300MW汽輪發(fā)電機組氫氣純度下降原因分析與治理

摘 要：300MW氫冷發(fā)電機組采用的是雙流環(huán)密封油系統(tǒng)，目前機組普遍存在運行氫氣純度下降快，氫氣純度、濕度參數(shù)只能維持在較低的狀態(tài)下運行的問題，為了保證發(fā)電機的氫氣純度和濕度能在合格范圍內(nèi)運行，目前現(xiàn)場只能采用頻繁排氫—補氫的方式，來滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需要，這不但浪費了大量的氫氣，而且也影響著機組的安全性和經(jīng)濟性，本文著重對氫氣純度下降原因進行分析研究，提出處理措施。

關(guān)鍵詞：氫氣 純度 分析 處理

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0226-01

張家口發(fā)電廠汽輪發(fā)電機為東方電機股份有限公司制造的QFSN-300-2-20型采用靜止勵磁系統(tǒng)水-氫-氫冷發(fā)電機。采用的是雙流環(huán)密封油系統(tǒng)，按照雙流環(huán)密封油設(shè)計原理來講，只有維持密封瓦內(nèi)空側(cè)密封油與氫側(cè)密封油壓力基本相等，減少空、氫側(cè)密封油的交換，才能防止空側(cè)油系統(tǒng)中夾帶的空氣、水分等進入發(fā)電機內(nèi)，但實際運行中由于受平衡閥調(diào)節(jié)精度、設(shè)備結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)參數(shù)的變化等因素影響很難控制空側(cè)密封油和氫側(cè)密封油壓力的平衡，且經(jīng)常會偏離平衡狀態(tài)一較大值，這樣就造成了發(fā)電機內(nèi)運行氫氣純度下降快，提高氫氣純用氫量大和運行氫氣純度參數(shù)只能維持在較低狀態(tài)下運行問題的出現(xiàn)。

由于氫冷汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸伸必須穿出發(fā)電機的端蓋，因此，這部分成了氫內(nèi)冷發(fā)電機密封的關(guān)鍵。密封油分空側(cè)和氫側(cè)二個油路將油供應給軸密封瓦上的二個環(huán)狀配油槽，油沿轉(zhuǎn)軸軸向穿過密封瓦內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸之間的間隙流出。如果這二個油路中的供油油壓在密封瓦處恰好相等，油就不會在二條配油槽之間的間隙中竄流，但實際情況是兩路油總會存在一定的壓差，存在竄油現(xiàn)象。通常只要密封油壓始終保持高于機內(nèi)氣體壓力，便可防止氫氣從發(fā)電機內(nèi)逸出。氫側(cè)油路供給的油則將沿軸和密封瓦之間的間隙，流向氫側(cè)并流入消泡箱。而空側(cè)油路供給的油則將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)回油密封箱，從而防止了空氣與潮汽侵入發(fā)電機內(nèi)部 。

一、氫氣純度下降原因

發(fā)電機運行氫氣純度低，濕度不合格的主要原因是空、氫側(cè)油相互竄油，使空側(cè)油中含有的空氣、水分被帶入氫側(cè)油進而進入發(fā)電機內(nèi)污染了內(nèi)部的氫氣。由于現(xiàn)在雙流環(huán)密封油系統(tǒng)的空、氫側(cè)兩路油，在實際工作時不會達到理想中的完全平衡，所以發(fā)電機雙流環(huán)密封油系統(tǒng)的空、氫側(cè)油相互竄油是不可避免的，空側(cè)油中的空氣、水分進入到發(fā)電機內(nèi)，影響機內(nèi)的氫氣純度和濕度是必然的；因此，需要對現(xiàn)在的雙流環(huán)密封油系統(tǒng)進行優(yōu)化，加裝發(fā)電機氫氣節(jié)能裝置，來解決發(fā)電機運行的氫氣純度低，用氫量大的問題。

二、發(fā)電機組氫氣純度下降快的問題，帶來的不良影響表現(xiàn)

1.機組運行時只能大量排氫、補氫來提高發(fā)電機內(nèi)的氫氣純度，浪費大量氫氣，增加了工作人員的勞動強度。

2.氫氣純度低，增加了發(fā)電機的風摩損耗，降低了發(fā)電機的效率

3.大修時通過更換密封瓦和平衡閥來解決問題，增加了檢修成本。

4.純度不合格，會造成氫爆，影響人身和設(shè)備安全。

三、提高發(fā)電機氫氣純度的必要性

1.氫冷汽輪發(fā)電機組機內(nèi)進入大量非氫性氣體（如：油煙、空氣和水霧等），使氫氣純度迅速降低，將直接影響氫氣冷卻效果，以及對發(fā)電機組安全性和經(jīng)濟性。

2.首先，油煙和水霧在線棒端部絕緣表面或端部綁扎結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成擊穿放電通道，潮濕的油煙使絕緣間隙中的氫氣介質(zhì)性能變差，為定子線棒端部絕緣擊穿事故提供了外部條件。

3.其次，在發(fā)電機內(nèi)風扇負壓的作用下，源源不斷地使油煙、空氣和水霧進入發(fā)電機內(nèi)，導致機內(nèi)氫氣純度迅速下降，氣體密度增大；

4.氫氣純度下降會影響機組的安全運行，如果氫氣純度下降至爆炸范圍內(nèi)（4%——74%），在一定的條件下可能會引起發(fā)電機內(nèi)的氫氣爆炸；同時為了提高發(fā)電機氫氣純度，不得不排氫——補氫，增加了提純用氫量，影響了發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性。

5.氣體密度的增大，增加了發(fā)電機的通風損耗（發(fā)電機內(nèi)運行氫氣純度每降低1%，發(fā)電機通風損耗將增加約11%），降低了發(fā)電機的運行效率，，給發(fā)電廠造成了較大的經(jīng)濟損失。經(jīng)計算，每年300MW機組按250天運行計算，因氫氣純度下降造成的經(jīng)濟損失就有20萬左右。

6.氫氣純度下降嚴重影響著發(fā)電機組的安全性并帶來不必要的經(jīng)濟損失（風摩損耗），因此有必要對氫氣純度下降快和用氫量大的問題進行治理解決。通過對密封油系統(tǒng)優(yōu)化，加裝發(fā)電機氫氣節(jié)能裝置，解決運行氫氣純度低下降快的問題，同時解決氫氣濕度不合格的問題，提高發(fā)電機組運行的經(jīng)濟性和安全性。

四、治理發(fā)電機氫氣純度措施論證

1.頻繁采用排氫—補氫的運行方式來提高發(fā)電機運行氫氣的純度，這種方法雖然能維持發(fā)電機氫氣純度在96%狀態(tài)下運行，但浪費了大量氫氣，且氫氣純度較低，增加了發(fā)電機通風損耗，造成不必要的浪費；（發(fā)電機廠家出廠要求為98%，發(fā)電機內(nèi)運行氫氣純度每降低1%，發(fā)電機通風損耗將增加約11%）。

2.機組大修時通過更換密封瓦和平衡閥來解決問題，當密封瓦間隙超標和平衡閥跟蹤不靈敏時，空氫側(cè)竄油量增大，氫氣純度下降快，在機組檢修時可以采取更換密封瓦、平衡閥的辦法，來解決氫氣純度下降快的問題，但這種方法只能暫時緩解氫氣純度的下降；在機組開機運行一段時間后，密封瓦間隙增大，平衡閥調(diào)節(jié)精度變差，氫氣純度下降快的問題又會表現(xiàn)出來；更換密封瓦、平衡閥的費用，需要30萬左右，增加了檢修費用。

3.增設(shè)發(fā)電機氫氣節(jié)能裝置，進行密封油系統(tǒng)優(yōu)化

3.1改造方案描述：在氫側(cè)回油箱補油管路上并接密封油提純裝置，提前對補入氫側(cè)回油箱內(nèi)的空側(cè)油進行凈化處理，將空側(cè)油中含有的有害氣（汽）體提前脫出，阻止有害氣（汽）體進入發(fā)電機內(nèi)而影響機內(nèi)的氫氣純度。通過以上改進可有效隔絕影響氫氣純度降低的污染源，而使發(fā)電機內(nèi)氫氣純度維持在98%狀態(tài)下長期運行。如下圖所示

（提純裝置布置簡圖）

3.2改造后預期達到的效果，在發(fā)電機額定氫壓運行時，每天用氫量標準為優(yōu)的前提下（JB-T6227-2005 300MW---8.5m?/d），加裝提純裝置系統(tǒng)優(yōu)化后，只需要維持額定氫壓而少量的補氫，不需因純度問題而進行排氫補氫工作，用氫量控制在優(yōu)秀標準范圍內(nèi)的情況下，氫氣純度可控制在98%以上長期運行。

3.3系統(tǒng)優(yōu)化的優(yōu)點

3.3.1降低了對平衡閥調(diào)節(jié)精度的要求，不必要求平衡閥的調(diào)節(jié)差壓值在±5cm水柱（±490Pa）的范圍內(nèi)，只要氫側(cè)油壓稍高于空側(cè)油壓即可。

3.3.2降低了對密封瓦間隙的要求，即使密封瓦磨損使徑向間隙（0.23-0.28mm）超標，竄油量增大，也可維持發(fā)電機氫氣純度和濕度在合格范圍內(nèi)長期運行。

3.3.3提高了發(fā)電機效率，降低了發(fā)電機風摩損耗。

3.3.4提高氫氣純度方案比較：如下表

（提高氫氣純度方案優(yōu)缺點對比表）

五、經(jīng)濟效益分析

氫氣純度低造成的經(jīng)濟損失有：

1.風摩損耗：氫氣運行純度影響著發(fā)電機的效率，發(fā)電機內(nèi)運行氫氣純度每降低1%，發(fā)電機通風損耗將增加約11%；如果氫氣純度常年96%運行，則與發(fā)電機出廠時的額定純度98%相比較，差了2%，這就造成了發(fā)電機風摩損耗的增加，在不知不覺中卻額外損失了不少電功率。

2.增設(shè)提純裝置后，機內(nèi)氫氣純度由96%提高到98%所獲得的實際經(jīng)濟效益可如下計算：

2.1 計算公式

已知：

由《大型氣輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行》知，發(fā)電機內(nèi)運行氫氣純度每降低1%，發(fā)電機通風損耗將增加約11%；

300MW發(fā)電機組的通風損耗設(shè)計值是205KW；

機組每年實際運行天數(shù)250天；

提純裝置功耗4KW（實際運行功率）；

每度電費按0.5元計算；

則氫氣純度提高2%（96%升至98%）每年所獲得的經(jīng)濟價值是 ：

經(jīng)濟價值= （2×0.11×205-4） × 24 × 250× 0.5=123300（元）

其中：（2×0.11×205-4）—為去除提純裝置自身的實際功耗4KW后，氫氣運行純度提高2%，發(fā)電機通風損耗的節(jié)約電量（KW.H）

2.2 節(jié)約用氫量

增設(shè)提純裝置后，可大量節(jié)約因純度不合格所需的排補用氫量。可節(jié)約排補用氫量15m?/d，每立方氫氣價值18元，一年機組運行250天計算，則可節(jié)約用氫的價值為67500元。

因此，每年因氫氣純度低造成的經(jīng)濟損失為123300+67500=190800元。

結(jié)論

由上述可知加裝發(fā)電機密封油提純裝置后，氫氣純度可在較高的狀態(tài)下長期運行，每年節(jié)約資金 190800 元；降低了發(fā)電機排補氫的用氫量、發(fā)電機的風摩損耗和機組運行人員排補氫的工作量，提高了機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

參考文獻

[1]《大型氣輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行》

[2]《東方汽輪機廠培訓教材》

[3]《山東聊城騰達電力設(shè)備有限公司加裝提純裝置技術(shù)方案》

作者簡介：張永斌：男，（1969—），汽輪機調(diào)速系統(tǒng)高級技師、工程師，張家口發(fā)電廠設(shè)備部汽機專業(yè)高級點檢員。