(jìn)入到發(fā)電機氫氣系統(tǒng)，導(dǎo)致氫氣純度下降。

　　2.密封油中水分超標(biāo)

　　從系統(tǒng)設(shè)置可以知道，發(fā)電機密封油系統(tǒng)首次啟動時，其油來自汽輪機潤滑油系統(tǒng)。而在正常運行中，密封油和汽輪機軸承的回油是在一起的，只不過是一部分進(jìn)入密封油，而另一部份進(jìn)入汽輪機主油箱。在汽輪機運行中，由于汽封和軸承箱油擋距離很近，而汽輪機的軸承箱為防止在油擋處滲油和油煙溢出，通常在主油箱排煙風(fēng)機的作用下保持微負(fù)壓狀態(tài)。這樣由于軸封供汽調(diào)整不當(dāng)?shù)仍�因，極易使?jié)櫥�油中含水量增加，通過軸承回油管路進(jìn)入到空側(cè)密封油箱，從而導(dǎo)致密封油中含有較多水分。當(dāng)含有水分較多的密封油通過密封瓦與氫氣接觸時，油中分離出來的水汽會進(jìn)入到發(fā)電機內(nèi)，造成氫氣濕度上升，導(dǎo)致氫氣純度下降。

　　3.密封油系統(tǒng)空氫側(cè)竄油

　　由于空側(cè)密封油和氫側(cè)密封油是二個相對獨立的系統(tǒng)，空側(cè)密封油來自發(fā)電機軸承潤滑用油，其回油與發(fā)電機軸承潤滑油混合后回到主油箱;氫側(cè)密封油系統(tǒng)設(shè)有一個單獨的油箱，密封油箱的補油來自空側(cè)，排油也是去空側(cè)油系統(tǒng)。理論上講，要求二個油系統(tǒng)是獨立的，運行中不允許空、氫側(cè)二路油相互串流，以防止空側(cè)油對氫側(cè)油質(zhì)的污染。在正常的情況下，發(fā)電機密封裝置內(nèi)密封瓦中的空側(cè)和氫側(cè)密封油具有相同的壓力，空側(cè)和氫側(cè)密封油各自保持相對獨立的狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)。但在實際運行中由于閥門內(nèi)漏、管道布置不當(dāng)造成流體阻力壓降不等，平衡閥、差壓閥質(zhì)量不佳，油中雜質(zhì)造成平衡閥、差壓閥運作不靈活或卡澀。若密封油系統(tǒng)的平衡閥跟蹤不好，或是由于平衡閥空側(cè)、氫側(cè)壓力取樣管中的壓力損失不同，雖然從平衡表上觀察空氫兩側(cè)的密封油壓是平衡的，而實際上在密封瓦處的空側(cè)、氫側(cè)密封油壓力則存在一定的壓差，致使油密封裝置中的空側(cè)與氫側(cè)密封油在密封瓦中的壓力不平衡。若空側(cè)密封油壓高于氫側(cè)密封油壓，則含有大量空氣的空側(cè)密封油向氫側(cè)密封油竄油，此時竄到氫側(cè)的空側(cè)密封油將隨氫側(cè)密封油一起回到發(fā)電機的氫側(cè)回油腔(即消泡箱)，然后經(jīng)氫側(cè)回油管，返回到氫側(cè)密封油箱中，將空側(cè)密封油內(nèi)所含的空氣帶入發(fā)電機內(nèi)。若氫側(cè)密封油壓高于空側(cè)密封油壓，則氫側(cè)密封油向空側(cè)密封竄油，此時將使氫側(cè)密封油箱中的密封油量減少，油位降低，系統(tǒng)為了保證安全運行，將自動向氫側(cè)密封油箱中補油，這樣就將含有大量空氣的空側(cè)密封油補進(jìn)了氫側(cè)密封油箱，使氫側(cè)密封油中的空氣含量增加。如果系統(tǒng)中上述現(xiàn)象是連續(xù)的，那么補油也將是連續(xù)的。由于空側(cè)密封油直接取自主油箱，而潤滑油由于汽輪機汽封漏汽的原因，含有較多空氣和水分，當(dāng)含有空氣和水分較多的油通過密封瓦與氫氣接觸時，油中分離出來的氣或汽會進(jìn)入到發(fā)電機內(nèi)，造成氫氣純度下降、濕度上升。而濕度在額定氫壓下若大于4g/m3，容易造成端部凝露，導(dǎo)致絕緣水平下降從而發(fā)展成端部閃絡(luò)事故，具有極大的危害性。

　　4.密封瓦間隙超出設(shè)計值

　　發(fā)電機密封油系統(tǒng)較為復(fù)雜，密封油系統(tǒng)在安裝和運行中，由于油系統(tǒng)中較大雜質(zhì)進(jìn)入密封瓦和發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸頸中間。使軸頸和密封瓦磨損導(dǎo)致間隙變大，這樣密封油流量增加使得空、氫側(cè)相互竄油，大量含有空氣或者水分的密封油與機內(nèi)氫氣混合使氫氣純度下降�；蛘咭蛴椭休^大顆粒使烏金與軸頸表面粗糙度下降，軸瓦與軸頸之間油膜形成不良產(chǎn)生大量油煙。因為密封油壓高于機內(nèi)氫氣壓力，油煙在壓力作用下與發(fā)電機內(nèi)的氫氣混合，導(dǎo)致氫氣純度下降。

　　發(fā)電機軸與密封瓦之間間隙對竄流量的影響如下式所示：

　　Q=πd△p/c3/(12µl)

　　其中，Q—密封油間的竄流量。

　　△p—空、氫側(cè)密封油微差壓

　　d—轉(zhuǎn)子軸徑

　　c—中間環(huán)和軸間的間隙

　　µ—透平油的動力粘度

　　l—中間環(huán)長度

　　由上式可見，密封油間的竄油量與密封瓦中間環(huán)與軸的間隙成3次方關(guān)系，間隙越小，氫氣越容易密封，空、氫側(cè)密封油間的竄流量也會越小。但密封瓦與發(fā)電機軸之間的間隙是一個比較難協(xié)調(diào)的矛盾，由于密封瓦運行時是浮動在軸上的，如配合間隙太小，極容易引起發(fā)電機兩側(cè)軸承振動及密封瓦的磨損，而且容易因為摩擦導(dǎo)致軸系振動。如配合間隙太大，會引起空氫側(cè)油竄流量的增加，影響氫氣純度，更會由于空側(cè)密封油流量大，流阻小，空側(cè)油直接通過中間間隙流至氫側(cè)油處，造成氫側(cè)油的虛假油壓。此時雖然空、氫側(cè)密封油微差壓計上顯示空、氫側(cè)密封油已達(dá)到較好的平衡，但實際上密封瓦中間環(huán)的竄流量還是很大。

　　5.氫側(cè)油管路供油不足

　　氫側(cè)油管比空側(cè)油管徑要小的多，氫側(cè)油管很容易發(fā)生節(jié)流造成氫側(cè)油供油不足，密封瓦氫側(cè)油腔內(nèi)油壓無法正常建立，使得中間密封環(huán)空、氫側(cè)密封油壓無法達(dá)到平衡，從而使空側(cè)密封油向氫側(cè)密封油中竄流。節(jié)流嚴(yán)重時會使進(jìn)入氫側(cè)密封瓦形成油膜的油過少，會破壞油膜的形成，從而直接造成氫氣與空側(cè)油相接觸形成氣體交換，導(dǎo)致氫氣污染。

　　不同的節(jié)流點表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是不同的，由于空、氫側(cè)密封油微差壓管路取樣點是取在發(fā)電機端蓋處的，在取樣點前出現(xiàn)節(jié)流時，表現(xiàn)在調(diào)節(jié)氫側(cè)油母管壓力時空、氫側(cè)密封油微差壓計上反映遲鈍。當(dāng)取樣點后有節(jié)流時，調(diào)節(jié)氫側(cè)密封油壓，則微差壓計上的動作幅度會很大。而在油泵出口壓力上氫側(cè)油泵壓力會大大高于空側(cè)油泵壓力。

　　6.氫側(cè)密封油箱內(nèi)部浮球閥故障

　　密封油系統(tǒng)中的自動補排油的浮球閥卡澀，所導(dǎo)致的浮球閥不能正常開啟或關(guān)閉，或因浮球閥的浮球內(nèi)漏后進(jìn)油，不能正常浮起造成浮球閥不能正常開啟或關(guān)閉，這樣將導(dǎo)致密封油系統(tǒng)中自動補排油的功能失常。若排油閥出現(xiàn)故障，則氫側(cè)密封油箱內(nèi)部排油閥處于常排狀態(tài)，則系統(tǒng)為了氫側(cè)密封油箱油位的穩(wěn)定，就會不斷地將含有大量空氣的空側(cè)密封油補人氫側(cè)密封油箱，此時補油閥也將進(jìn)行連續(xù)的補油。若補油閥出現(xiàn)故障，則氫側(cè)密封油箱內(nèi)部補油閥處于常補狀態(tài)，此時，系統(tǒng)就會不斷地將含有大量空氣的空側(cè)密封油補人氫側(cè)密封油箱，使氫側(cè)密封油中的空氣含量增加，排油閥也將進(jìn)行連續(xù)的排油。若補排油閥都失去了正常的功能，則此時發(fā)電機密封油系統(tǒng)中的氫側(cè)密封油箱則處于一個連續(xù)補排油的動態(tài)平衡狀態(tài)，將大量含有空氣的空側(cè)密封油補進(jìn)了氫側(cè)密封油箱，使氫側(cè)密封油中的空氣含量增加。如圖2所示。

　　圖2 氫側(cè)密封油箱結(jié)構(gòu)圖

　　7.密封油溫度對氫氣純度的影響

　　密封油溫度對氫氣純度的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是密封油溫度的改變使密封瓦與軸之間的間隙改變，從而使油的竄流量改變;二是因油溫的升高導(dǎo)致油中所溶的氣體量減少而釋放出多余的氣體。油溫的提高使得油的動力粘度下降，油的流動性變好，當(dāng)空、氫側(cè)壓差稍微變大時，就會增加兩者的竄流量。運行中密封油溫應(yīng)保持在37℃～43℃之間為宜，一般不超45℃，同時，確保發(fā)電機冷氫溫度在40℃左右。

　　四、結(jié)論

　　發(fā)電機氫氣純度下降的問題是一個老問題，也是各電廠經(jīng)常會遇到的問題，雖然現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的專業(yè)人員技術(shù)水平已很高，其對涉及到氫純度的問題都已從各個方面分析得很到位，但是氫純度下降較快的問題還是困擾著一些生產(chǎn)運行的相關(guān)人員。目前的解決方法多是暫時性的，可能經(jīng)過幾個月運行或一兩次機組的調(diào)停后又會發(fā)現(xiàn)氫純度下降較快的問題再次出現(xiàn)了。但是無論是什么原因，最后都是由于空、氫側(cè)油的交換造成的。因而，檢查、更換有缺陷的平衡閥，加粗平衡閥引壓信號管，現(xiàn)場調(diào)節(jié)密封油系統(tǒng)平衡閥，提高精度，減少竄油量是比較有效的。在安裝、檢修工作中，密封瓦間隙及油檔間隙要作為檢查的重點。一定要按廠家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整合格，嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)。經(jīng)調(diào)整、處理仍達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的，要堅決更換。密封瓦安裝時，兩半密封瓦中分面接觸一定要良好無縫隙，密封支座中分面螺栓緊固后撥動密封瓦應(yīng)靈活無卡澀。通過密封瓦間隙和油檔間隙的控制減少密封油進(jìn)油量。還要保證壓差閥、平衡閥具有良好的調(diào)節(jié)性能和快速的跟蹤性能。該措施是防止發(fā)電機內(nèi)進(jìn)油和氫氣純度的關(guān)鍵，而油質(zhì)的優(yōu)劣則是影響壓差閥、平衡閥正常工作的關(guān)鍵之關(guān)鍵。切實搞好透平油的潔凈工作。該措施對于提高平衡閥、差壓閥的控制精度，防止密封瓦及軸頸的磨損，延長密封瓦的使用壽命是極