330MW發(fā)電機氫氣純度快速下降原因分析及處理

王允

【摘 要】針對某發(fā)電廠3號機組發(fā)電機氫氣純度快速下降的問題，通過對相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的全面分析，查明了原因并采取了相應(yīng)的處理措施，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機；密封油系統(tǒng)；氫氣純度；下降

【Abstract】In view of the problem that the hydrogen purity of generator of No.3 in one power plant rapidly decreased， through the comprehensive analysis of related equipment and systems， the causes was identified and take some measure， the good results were achieved.

【Key words】Generator； Seal oil system； Hydrogen purity； Decline

某發(fā)電廠3號機組汽輪機是上海電氣生產(chǎn)的N330-16.7/537/537型亞臨界、單軸、反動式、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機。發(fā)電機為上海電機廠生產(chǎn)的QFSN-330-2型三相兩極同步汽輪發(fā)電機，由汽輪機通過剛性聯(lián)軸器直接拖動工作。發(fā)電機出口電壓為20kV，額定功率330MW，額定容量388MVA，額定功率因數(shù)0.85，冷卻方式采用“水-氫-氫”，即定子線圈（包括定子引線、定子過渡引線和出線）采用水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子線圈采用氫內(nèi)冷，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件采用氫氣表面冷卻，集電環(huán)采用空氣冷卻。發(fā)電機密封油系統(tǒng)是為330MW級汽輪發(fā)電機配置的輔助系統(tǒng)，其作用是為發(fā)電機密封瓦提供連續(xù)不斷的壓力油，發(fā)電機正常工作壓力在0.31MPa左右，并有主差壓閥控制氫-油壓差值為0.084MPa，而空側(cè)密封油壓和氫側(cè)密封油壓由平衡閥控制達(dá)到平衡，使空、氫兩側(cè)密封油互不竄油[1]。

該機組自2013年6月168小時試運行以來，一直存在運行中發(fā)電機氫氣壓力變化不大而氫氣純度大幅度下降的問題，最大時純度下降值達(dá)到3%/每天，平均每天通過補氫和排氫3～4次來維持發(fā)電機氫氣純度在95%以上，補氫量每天達(dá)到30～50m3，制氫站制氫設(shè)備需要連續(xù)不斷的運行，這對機組的安全運行構(gòu)成潛在威脅，同時也造成了一定的經(jīng)濟損失。

1 氫氣的特性

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氫氣是一種無色、無味和無嗅的氣體，其密度是世界上已知密度中最小的，僅為空氣的1/14，具有最大的擴散速度和很強的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱率比空氣大7倍。氫氣泄漏后會迅速向高處擴散。當(dāng)空氣中所含氫氣的體積占混合體積的4%～75.6%時，遇火極易產(chǎn)生爆炸。氫氣易燃燒、燃燒時火焰沒有顏色，肉眼不易觀察。氫氣普遍作為一種性能優(yōu)越的冷卻介質(zhì)應(yīng)用在現(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機組中。

2 氫氣純度低的危害

氫氣純度不合格，導(dǎo)致冷卻效率降低，造成機內(nèi)構(gòu)件局部過熱，將會直接影響機組的安全。因為發(fā)電機運行中產(chǎn)生的熱量，致使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子、定子等各部件的溫度升高，為了保證發(fā)電機內(nèi)構(gòu)件在其允許溫度范圍內(nèi)工作，必須及時將其產(chǎn)生的熱量帶出。由于氫氣的導(dǎo)熱性較空氣高，如果氫氣中混入空氣，氫氣純度不合格，冷卻效率下降，那么機內(nèi)的熱量將不能及時被帶出，必然使機內(nèi)構(gòu)件局部過熱，嚴(yán)重時導(dǎo)致絕緣材料損壞，直接影響機組的安全。同時，由于氫氣密度是世界上已知密度最小的，所以隨著氫氣純度下降，混合氣體的密度變大，導(dǎo)致發(fā)電機的通風(fēng)摩擦損耗增加，發(fā)電機效率降低。如果氫氣純度下降至爆炸范圍內(nèi)（一般為4%～75.6%），在一定的條件下可能會引起發(fā)電機內(nèi)氫氣爆炸。此外，氫氣純度下降后要采取補排氫的方法，來保持純度在合格范圍內(nèi)。頻繁補排氫操作會對運行機組的安全構(gòu)成潛在威脅，也造成了一定的經(jīng)濟損失。綜上，為使機組能夠安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定地運行，嚴(yán)格地保證發(fā)電機內(nèi)氫氣的純度是十分必要的。

3 氫氣純度下降的原因分析

引起氫氣純度下降的原因可以歸為以下幾類：氫氣純度化驗誤差、與氫氣相連接的系統(tǒng)出現(xiàn)問題、密封油系統(tǒng)異常。

3.1 氫氣純度化驗的方法

一般人工進行取樣化驗，使用奧式氫氣純度分析儀手動分析比較可靠，其能夠反映出氫氣純度變化的大體趨勢，但由于取樣管長度和死角存在的問題，導(dǎo)致了氫氣的取樣由于取樣管容積的存在而相對滯后，而且氫樣容易受到污染，用奧式分析儀手動分析進行反算讀數(shù)容易出現(xiàn)偏差和精確數(shù)位少等不足。

應(yīng)用在線氫氣純度檢測儀后彌補了這方面的不足。在線氫氣純度檢測儀的測量元件為熱電阻，檢測電路是一個電橋平衡電路。測量元件熱電阻要進行定期校驗，因為熱電阻受到污染會影響表面導(dǎo)熱系數(shù)，從而影響到檢測精度。在線氫氣純度檢測儀的使用實現(xiàn)了氫氣純度的實時監(jiān)測，由于其測量準(zhǔn)確、測量精度比較高，在氫氣系統(tǒng)安全運行中發(fā)揮了巨大的作用。大多電廠均采用了手動測量分析和在線監(jiān)測相結(jié)合的方法。

正常運行中該廠采用人工取樣化驗和在線氫氣純度檢測儀兩種方法監(jiān)視氫氣純度，同時在氫氣純度快速下降的問題未被解決之前，每班使用便攜式純度儀測量一次氫氣純度，兩臺便攜式氫氣純度儀同時測量，偏差不大于0.3%，如有偏差過大，應(yīng)重新測量。避免了由于取樣管長度和死角等導(dǎo)致的氫樣相對滯后，及用奧式分析儀手動分析進行反算讀數(shù)時出現(xiàn)偏差和精確數(shù)位少等問題。

3.2 與氫氣相連接的系統(tǒng)

與氫氣系統(tǒng)密切相關(guān)的系統(tǒng)有： 氫站母管的來氫、壓縮空氣的軟連接、二氧化碳?xì)馄康倪B接、密封油系統(tǒng)。氫站來氫的純度一般都可達(dá)到 99% 以上，制氫純度方面基本沒有問題；壓縮空氣在正常運行中，與氫氣系統(tǒng)連接軟管斷開，處于隔離狀態(tài)，對純度的影響可以排除； 二氧化碳?xì)馄颗c氫氣系統(tǒng)相連接，僅為事故排氫準(zhǔn)備，有可能對氫氣純度造成影響，但其溫度較低，容易監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)是否漏氣； 因而分析氫氣純度下降原因的主要難點還是在密封油系統(tǒng)。

3.3 密封油系統(tǒng)

該機組密封油系統(tǒng)采用雙流環(huán)式密封瓦，密封油分空側(cè)和氫側(cè)兩個油路將油供給給密封瓦上的兩個環(huán)狀配油槽。如果這兩個油路中的供油油壓在密封瓦處恰好相等，就不會出現(xiàn)兩條配油槽之間竄油的現(xiàn)象。氫側(cè)油路供給的油沿軸和密封瓦之間的間隙，流向氫側(cè)并流入消泡箱?？諅?cè)油路供給的油沿軸和密封瓦之間的間隙流往軸承側(cè)，并匯同軸承回油一起進入空側(cè)密封油箱。

發(fā)電機內(nèi)額定氫壓力為0.31MPa，常壓下空氣不可能進入發(fā)電機內(nèi)部。在密封油系統(tǒng)中，氫側(cè)密封油攜帶是空氣進入發(fā)電機的唯一途徑。而空、氫側(cè)雙回路結(jié)構(gòu)保證了氫側(cè)密封油攜帶空氣量很少。因而影響氫側(cè)密封油攜帶空氣量增大的原因可能為：發(fā)電機空、氫側(cè)密封油大量竄油。初步斷定3號機氫氣純度快速下降的原因主要是空氫側(cè)密封油之間大量竄油。

3.3.1 發(fā)電機空、氫側(cè)竄油

機組正常運行中若空側(cè)密封油壓力大于氫側(cè)密封油壓力，空側(cè)密封油在密封瓦內(nèi)向氫側(cè)竄油，空側(cè)密封油夾帶的空氣等進入氫側(cè)密封油。當(dāng)氫側(cè)密封油壓力大于空側(cè)密封油壓力時，氫側(cè)密封油在密封瓦內(nèi)向空側(cè)竄油，這樣將引起氫側(cè)密封油箱油位降低，氫側(cè)密封油箱浮球閥將打開，空側(cè)密封油泵出口的壓力油通過浮球閥補入氫側(cè)密封油箱。因此，無論空側(cè)密封油壓力大于氫側(cè)密封油壓力，還是氫側(cè)密封油壓力大于空側(cè)密封油壓力，都將使從軸承回油來的空側(cè)密封油夾帶的油煙、水氣等通過與氫側(cè)密封油交換而進入氫側(cè)密封油系統(tǒng)，再通過密封油內(nèi)油檔被發(fā)電機吸入發(fā)電機內(nèi)，造成發(fā)電機內(nèi)氫氣污染，氫氣純度下降，補氫量增大。

一般影響竄油的因素主要有：平衡閥、差壓閥失靈、密封瓦間隙不合格、密封油箱自動補排油異常等。該廠利用機組停運機會針對上述內(nèi)容進行逐項排查處理。

（1）機組停運后對密封油系統(tǒng)的兩只差壓閥和兩只平衡閥進行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)有油泥及可能引起卡澀的雜質(zhì)等，閥門動作靈活，無任何卡澀現(xiàn)象。同時對其進行外觀檢查無裂紋、砂眼，壓力試驗后也未見泄露現(xiàn)象。

（2）解體發(fā)電機5號、6號軸瓦，未發(fā)現(xiàn)磨損情況，密封瓦間隙和密封瓦兩側(cè)的油封齒間隙均在合格范圍內(nèi)。可見密封瓦工作正常，不會出現(xiàn)因密封瓦間隙不合格而導(dǎo)致空、氫側(cè)竄油的現(xiàn)象。

（3）排除了差壓閥和平衡閥故障及密封瓦間隙不合格的因素后，導(dǎo)致空、氫側(cè)竄油的原因可能為氫側(cè)密封油箱補排油異常。

密封油箱內(nèi)裝有一套補排油浮球閥，油箱正常油位應(yīng)保持在距中心位置一定范圍，而補排油閥在此位置起著自動補排油的作用，即當(dāng)油位過高時排油閥的浮球上浮，閥芯隨著往下滑動自動打開，多余的油從閥體排出，排到正常區(qū)間時閥芯自動關(guān)閉，實現(xiàn)自動控制作用。補油閥的原理同上，當(dāng)油位低時補油閥芯打開，油從閥體流入油箱內(nèi)，油箱內(nèi)的補油浮球上浮，閥芯跟著往上滑動，當(dāng)油位補到一定位置時閥芯自動關(guān)閉，浮球停止上浮，使油位保持正常。通過對氫側(cè)油箱補排油管路的多日監(jiān)視觀察，發(fā)現(xiàn)補排油管路溫度與系統(tǒng)油溫基本一致，說明補排油管路經(jīng)常有油流經(jīng)過，導(dǎo)致管路溫度升高，同時也說明浮子閥可能存在問題，導(dǎo)致了氫側(cè)油箱大量補排油，使得空側(cè)密封油中含有的空氣混入氫側(cè)密封油箱中。

機組停運后打開密封油箱端蓋，檢查發(fā)現(xiàn)浮球安裝不合理，導(dǎo)致密封油箱不斷地進行自動補油、排油的工作，致使含有空氣的空側(cè)密封油連續(xù)不斷地進入氫側(cè)密封油箱，空氣直接析出進入發(fā)電機，降低了發(fā)電機的氫氣純度。

3.3.2 密封油中嚴(yán)重帶水

運行中空側(cè)密封油排煙風(fēng)機出口隔離門疏水每天放出大量的水，機組停運后對空側(cè)密封油排煙風(fēng)機進行檢查，發(fā)現(xiàn)出口法蘭處擋板未拆除，使得空側(cè)密封油箱內(nèi)的油煙和水汽未被及時排出。密封油中帶水又是由大機潤滑油中帶水引起的。

解決油中帶水問題，主要是連續(xù)濾油的同時調(diào)整軸封用汽，盡量降低軸封壓力，以真空不下降為標(biāo)準(zhǔn)。必要時對軸封濾網(wǎng)進行清理，重點對高中壓缸兩側(cè)軸封盒處的保溫進行檢查調(diào)整，檢查軸封加熱器的運行情況，水封筒是否情況良好解體檢查A、B排煙風(fēng)機及其隔離門和疏水。

4 原因判定

綜合以上分析，認(rèn)為造成3號機組發(fā)電機氫氣純度快速下降的主要原因如下：

（1）氫側(cè)密封油箱內(nèi)浮球安裝不合理，導(dǎo)致密封油箱不斷地進行自動補油、排油的工作，致使含有空氣的空側(cè)密封油連續(xù)不斷地進入氫側(cè)密封油箱，空氣直接析出進入發(fā)電機，降低了發(fā)電機的氫氣純度。

（2）空側(cè)密封油排煙風(fēng)機出口法蘭處擋板未拆除，使得空側(cè)密封油箱內(nèi)未被及時排出的油煙和水汽，通過氫側(cè)密封油箱的不斷補排油進入氫側(cè)，影響發(fā)電機氫氣純度。

5 處理措施

（1）浮球設(shè)計不合理，按照廠家要求重新調(diào)整安裝浮球。

（2）拆除空側(cè)密封油排煙風(fēng)機出口法蘭處擋板，空側(cè)密封油排煙風(fēng)機正常運行。

（3）嚴(yán)格控制主機潤滑油水分含量在100mg/L的合格范圍內(nèi)，排除油中含水對發(fā)電機氫氣純度的影響。

6 結(jié)語

經(jīng)過對氫氣系統(tǒng)的分析和調(diào)整，氫氣純度下降速度得到有效控制，經(jīng)過一段時間的運行，3號機組平均每天補氫量下降至正常范圍內(nèi)10 m3/d以下，氫氣純度合格率達(dá)98%以上，有效地保證了機組安全經(jīng)濟地運行。

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]