淺談AP1000核電密封油系統對氫氣純度的影響分析

張斌

摘 要：AP1000核電發電機組采用雙流環式密封油系統，在運行過程中普遍存在氫氣純度下降快，補氫量大和氫氣純度參數只能維持在較低狀態下的問題，影響機組的安全性和經濟性。本文從設備結構以及系統設計方面進行深入分析，論述密封油系統與氫氣純度的關系，找出導致氫氣純度下降的根本原因，并提出可行的改善措施，對分析處理同類核電機組可能出現的類似問題具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：核電 雙流環 密封瓦 氫氣純度

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

引言：AP1000核電依托項目汽輪發電機組由哈動--三菱聯合體供貨，發電機為半速轉機，轉速為1500RPM。發電機冷卻方式為水氫氫冷卻，氫氣冷卻可有效降低發電機繞組熱損耗從而提高發電效率，但氫氣純度過低會影響發電機組的安全性和經濟性。發電機采用雙流環式密封油系統，可以防止氫氣從發電機軸端泄露，阻止外部空氣進入發電機內，從而保持發電機線圈干燥，維持氫氣的高純度。

1 密封油系統及設備簡介

1. 密封氫氣原理：

雙流環式密封油系統通過軸頸與環式密封瓦氫氣側與空氣側之間的油流阻止氫氣外逸。雙流即密封瓦的氫氣側與空氣側各有獨立的油回路，當兩路密封油經過密封支座上各自的油道，進入雙流密封瓦中各自的油槽時，平衡閥控制氫側進油系統使氫側油壓與空側油壓維持均衡，各自從軸頸表面分別流向氫側和空側，達到密封氫氣的作用。

2. 密封油系統簡介：

（1）空側密封油油路：空側回油密封箱接受發電機軸承回油和從軸封來的空側密封油回油。它配備有兩個排油管，一個向空側密封油泵吸入口供油，另一個將一些密封油和軸承油排向汽機潤滑油主油箱。空側密封油壓力由空側密封油泵出口母管上的壓差調節閥維持比氫氣壓力高85KPa。（2）氫側密封油油路：氫側密封油泵從氫側回油調節箱吸油，密封油依次經過冷油器、過濾器、壓力平衡閥，流入密封瓦的氫側密封內槽，然后向發電機內側流動，排向位于密封瓦下面的消泡箱，在消泡箱密封油吸收的部分氫氣會釋放出來，密封油從消泡箱流出后回到氫側回油調節箱。（3）密封油真空處理單元：密封油真空處理單元接收空側密封油子系統的密封油，將油中的氣體和水分離出來，再向氫側回油調節箱供應經真空處理的油。即使真空處理單元發生故障，發電機也可以依靠密封油系統保持連續運行。

2 氫氣純度低的影響

采用雙流環式密封油系統的發電機在運行過程中普遍存在氫氣純度下降快，補氫量大和氫氣純度參數只能維持在較低狀態下的問題。氫氣純度過低會對發電機組造成下列影響：

1.如果氫氣純度下降至4%--74%，可能引起氫氣爆炸；2.有害氣體會造成絕緣老化、鐵芯及金屬部件的腐蝕；3.氫氣純度下降會導致冷卻效率降低，造成發電機內構件的局部過熱；4.氫氣純度下降，氣體密度增大，會增加發電機的通風損耗，降低發電機的運行效率；5.為提高氫氣純度，需要進行排氫——補氫操作，增加工作量和耗氫量，影響發電機組的運行經濟性和安全性。

3 氫氣純度下降的原因分析

3.1 影響發電機氫氣純度下降的根本原因：

正常運行氫壓為0.53-0.585MPA（表壓），外界空氣無法進入發電機，使氫氣純度降低的根本原因是氫側油與空側油的交換，將油中溶解的空氣帶入發電機內造成的，其交換點在密封瓦和氫側密封油箱兩處。交換過程如下：當空側密封油壓力高于氫側密封油壓力時，空側密封油在密封瓦處向氫側竄油，空側密封油中含有的空氣和水份等進人發電機消泡箱內，空氣在消泡箱內擴容后逸入發電機內從而降低氫氣純度。由于空側油竄向氫側，氫側回油箱油位升高使排油閥打開，將多余的氫側油排向空側密封油泵入口。當氫側密封油壓力高于空側密封油壓力時，氫側密封油在密封瓦處竄向空側，導致氫側密封油箱油位下降，補油閥自動打開，含有空氣和水份的空側密封油通過補油閥進人氫側密封油箱，經油泵進人密封瓦后，空氣在消泡箱內擴容進入發電機。由此可見，不管是空側壓力高于氫側壓力，還是氫側壓力高于空側壓力，都將導致空氫側之間竄油，使含有空氣和水份的空側密封油竄入氫側，長期運行必將導致氫氣純度惡化。

3.2 空側與氫側竄油的原因

根據雙流環密封瓦設計原理，只有維持密封瓦內空側密封油與氫側密封油壓力平衡，減少空、氫側密封油交換，才能防止空側油系統中夾帶的空氣等進入氫側密封油系統。運行過程中由于受平衡閥調節精度、設備結構、運行狀態參數變化等因素的影響很難控制空側密封油和氫側密封油壓力的平衡，不可避免的使空側油與氫側油之間相互竄油。造成空氫側密封油壓力不平衡主要原因有：

（1）平衡閥調節精度。由于平衡閥活塞和油缸之間間隙很小，稍有雜質就可能造成活塞的運動阻力增大，甚至卡死，致使平衡閥調節精度變差，不能有效維持空、氫側密封油壓力的平衡，造成竄油量增大，從而使發電機氫氣純度下降。（2）平衡閥的空、氫側密封油壓力信號測點存在誤差。由于設備結構的原因，目前只能測量密封瓦上空、氫側密封油進油處的壓力作為平衡閥的調節信號，而不是密封瓦與轉軸之間的實際壓力，因此必然造成測量誤差，使平衡閥不能有效維持空、氫側密封油壓力的平衡，從而引起空、氫側竄油量的增大而降低發電機純度。由以上原因可以看出，空氫側存在竄油是不可避免的。由于受平衡閥調節精度、設備結構、運行狀態參數的變化等因素的影響，使空氫側竄油量的多少不容易控制，就會出現運行調整后情況較好，一段時間后又變差的情況，使發電機的氫氣純度不能維持在較高的純度下運行，降低發電機運行的效率和安全性。

4 防止措施

經以上分析可知密封油的空氫側竄油是不可避免，為防止氫側密封油品質惡化，可采取下列措施：

1.保障密封油真空處理單元正常運行

正常運行時，維持軸封密封環處的氫側密封油壓力比空側密封油壓力略高，并維持二者壓差恒定，使得少量的氫側密封油向外流向空側密封油子系統。這將導致氫側回油調節箱的油位下降，部分經過真空處理單元處理過的空側密封油通過供油泵供入氫側回油調節箱，補償氫側減少的油量。與未經處理的空側密封油相比，經真空處理的空側密封油不含任何空氣和水分，可以維持氫氣純度高于98%。

2.采用高精度密封油濾網，確保油質符合要求

由于密封油中的微小顆粒與密封瓦及軸頸的相對流動產生研磨，加劇密封瓦與軸頸的磨損，導致運行密封瓦間隙增大。密封油流中的微小顆粒還會造成平衡閥卡澀，油壓自動控制失靈。建議采用過濾精度更高的濾網或采用過濾效果比刮片式濾網更好的纖維式濾網。

3.適當降低密封油溫度

（1）密封油溫度下降會冷卻密封瓦，使發電機軸與密封瓦之間的間隙變小，減少密封油流量，從而降低密封油攜帶空氣的總量。（2）密封油溫度下降會增大油的粘性，減少密封油流量，降低密封油攜帶空氣總量。（3）在不影響機組振動的情況下，保持較低的密封油溫度，能夠降低氫氣純度下降的速度，減少經常補排氫產生的耗氫量。

5結語

發電機氫氣純度下降較快是雙流環密封油系統共有的問題，在運行時如果出現氫氣純度下降問題，除了對密封油系統的運行參數進行調整外，更應該有效保障密封油真空處理單元的正常運行，可以最大限度地減少有害氣體對氫氣純度的影響，長期維持發電機組的正常運行。

參考文獻

[1] 丁勇富，陳懇.發電機氫氣純度下降原因分析及處理[J].電站系統工程，2009（5）：39-40.

[2] 顧軍.氫氣密封油系統[J].AP1000核電廠系統與設備，2010（5）：310-315.

[3] 胡曉輝.雙流環發電機氫氣純度下降的原因分析[J].華電技術， 2008.30（7）：14-16.