氫冷發電機兩種密封油系統對氫氣純度的影響

楊彥肖，孫聆菱

(河北建投能源科學技術研究院有限公司，河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著發電機組的大型化發展，依靠增大發電機體積以增加銅線繞組和鐵心容量來滿足發電機單機容量需求的方式受到加工、運輸、安裝等諸多條件的限制，常采用增加銅線繞組電力密度的方式來提高單機容量。然而，施加在銅線繞組上的電流密度越大，隨之產生的熱量也會越多，若不能這些熱量及時排出，將對發電機組的安全運行帶來極大威脅。因此，良好的冷卻效率是發展大型發電機組的關鍵技術所在。現代大型發電機廣泛采用氫冷技術來提高發電機效率。氫冷發電機一般采用密封油系統進行密封以防氫氣泄漏，密封油系統有單環流密封和雙環流密封兩種方式，兩種方式各有利弊，但無論哪種方式的密封系統，其元器件的控制參數、運行狀態以及密封油的質量都會影響到發電機內氫氣的品質，進而影響發電機組的安全性和經濟性。

1 氫氣純度降低的危害

氫氣純度降低主要是密封油中的水分、空氣等雜質氣體擴散至氫氣中所致。氫氣濕度超標會危害發電機定子和轉子繞組的絕緣強度，而且會導致轉子護環產生應力腐蝕裂紋。水汽會在線棒端部絕緣表面或綁扎結構表面構成擊穿放電通道，還會使絕緣間隙中的氫氣介電性能變差，從而為定子線棒端部絕緣事故提供外部條件，嚴重威脅發電機的安全運行。DL/T 651—2017《氫冷發電機氫氣濕度技術要求》對氫氣濕度提出了明確要求，DL/T 705—2021《運行中氫冷發電機用密封油質量標準》也對密封油的水分含量做出了規定，密封油的含水量限值要遠低于潤滑油的含水量限值，以確保氫氣濕度在合格范圍內。

當氫氣中混入其他氣體(如氧氣或空氣等)時，若遇明火則可能引發爆炸；氫氣純度下降會使氣體密度增大，導致發電機的通風損耗增加，從而降低發電機的運行效率。而頻繁大量的排、補氫會造成制氫站長期超負荷運行，并伴有著火和氫爆隱患，也會導致制氫或購氫成本大幅增加。

2 不同密封油系統結構特點

2.1 單流環密封油系統

圖1 單流環密封油系統設置

單流環式密封油系統只設置一路供油，由汽機主油箱供油至真空油箱，通過真空凈油裝置減少密封油中攜帶的水分、空氣等雜質，脫氣后的油由密封油泵通過過濾器濾掉顆粒雜質，通過壓差調節閥使油氫壓差維持穩定并向發電機密封瓦供油。回油分為氫側回油和空側回油，其中氫側回油回到回油擴大槽進行油氫分離，浮子油箱設置浮球閥，油位高時打開向外供油，油位低時關閉，以防氫氣泄漏；空側回油與浮子油箱中的氫側回油共同回到空氣抽出槽中，空氣抽出槽油中的水分和氫氣由排煙風機排至大氣，空氣抽出槽里的油通過U形油封自流至主機油箱。

單環流式真空凈油型密封油系統在運行過程中，維持油箱油位穩定是整個密封油系統可靠運行的重要保障，其真空油箱油位在浮球閥和油箱真空度的綜合作用下維持穩定，而排氫調節油箱油位在發電機氫壓和浮球閥的綜合作用下維持穩定。

2.2 雙流環密封油系統

雙流環密封油系統設置了兩個密封環，雙流環密封結構的發電機以采取西屋公司技術生產的發電機為代表，國內主要包括上海汽輪機廠和哈爾濱汽輪機廠生產的300 MW和600 MW大型氫冷發電機。雙流環密封油系統對應設置兩路密封油，分別由氫側密封油泵和空側密封油泵向氫側密封瓦和空側密封瓦供油，空側密封油用于隔離大氣，氫側密封油用于密封氫氣，空側密封油壓力通過油氫壓差閥調節，氫側密封油通過平衡閥調整壓力，使兩路密封油壓力相當。正常運行時，氫側油自成一個閉式循環系統，空側油是一個開式循環系統，兩路密封油獨立循環又互有聯系。

壓力油通過不同的油槽送入密封瓦，在轉軸和密封瓦的間隙處往相反方向分別向空氣側和氫氣側流動，其油路流程如圖2所示。空側密封油路來源為主油箱和空側回油箱，空側交流密封油泵取得油源，一部分經主差壓閥、冷油器、過濾器進入空側密封瓦，另一部分從油泵出口處引出向密封油箱補油用；空側密封瓦回油經氫油分離器回至主油箱，在氫油分離器內析出的氫氣和油煙排至機房頂部。氫側密封油路來源由氫側密封油泵從氫側密封油箱取油升壓后通過冷油器、過濾網、平衡閥進入氫側密封瓦，氫側密封瓦回油回至氫側密封油箱。差壓閥取樣：氫側取自氫壓，油側取自空側密封瓦入口處油管；平衡閥取樣：一路取自空側密封瓦入處口油管，一路取自氫側密封瓦入口處油管。

圖2 空側、氫側油路流程

3 兩種密封油系統差異分析

(1) 單流環密封油系統只有一路供油回路，結構簡單，便于廠房布置，設備成本較低，但油中空氣水分易跑入氫氣中，使氫氣受到污染的程度較大；雙流環密封油系統由于空、氫兩側分開，系統更復雜，造價更高，但氫側油系統為閉式循環系統，密封效果更好，氫氣純度更容易保持。

(2) 單流環密封油系統為了去除水分、雜質氣體對氫氣的污染以及去除油中氫氣，配置有真空凈化裝置，需保證浮子油箱、真空油箱浮球閥和真空凈化裝置可靠運行；雙流環密封油系統未設置真空凈化裝置，對空側油質要求低，省去了主油泵的油處理功能，靠氫油分離箱和排煙裝置去除氫氣和雜質氣體，相較真空浮球閥的可靠性高。

(3) 單流環密封油系統需依靠主機冷卻器冷卻，對主機依賴性較高，運行操作靈活性差，一旦出現故障，氫氣純度難以保證；雙流環密封油系統配置有獨立的冷卻系統，獨立性高，當氫側回路故障停運時，可以加大空側密封油油量，還能維持系統運行。

(4) 單流環密封油系統密封瓦調節簡便，壓差采用自動調節來保證密封系統的可靠性；雙流環密封油系統復雜，需要保證密封油泵、差壓閥、平衡閥及密封環的可靠運行才能防止竄油或漏氫。

2.3 兩組咳嗽積分比較 治療后，兩組患者的日間咳嗽評分、夜間咳嗽評分均較治療前明顯降低，且B組均低于A組，差異均有統計學意義(P<0.05)。見表2。

(5) 單流環密封油系統簡單，當浮子油箱浮子卡澀時危險性較大，當真空油箱浮球閥卡澀時，需就地及時手動調整旁路，防止真空油箱油位太高時跑油或油位太低時影響密封油泵的安全運行；雙流環密封油系統相對復雜，安全可靠性較高，但平衡閥和差壓閥易發生故障，一旦空側油壓和氫側油壓相差較大，會造成空側和氫側油路互竄，使氫側油受污染，由于氫側密封油箱調節量有限，若設計不合理，發電機進行充、排氫過程中可能造成發電機進油，不僅污染氫氣還影響發電機的安全運行。

4 密封油系統對氫氣的影響及應對措施

由于密封油中含有或多或少的水分、空氣等雜質氣體，若運行中參數控制不當或油品質量較差，不可避免地會對發電機內的氫氣純度產生影響。盡管雙流環密封油系統可靠性較高，理論上認為氫氣純度保持較好，油吸收而損耗的氫氣幾乎為零，但其實際上對氫氣也有一定的影響，一是由于差壓閥、平衡閥調節不合適導致空、氫側油互竄，油中的水分和空氣逐漸進入氫氣中，使氫氣受到污染；二是機內氫氣會隨油循環進入油系統，造成氫壓下降，需增加補氫。

4.1 單流環密封油系統的影響及應對措施

(1) 油中含水量的影響。單流環密封油系統中由于主油箱潤滑油直接參與密封油系統循環，若密封油取自主油箱下部的污染區，則密封油的含水體積分數會很高，在回油腔的局部區域，由于甩油以及油溫升高的熱作用，溶解在油中的部分水霧化形成油煙和蒸汽在風扇作用下進入機內風路，導致氫氣純度受影響。因此，需嚴格按照DL/T 705—2021要求將密封油中的水分控制在50 mg/L以下。

(2) 密封瓦和軸間隙的影響。軸瓦間隙過大會使得流經密封瓦的油流量變大，油中釋放出的油煙和水汽變多，易造成機內氫氣污染、氫氣純度降低。因此，需整定密封瓦間隙，調整軸向總間隙在0.13～0.20 mm，徑向總間隙在0.15～0.25 mm。

(3) 進油溫度過高的影響。根據流體運動學理論，油的黏度隨著油溫的升高而降低，隨著油黏度的降低，油中的含氣量增加，氫氣受污染的程度增大。因此，需控制油溫在合格范圍內，一般密封瓦進油溫度控制在25～50 ℃。

(4) 真空油箱真空度的影響。真空油箱通過真空泵使油箱內保持一定的真空度，使密封油中含有的水分、空氣及煙氣逸出，從而降低油中雜質氣體對氫氣純度的影響。真空凈化系統需要注意的問題，一是真空油箱浮球閥易卡澀，油箱油位高時會造成真空泵跳閘跑油，油位低時補不進油，威脅密封油泵的安全運行；二是真空泵抽出的水汽冷卻易在分離器聚集。因此，需要定期對分離器進行排水注油，否則會導致漏真空。

(5) 差壓閥的影響。差壓閥用于調節密封油的壓力使油氫壓差維持穩定，保證油壓高于氫壓0.05 MPa。壓差不穩定會造成跑油或者跑氫，從而影響氫氣純度。因此，需對差壓閥設置旁路門，當設備故障時可通過旁路手動調節壓差以保證油氫壓差穩定。

4.2 雙流環密封油系統的影響及應對措施

(1) 平衡閥的影響。在雙流環密封油系統中，氫側與空側密封油互竄是影響發電機氫氣純度的一個重要因素，無論是氫側油壓高于空側油壓，還是空側油壓高于氫側油壓，都會導致空、氫側密封油互竄，造成油中污染氣體進入發電機內，引起氫氣純度降低。氫側密封油壓力通過油壓平衡閥調整跟隨空側密封油壓力，當平衡閥異常時會導致空、氫側油壓不平衡。一般需要保證氫側與空側密封油壓差不大于±1.5 kPa。

(2) 差壓閥的影響。差壓閥的任務是維持油氫壓差穩定，平衡閥隨差壓閥改變而調整，若差壓閥異常，不僅可能出現密封油進入發電機的現象，而且可能造成平衡閥跟隨做出異常調整，加速空、氫側油的互竄，引起氫氣純度下降。因此，需確保差壓閥調節空側密封油壓高于氫壓0.084 MPa。

(3) 密封瓦間隙的影響。密封瓦間隙增大，密封油流量會增加，進而導致空、氫側密封油的交換量成倍增加，空側油中的污染氣體影響氫氣純度。

(4) 油中含水量及進油溫度高的影響。雙流環密封油系統油中含水量、進油溫度高等影響原理與單流環密封油系統相同，此外還有氫側油管供油不足、回油不暢，發電機排煙風機出力不足，氫壓低時消泡箱滿油跑油等影響，均需要將各系統運行參數調至最佳狀態。

4.3 密封油質量的影響及應對措施

不管在單流環還是在雙流環密封油系統中，密封油質量對氫氣純度均會產生很大影響，除油中含水量影響外，油質顆粒度、酸值等指標不合格也可能導致軸瓦腐蝕、磨損等問題，造成氫氣污染。因此，需按DL/T 705—2021要求嚴格控制密封油質量。當調整設備運行參數對提高發電機內氫氣純度作用不大時，可采取對密封油脫氣凈化處理方式來降低油中含氣量以保證機內氫氣純度穩定。

密封油中含氣量的影響。氫氣純度降低大多是油中雜質氣體(主要是空氣)對機內氫氣的污染所致。可采用頂空色譜法原理(分配定律)和物料平衡原理測定油中的氣體組分含量，雜質氣體主要為O2，N2，少量的CO，CO2以及微量的烴類氣體，可參照GB/T 17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》以及DL/T 703—2015《絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法》測定油中的含氣量。此外，通過在密封油系統中增加一套高效脫氣裝置保證密封油的低含氣量，從而長久保持氫氣純度的穩定。該方法在單流環、雙流環密封油系統中均有成功應用的案例。

5 結束語

氫氣純度降低不僅有著火爆炸危險，而且會降低發電機的運行效率，大量補氫還會增加制氫或購氫成本。單流環密封油系統與雙流環密封油系統兩種方式各有利弊，無論哪種方式控制參數、運行狀態及密封油的質量都會影響發電機內氫氣品質，需結合各自性能特點，調整至最佳的運行控制參數。