发电机氢气纯度超标的研究与治理

摘要：本文针对大庆油田电力集团油田热电厂＃3发电机氢气纯度超标，进行全面系统分析，提出治理的方法。

关键词：密封油系统；氢气纯度超标

中图分类号：TB857+.3 文献标识码：B文章编号：1009-9166（2008）33（c）-0050-02

近年来大庆油田电力集团油田热电厂三台国产200MW发电机组均采用水-氢-氢冷却方式。发电机在运行期间，其内腔充一定压力的氢气，氢气与大气之间采用密封油系统隔绝。

＃3机组自1993年10月投产发电以来，一直存在运行中发电机氢气压力不下降而其纯度下降过快的问题，需要通过发电机排污、补氢置换的方法维持机内氢气纯度合格。每天需排污补氢80立方米～110立方米，这对机组的安全运行构成潜在威胁，同时也造成经济损失。

一、密封油系统及密封瓦工作原理介绍

为防止发电机内有一定压力的氢气不会通过轴端向外泄漏，在发电机的两端设置了密封瓦，通过供油及控制装置，为密封瓦提供氢侧、空侧密封油。密封瓦为双流环式结构。空侧密封油来自主油箱经空侧密封油泵、滤网、冷油器、压差阀向密封瓦空侧供油，密封瓦空侧回油与发电机轴瓦回油混合回至主油箱。氢侧密封油来自密封油箱经氢侧密封油泵、滤网、冷油器、平衡阀向密封瓦氢侧供油，密封瓦氢侧回油回至密封油箱。密封油系统的压差阀自动跟踪氢气压力调整空侧密封油压，平衡阀自动跟踪空侧密封油压调整氢侧密封油压，使密封油在密封瓦和转子轴颈之间的间隙中形成并维持高于发电机内氢气压力0.04Mpa－0.06 Mpa的密封油流，从而保证机内氢气与机外的空气隔绝。密封油系统原理如下图（图1-1）。

代位权所谓双流环式密封瓦是指密封瓦的氢侧与空侧各自形成独立的循环油路，通过平衡阀的控制使两路油压维持均衡，限制两路油相互窜流，从而达到减少氢气外漏和维持机内纯度的目的。空气和氢气之间的隔绝是采用双流环式密封瓦来实现的，为了防止氢侧密封油进入发电机内，设有油档阻止油进入发电机。轴端密封油结构见下图（图1-2）：

在机组正常运行过程中，密封油箱应该保持相对稳定即不进行排油，也不进行补油，密封油箱内补、排油浮球阀处于关闭状态，但这种情况很少出现。因为密封瓦与轴颈必然存在间隙，由于外部因素(如：油泵出口油压、油温的波动、油泄漏、氢压的变化)均会使密封油箱油位变化，密封瓦空氢侧存在窜油是不可避免的。密封瓦空氢侧窜油必然导致密封油箱油位发生变化，如果油位上升，密封油箱内排油浮球阀自动开启，将密封油箱中多余的油排回主油箱，如果油位下降，密封油箱内补油浮球阀自动开启，将密封油箱补到正常油位。

二、引起氢气纯度下降的原因分析

依造成氢气纯度下降主要有以下几方面原因：

（一）氢气中含有空气

发电机进空气的主要渠道有压缩空气与氢系统连接阀门不严、发电机密封瓦空氢侧窜油、混油，密封油箱长期补油或排油运行。因为在发电机气体置换采用抽真空法，在发电机退氢后期用压缩空气进行死角排污，由于压缩空气压力高于发电机正常运行的氢压，如果与氢系统连接的阀门不严空气必然进入氢系统。

（二）密封瓦空氢侧窜油、密封油箱长期的补油或排油运行

发电机密封瓦空氢侧窜油、密封油箱长期的补油或排油运行均会使空、氢侧密封油两个独立循环的系统破坏。由于油具有既溶解氢气又溶解空气的性质，且随油温、油压的升高溶解度不断增大。根据亨利定律：在一定温度下，当溶于水中的气体与自水中离析的气体处于动态平衡状态时，单位体积水中溶解的气体量与水面上该气体的分压力成正比。亨利定律也适合油，因此无论是空侧密封油通过密封瓦窜至氢侧最后回至密封油箱的油还是密封油箱的补油，进入密封油箱后，油中的空气就会从油中释放出来，经回氢管进入发电机，导致发电机的纯度下降。

1、密封瓦空氢侧窜油:

a、压差阀、平衡阀压力取样管存在节流造成压差阀、平衡阀自动跟踪不正常正常情况下密封瓦中的空侧和氢侧密封油具有几乎相同的压力，空侧和氢侧密封油各自保持相对独立的状态进行循环。密封油系统的平衡阀跟踪不好，或是由于平衡阀空侧、氢侧压力取样管中的压力损失不同(虽然从表计上观察空氢两侧的密封油压是平衡的，而实际上在密封瓦处的空、氢侧密封油存在一定的压差)，均会造成空侧与氢侧密封油在密封瓦中的压力不平衡。若空侧密封油压高于氢侧密封油压，则含有大量空气的空侧密封油与氢侧密封油窜流，此时窜到氢侧的空侧密封油将随氢侧密封油一起回到密封油箱，在此过程中一部分空侧密封油内所含的空气直接析出进入发电机内。同时空侧向氢侧窜油也一定程度的排挤了氢侧进油，使氢侧的进油减少，这将加大油污染。若氢侧密封油压高于空侧密封油压，则氢侧密封油与空侧密油窜流，将使回到氢侧密封油箱中的油量减少，密封油箱油位降低，补油浮球阀自动开启将空侧密封油补至密封油箱中。这样含有大量空气的空侧密封油补进了氢侧密封油箱，使氢侧密封油中的空气含量增加。

b、差压阀和平衡阀工作不正常大型机组要求差压阀具有良好、灵敏的跟踪性能和富余的调节范围。维持油氢差压的任务是由差压阀来完成的。如果差压阀工作不正常将可能出现密封油直接进入发电机内的现象。同时由于差压阀工作不正常，会引起平衡阀做出相应的跟踪调整，从而加速了空氢侧密封油的窜流。

c、氢侧油管路供油不足由于某种原因氢侧油管发生节流。氢侧密封油供油管路的意外节流造成氢侧油供油不足，密封瓦氢侧油腔内油压无法正常建立，使得密封瓦空、氢侧密封油压无法达到平衡，从而使空侧密封油向氢侧密封油中窜流。另外发生大的节流时会使真正进入氢侧密封瓦形成油膜的油过少，甚至会破坏油膜的形成，从而直接造成氢气与空侧油相接触形成气体交换。

d、密封瓦间隙超差引起密封油窜流密封瓦间隙超差将会引起平衡阀和压差阀自动跟踪困难，导致密封油窜流。e、空氢侧密封油供油管安装错误

如果发电机密封瓦的空氢供油管接反，就会造成空侧密封油直接进入密封瓦氢侧油腔，经回油回至密封油箱，使发电机氢气纯度下降。由于密封瓦氢侧腔室小于空侧腔室，空侧密封油进入密封瓦氢侧腔室后造成节流，从现象上表现为氢侧密封油压高于空侧密封油压。另外由于密封瓦氢侧腔室小于空侧腔室，氢侧压力高于空侧压力，使氢侧油向空侧窜，氢侧回油量减少密封油箱经常处于补油运行，加剧了发电机氢压纯度下降的程度。

2、密封油箱长期补油或排油运行

密封油箱中的自动补排油阀故障造成密封油箱长期补油或排油运行，导致含有空气的空侧密封油进入密封油箱后空气直接析出进入发电机。

（三）氢气中含有水蒸汽

发电机密封油含水超标可能导致氢气中进入水蒸汽。从系统设置可以知道，发电机密封油系统首次启动时其油来自主油箱。而在正常运行中，空侧密封油的油源来自主油箱，发电机前后空侧密封油回油和发电机前后轴承的回油混在一起进入主油箱的。在汽轮机运行中，由于各种原因使油中含水过高，通过密封油箱补油或密封油窜流，含水的空侧密封油进入密封油箱，导致水蒸气进入发电机引起氢气纯度下降。

三、发电机氢气纯度不合格的危害

氢气纯度不合格，将会直接影响机组的安全。如果氢气纯度下降至爆炸范围内，在一定的条件下可能会引起发电机内氢气爆炸；据水利电力出版社出版《氢冷汽轮发电机运行与检修》介绍，发电机氢气纯度每降低1％，通风摩擦损耗约增加11％。氢气纯度不合格不但导致冷却效率降低，而且由于摩擦损耗的存在可能使机内构件局部过热和发电机效率的降低。另外由于空气中含有氮气等有害气体，还会造成绝缘老化、铁芯及其金属部件腐蚀；此外油进入发电机，如果未及时排出，油在发电机内蒸发产生油烟蒸汽也形成很大的危害。

四、运行中的相关数据及现象

以上统计数据是任意选取两组＃3机组运行中发电机氢压与发电机前后空侧密封油压和氢侧密封油压。从以上数据可以看出，发电机前后氢侧密封油压符合正常运行密封油压高于氢压0.04Mpa－0.06Mpa的要求，而空侧密封油压低于正常压力。在运行中发现密封油箱补油管外表温度偏高，接近主油箱油温，密封油箱排油管外表温度正常，说明密封油箱处于补油运行。

五、采取的对策

根据以上分析先后在机组大修、小修期间曾多次对密封瓦间隙进行检查，密封瓦间隙均正常。对平衡阀和压差法压力取样管进行检查，排除压力取样管节流的可能。对平衡阀、压差阀返厂检查、试验未发现问题。运行中通过对压缩空气罐排污，排除压缩空气系统与连接氢系统阀门不严的可能。＃3机组主油箱含水均在100mg/l合格范围内，因此油中含水量高引起发电机氢纯度不合格也予以排除。怀疑发电机空氢侧供油管路接反，由于空氢侧供油管路通过发电机端盖经密封瓦壳内油槽进入密封瓦空氢侧腔室，油管安装正确与否无法直观检查判断。另外空氢侧密封油压力表管安装时被直埋地下，无法通过检查压力表管的方法来判断油管安装正确与否。2007年机组小修时，解体发电机密封瓦用通压缩空气的方法试验发现＃3发电机前侧（六瓦）密封瓦空侧、氢侧密封油供油管接反，经请发电机生产厂家专业技术人员到现场确认，最后认定在机组安装中将发电机前侧密封瓦空氢侧供油管接反。同时通过理论分析与运行中的运行数据密封油箱长期补油运行的现象相符。在本次机组检修前至少每两天由于发电机氢气纯度超标进行一次发电机排污补氢，严重时每天两次发电机排污补氢，平均每天排污补氢量80立方米－110立方米。发电机前密封瓦空氢侧供油管更正后机组运行近3个月以来，未发生发电机氢气纯度不合格的现象。密封油箱补油运行的现象得到了消除，发电机两侧密封瓦空氢侧密封油压均达到了规定要求，即密封油压高于氢压0.04Mpa－0.06Mpa，空氢侧密封油压处于平衡状态。

六、结束语：本文对油田热电厂＃3发电机氢气纯度不合格的原因进行了详细诊断分析，找出问题的根源，目前该系统运行良好，不但节省了大量的氢气，而且还消除了因发电机氢气纯度不合格对发电机造成的潜在危害，为同类型机组存在发电机氢气纯度不合格的治理提供可靠依据。

作者单位：李凤艳 大庆油田电力集团油田热电厂检修分厂

赵文涛 沈阳航空工业学院经济管理学院

作者简介：李凤艳（1969年-），女，汉族，大庆龙凤区人，大庆油田电力集团油田热电厂热动助理工程师。赵文涛（1986），男，汉族，齐齐哈尔人，沈阳航空工业学院2005级本科生。

参考文献：

[1]《20万千瓦汽轮机结构》.哈尔滨汽轮机厂

[2]黄成平著.《氢冷汽轮发电机的运行与检修》.水利电力出版社.1989.11