百萬千瓦級發電機漏氫分析及處理

姚嘉俊

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

據統計,90 %以上的國內百萬千瓦級核電機組均采用東方電氣集團ALSTOM技術生產的半轉速大型汽輪發電機。發電機采用水-氫-氫冷卻技術,即定子線圈(包括定子引線、定子過渡引線和出線)水內冷、轉子線圈氫內冷、定子鐵芯及端部結構件氫氣表面冷卻的方式；在額定壓力0.3 MPa下充氫體積142 m3。

氫氣嚴密性是保障發電機安全穩定運行的一項重要指標。發電機漏氫可能導致發電機內部部件溫度升高,影響設備壽命,同時氫氣是一種易燃易爆氣體,極易造成人員傷亡和設備損壞。國內外百萬千瓦級發電機組曾多次發生因發電機氫氣泄漏而被迫停機檢修的事件,造成較大經濟損失。由于系統結構的復雜性,漏氫初期僅能觀察到泄漏量變大、補氫頻率增加等表象,往往很難第一時間定位到漏點,導致出現查漏、堵漏困難及干預被動的局面。因此,有必要對水-氫-氫冷發電機的漏氫機理和干預措施進行分析研究。

1 發電機漏氫的可能途徑

1.1 發電機氫氣直接外漏

直接外漏,即發電機內的氫氣通過發電機端蓋與基座結合面、上下端蓋結合面、固定端蓋的螺孔等漏點直接泄漏到環境中。該型漏點發生可能性大、范圍廣,漏點定位較難。通過收集多個發電機漏氫處理案例發現,發電機軸承端蓋中分面、各法蘭連接部件螺栓等部位極易發生漏氫現象。

(1) 發電機各軸承端蓋中分面泄漏。發電機軸承端蓋與本體的連接一般采用法蘭結合連接,可能由于法蘭連接力矩不足、結合面存在異物、結合面損傷或變形等因素導致密封性能下降,氫氣從微小的縫隙中漏出。中分面泄漏一般呈現線狀漏點,泄漏量較大。以實測經驗數據來看,一條約10 cm長的中分面泄漏,使用探測儀器測得的泄漏量達到20 % LEL (LEL是low explosion level的縮寫,意為“爆炸下限”,對于氫氣來說,1 % LEL為0.04 % (氫氣在空氣中的體積百分比)。20 % LEL為一般漏量大小)時,對發電機整體氫氣泄漏量的貢獻約為10 m3/天(標準條件下,下同)。

(2) 法蘭連接部件螺栓泄漏。發電機結合部件的法蘭連接螺栓泄漏是另一種較為常見的外漏,一般原因為法蘭螺栓力矩不足,螺紋結合面存在制造瑕疵,或者安裝時存在安裝缺陷等原因導致。法蘭螺栓屬于螺紋連接,氫氣從不嚴密的螺紋縫隙處漏出,為點狀泄漏,漏量一般較小。使用探測儀器測得的泄漏量達到50 % LEL時,對發電機整體氫氣泄漏量的貢獻約為2 m3/天。

1.2 密封組件內漏

發電機密封瓦座與端蓋的垂直接合面之間的密封組件也是較易漏氫的部位之一。現代百萬千瓦級發電機均采用密封組件(密封瓦+密封齒)與密封油結合的綜合密封方式。在發電機運行的過程中,內部密封油壓比氫壓大50 kPa左右,同時密封組件設計有密封膠條,使基座與端蓋兩個剛性組件之間建立柔性過盈連接,可進一步減少漏氫的概率；如若密封膠條失效,還能夠通過在線操作往密封膠槽注入密封膠的方式進行補漏,以此替代密封膠條的功能。

但是,密封組件一旦失效,所導致的氫氣泄漏量較大。密封組件失效初期表現為發電機軸瓦潤滑油系統回油管線、密封油系統回油排煙口可以探測到氫氣。原因是在汽輪機組設計時,為了避免潤滑油從軸承處甩出,發電機潤滑油箱一般保持負壓,確保潤滑油回流至油箱內,但這也導致發電機內部在發生氫氣泄漏時會往潤滑油箱聚集,由此帶來較大的氫爆風險。

2020年,國內某百萬千瓦級核能發電機組大修并網后,發電機氫氣泄漏量測得12.63 m3/天,兩天后升高至18.30 m3/天。在進行發電機氫氣泄漏點排查過程中,發現發電機端蓋螺栓3處點狀直接外漏點,使用金屬膠進行堵漏后泄漏量仍處于較高水平；之后參考同行電廠的排查經驗,對發電機軸瓦潤滑油回油管線進行氫濃度測量,最終定位到7瓦軸承潤滑油回油管線氫濃度約為0.16 % (氫氣在空氣中的體積百分比),據此判斷為該處密封組件失效,相關泄漏排查數據見表1。在該事件中據保守估算,7瓦潤滑油回油管線氫氣泄漏量為14.63 m3/天,屬于大型漏點。

表1 密封組件失效時氫濃度測量值 %

1.3 定子冷卻水線棒泄漏

發電機定子繞組采用水內冷,鐵芯采用氫氣外冷。氫氣與水之間通過銅制線棒隔開,旨在避免冷卻水漏入發電機內部引發短路事故。通過表壓傳感器測得定子空腔導線內的冷卻水壓約為250 kPa,低于發電機內氫壓300 kPa。當冷卻線棒出現沙眼或者接頭焊縫處存在缺陷時,可能造成氫氣進入冷卻水中,隨著定子冷卻水流動并最終在定冷水箱處聚集。定冷水漏氫的現象為：漏氫量的大小隨定冷水壓波動而波動,在定冷水箱排氣閥處可測出較高濃度的氫含量。

以某電廠發電機定子冷卻水泄漏為例,在初期發電機氫氣泄漏率突然達到30 m3/天,排查的過程中發現氫氣泄漏量與定冷水壓力存在反比關系,頭箱壓力上漲則泄漏量下降,為了避免定冷水系統超壓,頻繁進行泄壓,泄壓過程中,泄壓口探測到較高濃度的氫氣。停機后對系統進行打壓試驗,發現線棒上一處φ5的穿孔,初步分析為發電機運行期間該處線棒與基座長期碰磨導致。

2 發電機漏氫的干預措施

2.1 安全準則

按照ALSTOM廠家設計準則,其生產的百萬千瓦級汽輪發電機組(適用于包括TA-1100-78等多種型號)的額定工作氫壓為300 kPa,該工況下的泄漏量應小于等于18 m3/天,一般未出現任何漏點的發電機啟機后泄漏率為8～10 m3/天,超出11～12 m3/天時就應該組織進行查漏。

廠家安裝技術要求為：發電機整體氣密性試驗24 h,折算成0 ℃時的壓降小于2 kPa合格,這也是歷次發電機解體大修后的啟動前氦氣保壓檢查的必檢項目。氣密性試驗24 h壓降計算式可寫成：

式中：Δp為24 h真實壓降,kPa；D為測試持續時間,h；p氫氣1,p氫氣2為測試起始、結束時機內氫氣壓強,kPa；t1,t2為測試起始、結束時機內氫氣平均溫度,℃；p大氣1,p大氣2為測試起始、結束時發電機周圍大氣壓強,kPa。

2.2 發電機直接外漏的查漏措施及干預方式

發電機氫氣外漏的檢查方式相對比較簡單,一般情況下可通過肥皂液、噴涂專用檢漏液、高靈敏度可燃氣體監測儀來輔助漏點排查。發現漏點后,可采用涂抹金屬密封膠的工藝進行帶壓堵漏,目前采用的密封膠普遍為美國泰特(Tite Seal)公司生產的T25-75型產品或美國ABBEY公司生產的N25-75型產品。待密封膠凝固后監測評估堵漏效果,如堵漏無效果或漏點擴大,應及時停機處理。

為了避免漏氫聚集引發氫爆風險,對于等待停機檢修的小型漏點,可以在漏點處增加防爆風機促進區域空氣流動,同時通過控制該區域的動火作業等方式進行管控。

2.3 密封組件泄漏的排查措施及干預方式

發電機密封組件泄漏發生在發電機內部,難以進行在線堵漏,如果漏點較大則應該停機檢修處理。按照行業慣例,在汽輪機啟動之前,會通過氦氣檢漏方式對發電機進行一次較為全面的漏點排查,及時發現并處理缺陷,避免帶病啟機。運行期間突發密封組件失效,較可能的原因是密封膠硬化開裂或者密封線圈老化失效,可以從端蓋中分面注膠孔進行注膠堵漏。

不過,采用注膠孔注膠方式進行堵漏也存在一定風險。例如國內某機組發電機氫氣泄漏量大,經排查定位到發電機軸瓦端蓋密封膠失效導致氫氣內漏。采用注膠孔注膠的方式進行補漏,注膠過程中發現膠水在加壓到30 MPa時仍無法注入,且短時間內發電機氫氣泄漏率急劇增大,由注膠前的約26 m3/天,數小時內急劇上升至58.21 m3/天,被迫停機檢修。停機后軸瓦端蓋拆卸后發現,汽端和勵端端蓋中分面及垂直面密封膠存在嚴重固化現象,堵住了注入路徑,由于檢修規程中未對注膠壓力進行明確,30 MPa的強壓使得膠水破壞原油封,氫氣從原油封處漏出。后經實踐得出,路徑暢通的情況下,5 MPa的壓力足以讓膠水進入密封槽。

2.4 定冷水線棒泄漏的排查措施及干預方式

根據理想氣體狀態方程pV=nRT,在系統穩定運行時,熱力學溫度T不變,物質的量n與理想氣體常數R為恒定量,則氣體的壓力p與容器的容積V的乘積為定量。

以某次發電機氫氣泄漏率高,對發電機定子冷卻水系統進行漏點排查的經驗數據為例進行分析。當時發電機氫氣泄漏率約為18 m3/天,屬于偏大漏點。24 h內定子冷卻水頭箱壓力由122.1 kPa上漲至124 kPa,頭箱有效容積為0.5 m3,按照pV=nRT來估算,即24 h內泄漏到定子冷卻水系統的氫氣量為0.015 m3,換算為標準體積泄漏量為0.018 m3/天,與當時的泄漏量量級不一致,由此可以初步排除該位置的漏點嫌疑。

發電機定子冷卻水漏氫時,如泄漏量較大且無法有效控制,則應立即停機檢修；如發生微量泄漏,則可采取以下措施維持機組狀態：

(1) 在停機檢修前,盡量不安排可能導致定冷水流量、壓力大幅波動的操作,如切換水泵等。

(2) 加強對發電機定冷水相關參數的監視。氫氣漏入定冷水將主要影響定冷水電導率和pH值,需通過化學方式對上述參數進行密切跟蹤。

(3) 密切監視氫氣的壓力和純度,當壓力降至補氫定值時,需要及時安排補氫。補氫壓力不宜過高,否則可能加快泄漏。

(4) 維持發電機定冷水系統與氫氣系統之間的壓差在一恒定值,正常為50 kPa,但為了減少泄漏率可以適當降低,但不應低于35 kPa。

(5) 定冷水線棒漏入氫氣后,如果在線棒內部積聚將削弱其冷卻能力,因此需要關注線棒層間溫度差,如某個引出水管線溫差達到8 ℃時應降低機組負荷,達到12 ℃或者發電機定冷水溫度達到85 ℃時應盡快停機處理。

3 結束語

發電機氫氣泄漏已成為影響電力生產安全的一大主要原因,裝配精度、設備瑕疵、干預方式方法都可能影響泄漏率的大小。行業內比較成熟的預防手段包括啟機前螺栓力矩復核、氦氣檢漏等。只有不斷總結同行經驗,分析泄漏原因并進行消化、行動和再優化,形成閉環控制,才能夠保證快速定位漏點,精準估算漏量,有效實施干預,在保證安全的前提下提升電力生產的經濟效益。