330 MW機組雙流環(huán)密封油系統(tǒng)異常分析和處理

周海峰，李科文，劉維明，陳金衛(wèi)，任建偉

(國電諫壁發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

0 引言

某發(fā)電廠6期11，12號機組采用上海汽輪發(fā)電機有限公司生產(chǎn)的QFSN-300-350MW型發(fā)電機，該發(fā)電機采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、定子鐵芯氫冷，發(fā)電機內(nèi)部氫氣采用雙流雙環(huán)式密封油系統(tǒng)來密封。該機組自投產(chǎn)以來，密封油系統(tǒng)發(fā)生了多起異常情況。

1 密封油系統(tǒng)概況

1.1 密封油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

密封油系統(tǒng)主要由空側(cè)油路、氫側(cè)油路、消泡箱、空側(cè)密封油箱、氫側(cè)密封油箱及密封油備用油源等部分組成。

1.2 密封油系統(tǒng)的工作原理

密封油系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)采用雙流環(huán)式密封瓦，由于氫冷發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸必須穿過發(fā)電機的端蓋，因此這部分是氫內(nèi)冷發(fā)電機密封的關(guān)鍵。密封油的空側(cè)和氫側(cè)2個油路分別將油供給軸密封瓦上的2個環(huán)狀配油槽，油沿轉(zhuǎn)軸軸向從密封瓦內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸之間的間隙流出。如果2個油路的供油油壓在密封瓦處恰好相等，油就不會在2個配油槽的間隙中竄流。通常情況下，只要密封油壓始終保持高于機內(nèi)氫氣壓力，即可防止氫氣從發(fā)電機內(nèi)逸出。空側(cè)密封油將沿軸和密封瓦的間隙流往軸承側(cè)，并同軸承回油一起進入空側(cè)密封油箱，從而防止空氣與潮氣侵入發(fā)電機內(nèi)部；氫側(cè)密封油則沿軸和密封瓦的間隙流往發(fā)電機內(nèi)側(cè)，進入消泡箱，最后回到氫側(cè)密封油箱。

圖1 密封油系統(tǒng)示意

1.3 密封油系統(tǒng)的作用

密封油系統(tǒng)主要有2個作用：

(1) 防止外界氣體進入發(fā)電機以及防止機內(nèi)氫氣漏出；

(2) 潤滑冷卻密封瓦。

采用氫氣冷卻的汽輪發(fā)電機必須由密封油將其端部密封，以保證發(fā)電機內(nèi)部氫氣不外泄，并防止空氣和潮氣進入發(fā)電機。該汽輪發(fā)電機采用雙流環(huán)式密封瓦，密封效果好，調(diào)節(jié)范圍寬，是非常成熟的產(chǎn)品。但若對其結(jié)構(gòu)不甚了解，操作不當(dāng)，也可造成發(fā)電機內(nèi)部進油事故。特別是在發(fā)電機內(nèi)部無壓的情況下，密封油箱油位不易控制，密封油極易沿軸向進入發(fā)電機內(nèi)部。

發(fā)電機內(nèi)部進油是惡性事故，應(yīng)該高度重視。

2 密封油壓波動不穩(wěn)定

雙流環(huán)式密封油系統(tǒng)的空側(cè)密封油壓力隨發(fā)電機內(nèi)氫壓的變化而變化，正常情況下可通過主差壓閥調(diào)整；氫側(cè)密封油壓力則隨發(fā)電機密封瓦處空、氫側(cè)油壓的變化而變化，可通過兩側(cè)平衡閥來調(diào)整。主密封油差壓閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主密封油差壓閥結(jié)構(gòu)示意

主差壓閥接于空側(cè)密封油油泵進出油口，起旁路調(diào)節(jié)作用，信號分別取自機內(nèi)氫壓(通過油壓形式傳遞)和密封油出口油壓。該閥可自動調(diào)節(jié)旁路流量大小，從而保證密封油壓始終高于機內(nèi)氫壓0.084 MPa。

平衡閥裝于氫側(cè)出口處，信號分別取自各自密封瓦處的空、氫側(cè)油壓，通過空、氫側(cè)油壓的變化自動調(diào)節(jié)平衡閥的開度大小，從而使空、氫側(cè)在密封瓦處的油壓差保持在±490 Pa左右。

在運行中，11，12號機組的發(fā)電機空、氫側(cè)密封油壓均發(fā)生了波動現(xiàn)象。

2.1 原因排查及處理過程

雙流環(huán)式密封油系統(tǒng)發(fā)生空、氫側(cè)密封油壓波動情況，可能有以下3個原因：

(1) 發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力波動；(2) 空側(cè)密封油泵工作不正常；(3) 主差壓閥工作不正常。

經(jīng)檢查，確認發(fā)電機內(nèi)氫壓穩(wěn)定，空側(cè)密封油泵電流正常，油泵出口壓力穩(wěn)定。觀察參數(shù)，發(fā)現(xiàn)氫側(cè)油壓變化明顯滯后于空側(cè)油壓。現(xiàn)場主差壓閥有上下輕微晃動情況，且油氫壓差波動不定。

因此，可以判斷是由主差壓閥的調(diào)節(jié)故障導(dǎo)致的空、氫側(cè)油壓全面波動。在這種情況下，如果油氫壓差波動過大，則有可能發(fā)生發(fā)電機進油或是軸瓦磨損、氫氣泄漏爆炸等惡性事故。

導(dǎo)致主差壓閥調(diào)節(jié)故障主要有以下3個原因：(1) 差壓閥閥體、閥桿損壞；

(2) 差壓閥的油信號腔室內(nèi)有空氣，所取壓力信號失準；

(3) 差壓閥調(diào)整彈簧工作不正常。

聯(lián)系檢修人員檢查，發(fā)現(xiàn)差壓閥閥體、閥桿正常無泄漏。將差壓閥油信號腔室內(nèi)空氣放出、更換調(diào)整彈簧后，差壓閥工作正常，空、氫側(cè)密封油壓穩(wěn)定。

2.2 預(yù)防措施

(1) 在差壓閥解體檢修后、投運前，應(yīng)聯(lián)系檢修人員對油信號腔室進行放空氣處理。

(2) 差壓閥彈簧無變形、斷裂、銹蝕，工作正常。

(3) 閥桿無磨損、彎曲，閥體無裂紋、無銹蝕，密封面完好。

(4) 運行中應(yīng)對密封油壓及油氫壓差加強監(jiān)視。

3 發(fā)電機氫氣純度下降且含水量大

氫氣是一種極易爆炸的危險品，如果氫氣中含氧量大于3 %，遇火立即爆炸。由于發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程中可能出現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子放電現(xiàn)象，若發(fā)電機內(nèi)氫氣純度降低，則可能發(fā)生氫爆，還可能造成發(fā)電機繞組絕緣下降，嚴重威脅發(fā)電機的安全。這也是造成發(fā)電機護環(huán)“氫致裂紋”的主要原因。同時，發(fā)電機氫氣純度降低，還會影響冷卻效果，直接影響發(fā)電機效率，即氫氣純度每下降1 %，通風(fēng)損耗及轉(zhuǎn)子摩擦損耗將增加11 %。正常運行時，廠家要求氫氣純度在95 %—98 %，該發(fā)電廠規(guī)定氫氣純度大于 96 %。

運行中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機氫氣純度下降較快，經(jīng)化學(xué)專業(yè)檢測，確認了發(fā)電機氫氣含水量較大。

3.1 原因分析

針對發(fā)電機里氫氣含水量較大的現(xiàn)象，重點從以下幾個方面進行分析：

(1) 氫氣干燥器工作是否正常；

(2) 定冷水溫是否過低，發(fā)電機內(nèi)是否結(jié)露；

(3) 密封油工作是否正常，外界潮氣是否進入發(fā)電機內(nèi)；

(4) 密封油質(zhì)是否變差，含水量是否變大；

(5) 空/氫側(cè)油壓是否在合適范圍內(nèi)，是否造成空/氫側(cè)密封瓦處大量串油；

(6) 空側(cè)排煙風(fēng)機工作是否正常。

3.2 檢查及處理

2014-07-16早班，11號機組啟動后出現(xiàn)氫氣純度下降較快的情況。運行人員檢查確認：氫氣干燥器工作正常；定冷水溫度42 ℃，發(fā)電機冷氫溫度40 ℃，在規(guī)定范圍內(nèi)；高壓油至密封油減壓閥前手動門關(guān)閉嚴密；空/氫側(cè)密封油壓差值在合適范圍，平衡閥處壓力幾乎在“0”位；氫側(cè)油箱強補管、強排管處溫差在8 ℃以內(nèi)。這些說明氫氣純度下降較快不是由密封瓦處大量串油引起的。

7月18日，運行和檢修人員對11號機密封油系統(tǒng)進行了全面檢查。

經(jīng)排查，確認上述參數(shù)、設(shè)備均運行正常，但空側(cè)密封油排煙風(fēng)機處地面有水跡，排水不暢。聯(lián)系檢修人員將1臺排煙風(fēng)機解體檢查后，發(fā)現(xiàn)為排煙風(fēng)機疏水管道U形管堵塞，無法有效將密封油箱中的水分帶走、排出，造成密封油中所含水分進入機內(nèi)，導(dǎo)致氫氣純度下降。

3.3 預(yù)防措施

(1) 在機組大小修期間，對密封油排煙風(fēng)機疏水管道進行清理疏通。

(2) 巡檢檢查時，應(yīng)細心觀察排煙風(fēng)機運行、振動聲音是否正常，確保風(fēng)機本體無水跡。

4 發(fā)電機氫氣純度下降且氫氣泄漏

自2012-05-13以來，11號機組氫氣純度下降較快，日平均氫氣排污量明顯增大至7.49 m3，調(diào)整后效果不佳。自2013-01-03機組調(diào)停后啟動以來，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機氫壓下降較快，補氫率較高，但密封油泵電流、出口壓力等參數(shù)均正常。經(jīng)過對密封油系統(tǒng)的多次調(diào)整，將原本維持在84 kPa的油氫壓差逐步抬高到130 kPa，氫壓從300 kPa降至260 kPa運行，均未取得良好效果，漏氫現(xiàn)象依然嚴重。漏氫最快時，發(fā)電機氫壓在0.5 h內(nèi)從296 kPa 驟降至 281 kPa。

4.1 原因分析

造成氫壓下降、氫氣逃逸的可能原因大致分為2類：(1) 密封油未能密封氫氣；(2) 與發(fā)電機氫氣相關(guān)的系統(tǒng)有泄漏，如管道、系統(tǒng)中的設(shè)備硬件損壞，存在漏點。

由于還發(fā)現(xiàn)有關(guān)運行參數(shù)發(fā)生了較明顯變化，故對異常數(shù)據(jù)進行收集和排查。

(1) 氫側(cè)油溫在 42—52 ℃變化。

(2) 勵端氫側(cè)消泡箱回油溫度偏低，在45—50 ℃變化，機端氫側(cè)消泡箱回油溫度在63—68 ℃變化。

(3) 運行中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機汽、勵端空側(cè)密封瓦進油口處就地壓力表顯示壓力不一致。正常運行時，汽端空側(cè)密封油進瓦壓力為0.38 MPa，而勵端僅為 0.31 MPa。

(4) 運行中，11號機組的氫側(cè)密封油箱補油閥一直處于補油狀態(tài)，而排油閥處于關(guān)閉狀態(tài)，其油位長期處于139 mm的低油位。在強制不補油時，觀察氫側(cè)油箱油位下降速度在0.5 h內(nèi)下降70 mm，而12號機組同樣試驗只下降10 mm。

(5) 經(jīng)過多日觀察，發(fā)現(xiàn)機組氫壓下降速度時快時緩，但總體下降速度仍比正常情況時快。

4.2 原因排查

(1) 在氫側(cè)密封油油箱附近，對消泡箱至氫側(cè)密封油管道、定冷水箱頂部放空氣門處、閉冷水箱頂部、主機油箱附近、主機排煙風(fēng)機及空側(cè)密封油箱排煙風(fēng)機出口等處測氫，未發(fā)現(xiàn)大量漏氫信號。

(2) 對差壓閥、平衡閥進行檢查，動作無異常，且空、氫側(cè)油泵出口壓力正常。

(3) 懷疑空側(cè)密封油路存在堵塞現(xiàn)象，在投入2組濾網(wǎng)后漏氫情況并無好轉(zhuǎn)。

(4) 通過設(shè)備測量發(fā)電機汽、勵端空側(cè)密封油進油流量，結(jié)果顯示勵端流量高于機端流量。

(5) 通過進油壓力表管將發(fā)電機汽、勵端空側(cè)密封油進油連通后(見圖3)，勵端油壓略有上升。此舉對于氫壓下降雖有一定效果，但未能從根本上解決問題。

通過對氫壓下降的排查及對參數(shù)變化的分析可知，雖然消泡箱處油位正常，發(fā)電機勵端未測出一定濃度的氫氣，但對發(fā)電機勵端密封瓦與大軸軸頸磨損問題的分析判斷仍十分必要。

圖3 汽、勵端空側(cè)密封油聯(lián)通示意

在機組運行中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子會受到整個汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的膨脹位移、汽缸膨脹變化以及軸向位移串動變化的影響。因此，當(dāng)軸頸磨損的深度和寬度達到一定程度時，密封瓦與轉(zhuǎn)子軸頸的間隙會隨著機組運行工況的變化而變化，時而增大，時而縮小，進而造成密封面上的圓筒形油膜失穩(wěn)和密封油流量的變化。同時，變化的間隙使得密封瓦內(nèi)部的空/氫側(cè)油源相竄。在失穩(wěn)和油源相竄的吸附作用下，發(fā)電機內(nèi)氫氣純度和氫氣壓力必然會很快下降，且下降速率也不穩(wěn)定。因為勵端密封瓦與大軸的磨損，導(dǎo)致在該處不能很好地建立上起油膜，不能帶走密封瓦和大軸摩擦的熱量；同時因為氫側(cè)壓力稍高，致使本該回到氫側(cè)的油量通過增大的間隙竄到空側(cè)，造成了勵端消泡箱回油溫度偏低、氫側(cè)油溫偏低、氫側(cè)回油箱油位低，氫側(cè)油箱長期處于補油狀態(tài)等現(xiàn)象。勵端空側(cè)進瓦密封油壓低以及該側(cè)油流流量大，也驗證了這一點。

4.3 檢查及處理

將原本維持在84 kPa的油氫壓差逐步抬高到130 kPa后，向調(diào)度申請停機。停機后檢查，發(fā)現(xiàn)的確是發(fā)電機勵端密封瓦與大軸發(fā)生了磨損。更換勵端空、氫側(cè)密封瓦各1套，軸頸磨損委外修補后，機組再次啟動運行，氫壓下降速率正常，勵端消泡箱回油溫度上升至58 ℃，氫側(cè)油溫上升至49 ℃，氫側(cè)油箱油位上升到229 mm，汽、勵端空側(cè)密封油進瓦壓力分別為 0.38 MPa 和 0.37 MPa，所有參數(shù)恢復(fù)正常。

4.4 預(yù)防措施

(1) 為了便于在后續(xù)運行中及時觀察汽、勵兩側(cè)密封瓦腔室中氫側(cè)密封油壓，在機組調(diào)停時分別在發(fā)電機汽、勵兩側(cè)氫側(cè)油信號管處增加就地壓力表及一次門；同時在汽、勵兩側(cè)空、氫側(cè)進油濾網(wǎng)大蓋上部增加備用壓力表一次門(共4只)，以便今后根據(jù)汽、勵兩側(cè)空氫側(cè)進油壓力與空、氫側(cè)密封瓦腔室中空、氫側(cè)油壓進行對比和判斷。

(2) 在以后的大小修中，加強設(shè)備清理工作，一定要認真清理和吹掃發(fā)電機汽、勵側(cè)大端蓋的盲角處。在進行油循環(huán)時，大流量沖洗一定要充分，不能只憑化驗結(jié)果決定油質(zhì)是否合格，最好是輔以掛網(wǎng)檢查。有條件的情況下，可在瓦供油管處設(shè)置磁性濾網(wǎng)，以進一步提高油的質(zhì)量。

(3) 運行人員在機組啟動后，對密封油系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)要多加分析判斷，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時注意并處理，進一步確保機組運行的可靠性。

5 結(jié)束語

雙流環(huán)式密封油系統(tǒng)的密封效率高，可有效防止氫氣的外泄及空氣的入侵，對機組的安全運行起著非常關(guān)鍵的作用。通過對該發(fā)電廠6期2臺330 MW機組密封油系統(tǒng)的異常情況分析，總結(jié)了發(fā)生異常的根本原因和處理措施，為同類型的發(fā)電機組密封油系統(tǒng)的安全運行提供了一定的借鑒經(jīng)驗，有一定的參考性。

參考文獻：

1 望亭發(fā)電廠.汽輪機[M].北京：中國電力出版社，2002.

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