300MW機組的氫水油冷卻方式淺析

楊福成,袁 波,錢 海

(三河發電有限責任公司,河北 三河 065201)

1 概 述

三河電廠二期工程的汽輪發電機采用水氫氫冷卻方式,發電機定子線圈水內冷卻,轉子線圈氫內冷卻,定子鐵心和結構件為氫氣表面冷卻。集電環采用空氣冷卻。發電機兩端采用單流環式密封瓦,密封瓦的油量、油溫和油壓,均由密封油控制系統來保證。該機組投產近兩年,現就發電機氫水油系統的運行特點及故障現象進行簡要的分析。

2 氫氣系統運行中的問題

2.1 漏氫問題分析

按照設計要求,機組正常運行中,發電機的漏氫量不超過10Nm3/d,但在機組啟動和運行中卻多次出現漏氫量超標。經分析,系統漏氫主要是由多個方面原因造成的。

(1)在機組充氫過程中,發電機浮子油箱旁路門關閉不及時,造成機組啟動時大量氫氣外漏。由于空氣抽出槽的安裝位置要高于浮子油箱,而浮子油箱回油進入空氣抽出槽,是依靠浮子油箱內的壓力,而該壓力是與發電機內壓力相同的。因此,在停機排氫時,當發電機內壓力特別低的情況下,浮子油箱內壓力不足以克服該靜壓,浮子油箱回油進入擴大槽比較困難,容易因回油不暢造成浮子油箱滿油,繼而使擴大槽滿油,最終造成發電機進油。為此,當機內壓力低于0.05MPa時,應及時打開浮子油箱旁路門,使回油擴大槽與空氣抽出槽直接連通,利用回油擴大槽與空氣抽出槽的高度差將油壓回空氣抽出槽。但進行風壓試驗或充氫時,如不及時關閉該旁路門,就會造成浮子油箱旁路沒有油位進而失去密封作用,發電機內氣體便會隨著密封油進入空氣抽出槽直接排到室外,因此當發電機內壓力達到0.02 MPa時應逐漸關閉該門。

(2)氫氣系統閥門不嚴或誤開,造成氫氣直接外漏。由于氫氣系統比較復雜,所有與大氣隔絕的閥門都有可能造成漏氫,因此應確定合理的查找順序,以提高查找效率。首先應檢查發電機漏氫檢測儀的顯示數據變化,該裝置安裝有8處測點,分別布置于發電機封閉母線(3個)、發電機中性點(2個)、定冷水箱(1個)、發電機汽端空側回油(1個)、勵端空側回油處(1個),確認這些位置有無漏氫報警。其次應檢查發電機油水檢測器、回油擴大槽液位高報警開關的排放門、回油擴大槽和浮子油箱排氫門是否誤開或閥門不嚴。再次針對系統運行方式的變化情況有針對性的進行查找,對新近操作過的閥門進行認真檢查,確認有無誤開情況。最后,可以采用關閉部分手動門將系統分段隔絕,縮小查找范圍。例如關閉6.5m發電機補、排氫手動門后,可將6.5 m以下系統隔絕;關閉氫氣除濕系統進出口手動門,可以將該系統隔絕。如部分系統被隔絕后,氫壓不再下降,說明漏點在被隔絕系統部分,可在該范圍內繼續進行分段隔絕查找。當排除上述區域后,應聯合檢修人員在發電機端蓋、氫冷器端蓋、等位置較高的氫氣系統內進行查找。

(3)發電機端蓋、機殼等部件螺栓出現松動現象,造成氫氣外漏。由于機組運行過程中始終存在振動,因此,一些螺栓固定件往往容易出現松動,氫氣就會從這些地方向外泄露。3號機組就曾多次出現氫冷器螺栓松動,造成氫氣外漏?？梢岳寐錂z測儀和肥皂泡沫結合的方法進行逐一排查。

另外,還有可能發生氫氣泄露的兩個地方是定冷水線棒和氫冷器內部。雖然這種漏氧情況在三河二期并未出現過,但如果出現定冷水系統漏氫,可以通過檢測定冷水箱內部氫氣純度來確定;如果氫氣冷卻器出現泄露,冷卻器內部會積存一定量的氫氣,可以通過打開氫冷器排氣門檢查有無氣體排出,如有氣體需要化驗其成分。單臺氫氣冷卻器泄露可以將其退出運行,進行隔絕,但機組負荷不應超過80%額定負荷。一旦確認漏點,應嚴格控制發電機氫壓高于水壓0.03MPa以上,加強監視氫氣濕度和發電機零序電流,并盡快安排停機處理。

2.2 氫氣濕度超標原因分析

從系統上分析氫氣濕度是否超標,無外乎以下兩方面原因:首先是從外部系統通過各種途徑進入發電機的水分偏多,超出氫氣除濕裝置正常處理能力;其次是氫氣除濕裝置的除濕效果差甚至該裝置失效。

水分進入氫氣系統主要途徑:

(1)密封油(即主機潤滑油)中水分超標;

(2)補充的氫氣濕度超標;

(3)氫冷器泄露;

(4)定子冷卻水線棒有漏點。

氫氣除濕裝置效果差的主要原因為除濕裝置未完全導通,干燥氣體流量太小,導致除濕裝置未達到滿出力;如果除濕裝置內進油,會導致吸收劑(氧化鋁)失效;其次,除濕裝置的自動排水器故障,不能將吸收的水分排出,干燥劑不能正常再生;如除濕裝置(再生氣流控制門)未按照使用說明書正確調整,造成再生效果差,影響除濕性能;在機組停機備用期間,未導通氫氣循環風機回路,應開啟循環風機,保障機組備用時氫氣濕度合格;氫氣除濕裝置投運時,未投入壓縮空氣或冷卻水,造成干燥塔不能切換或干燥劑再生效果不佳。運行中應嚴格監視除濕裝置的前后濕度變化趨勢,發現除濕效果降低及時分析查找原因。

當除濕裝置故障時,應在氫氣除濕機的任一干燥塔內循環風機故障停運后,退出該塔的加熱器運行,防止干燥塔超溫,維持另外一塔繼續運行。干燥塔風機故障時,可以在線更換風機,但需要將該塔運行置換成二氧化碳方式才可進行,該塔自動投入運行時,對發電機氫氣純度的影響可以不予考慮。如果干燥塔內的三氧化二鋁失效時,也可在線更換。

從二期工程的2臺機組運行實際情況分析,造成氫氣濕度超標的主要原因,是密封油中水分超標和除濕裝置效果差,因此,建議在氫氣濕度超標時重點從這兩方面進行檢查分析。

2.3 氫溫調整無法投自動

機組投產時,發電機氫冷器冷卻水僅在回水管路設置一氣動調節門,用以實現氫溫的自動調整,但在實際運行中發現,難以實現原設計意圖。氫冷器出入口均設置為手動門,當其全開時,氫溫調節閥在負荷較低時開度較小,由于閉冷水壓力較高(0.6MPa),氫冷器冷卻水壓力很容易超過發電機氫氣壓力,而這是不允許的。當氫冷器出入口手動門開度較小時,如果負荷較高,冷卻水量又往往不夠,還需在就地將供水手動門開大。因此,氫溫的調整都是靠運行人員就地調整氫冷器供回水手動門實現,氫溫無法投入自動。

2008年4號機大修時,對氫溫控制系統進行了改造,在氫冷器供水管路上,加裝了基地式調節閥用以調整供水壓力,設定壓力0.25MPa,利用回水調節閥調節氫溫。氫冷器供水手動門保持全開,僅在4臺氫氣冷卻器出口氫溫出現不平衡時進行微調,改造后,經過一段時間的觀察,證明對氫溫的調節準確到位,冷卻水壓力穩定,完全能夠避免氫冷器冷卻水壓力超過氫壓運行。

3 單流環式密封油系統的運行

3.1 單流環式密封油系統三種回路的應用

(1)正常運行回路

密封油系統正常運行時,應采用該回路向密封瓦供油。由交流密封油泵供油,設備穩定可靠,可保證在額定氫壓下運行,并能最大程度地降低密封油中水、氣雜質。

(2)事故運行回路

該回路有兩種使用情況,即真空油箱因故退出運行或2臺交流油泵不能工作(如設備故障或電源失去)。此時采用直流密封油泵向系統供油。當真空油箱故障退出運行而采用該回路時,應關閉軸承潤滑油至真空油箱手動門,避免真空油箱油位調節閥故障造成油箱滿油。

(3)緊急密封回路

3臺密封油泵全部因故無法啟動時,系統自動轉入該回路供油。此時,由于軸承潤滑油供油壓力僅為0.25MPa,減去12.5m高度的靜壓(約0.11 MPa),要維持密封油與氫壓0.05MPa的差壓,再考慮系統阻力,因此規定采用該回路密封時,應快速降氫壓至0.05MPa(實際可略高于此值),但最高不超過0.1MPa,并可帶不超過200MW負荷,根據發電機轉子、定子鐵心和端部結構件溫升情況,決定實際帶負荷值。采用緊急回路時,應注意機房內的通風,防止氫氣從密封瓦漏出產生著火爆炸的隱患。當采用緊急密封回路時,應關閉真空油箱補油門。

當廠用電全停時,如短時不能恢復,應快速排出發電機內氫氣,因為蓄電池容量有限,不能保證直流密封油泵、主機直流潤滑油泵長期運行,避免蓄電池供電不足造成密封油中斷,使大量氫氣漏入機房。

3.2 密封瓦漏油的預防

4號機在某次起動過程中,在發電機并網后,就地檢查發現發電機油水檢測器滿油,打開放油門放出大量潤滑油,并導致氫氣除濕裝置進油全部失效。浮子油箱管路系統圖見圖1所示。對故障情況進行分析后,認為原因可能為:

(1)密封油差壓調節閥特性不好或有卡澀現象;

(2)油氫差壓設定偏大;

(3)密封瓦間隙調整偏大或密封瓦有磨損;

(4)發電機并網后,對氫溫調整幅度過大,造成機內氫壓瞬間降低,密封油被“吸入”發電機;

(5)密封瓦回油不暢,可能原因為浮子油箱與回油擴大槽頂部聯絡門未打開,浮子油箱與回油擴大槽的壓力無法平衡,產生背壓,使得回油不暢。

圖1 浮子油箱管路系統

在隨后的運行過程中,發電機在各種工況下,氫壓升高或降低時,都未出現密封油漏油現象,初步驗證密封油差壓調節閥動作特性良好。針對失效的第二點原因,將油氫差壓由0.06 MPa調整至0.05MPa,這在一定程度上降低了密封油再次漏油的可能性。另外,在2008年機組大修過程中,對發電機密封瓦間隙進行了徹底的檢查,沒有發現損壞現象,且密封瓦完好。通過就地對閥門狀態檢查,確認浮子油箱與回油擴大槽聯絡門是打開的。目前此次漏油原因并未形成定論,但為了預防密封油再次漏入發電機,還是采取了一些措施,對油氫差壓的設定,須嚴格按照制造廠要求,不能一味為了防止漏氫而提高油氫差壓;定期利用停機檢修機會,對密封瓦間隙和密封瓦進行檢查,盡早發現密封瓦間隙超標或者密封瓦缺陷以便及時處理;調整發電機氫溫時應緩慢,避免造成氫壓波動;保證發電機油水檢測器正常工作,并在平時的運行過程中加強監視,對發電機進油能夠早發現早治理;由于密封油來自主機潤滑油,當發電機大量進油時,主油箱油位會隨之下降,因此定期記錄主油箱油位并作對比,能夠提早發現密封裝置的漏油。當發電機排氫、充氫造成機內壓力變化時,應嚴密監視油氫差壓變化,發電油氫差壓調節閥不能正常跟蹤時,應及時停止排氫、充氫操作,并對差壓調節閥進行處理。密封油系統運行時,應嚴格監視浮子油箱油位,防止浮子油箱滿油繼而造成擴大槽滿油進入發電機。運行時,保持浮子油箱與回油擴大槽聯絡門全開,并掛禁止操作標牌,以免發生誤操作。

3.3 對密封油系統中閥門狀態的分析

單流環式密封油系統運行方式的正確與否,直接影響發電機組的安全運行和氫氣系統的正常運行,必須保證系統中每一個閥門的狀態正確。

(1)浮子油箱旁路門

該閥門在氫壓比較低時打開,保證密封油正常回油。廠家規定開、關該閥門的依據就是當發電機氫壓低于0.05MPa時適當打開,保持窺視窗內可見油位;當氫壓高于0.05MPa時關閉。但從實際運行經驗看,在發電機內壓力高于0.02MPa時就應關閉該門,否則會造成氫氣泄露。在發電機排補氫時,應以調整浮子油箱油位和旁路管視窗油位為依據操作該閥門,既要保證浮子油箱油位不高,否則回油擴大槽滿油甚至發電機進油,又要保證旁路管油位不低(可以滿油),否則氫氣外漏。

(2)浮子油箱至真空油箱回油手門

這2個手動門具有逆止作用,正常運行時打開,自主機潤滑油引來的供油不會進入浮子油箱,但在主機潤滑油徹底中斷時,能保證密封油回油直接進入事故密封油泵入口,保證密封油系統短時間繼續運行,避免氫氣大量外泄造成事故擴大。

(3)密封油泵再循環門

3臺密封油泵均為磁力泵,禁止關閉出口門運行。由于啟動密封油系統時,發電機內沒有氫壓,因此油氫差壓調節閥開度很小,進入發電機密封瓦的供油量也很小,此時應保持密封油泵再循環手門全開,防止油泵憋壓。

(4)浮子油箱與回油擴大槽聯絡門

這2個聯絡門打開后,浮子油箱與回油擴大槽就構成了一個連通器,能夠保證回油擴大槽內的油不斷流進浮子油箱,如果被關閉,浮子油箱內壓力就會隨著油位的變化波動,進油量就會產生波動,可能造成回油擴大槽滿油,因此,密封油系統運行時必須打開這兩個門。

4 定冷水運行中的問題及措施

4.1 定冷水溫度調節效果差

機組投產時,定冷水溫控裝置為成套設備自帶機械式溫度調節閥,其原理是通過感應定冷水冷卻器出口溫度,自動實現調門的開度,用以控制冷卻水(開冷水)的流量來調節定冷水溫度。在實際運行過程中發現,感溫元件特性較差,調節遲緩,靜態偏差很大,造成定冷水溫度時高時低,只能通過人為干預開關該調節閥前后手動門調節,大大增加了運行人員工作量,且定冷水溫度波動較大。后經改造,將原感溫機械式基地調節閥,改造為帶PID控制的基地調節閥。經過運行實踐證明,此種調節閥特性靈敏,調節品質優秀,定冷水溫度始終維持在設定的42℃。

4.2 定冷水冷卻器臟污

由于開冷水使用的是中水,水質較差,機組各處冷卻器較容易臟污,定冷水冷卻器也不例外。2009年6月,在運行過程中,發現定冷水溫度持續超過規定值,就地溫控閥全開,但開冷水出水溫度與定冷水出水溫度差值較大,經過分析為冷卻器臟污,導致換熱效果下降。后切換至備用冷卻器后冷卻效果恢復正常。

建議利用機組檢修機會對定冷水冷卻器定期進行清洗,保證冷卻器的良好換熱效果。

4.3 離子交換器改造

自投運以來,定冷水系統長期存在水質pH值低于標準值的問題。這是因為定冷水系統不能完全與大氣隔絕,大氣中的CO2、SO2等酸性氣體長期與定冷水接觸,形成弱酸。而原有的離子交換器只能降低導電度,對pH的控制并不理想。為維持pH值達標,避免設備腐蝕,只能采取定期進行換水的方法。這種運行方式對化學監督要求高,設備運行風險大,且浪費了大量除鹽水。因此,在2008年,先后對2臺機組其進行了改造,采用了帶有加堿裝置的超凈化裝置。該裝置采用特殊類型樹脂和特殊結構,并配合PID控制加堿裝置,既保證了定冷水的導電率達標,同時滿足了pH值的要求。自該系統投運以來,定冷水水質一直十分穩定,導電率＜0.5 us/cm,pH維持在7.5～8之間。

4.4 定冷水補水管路反水

定冷水的補水由凝汽器補水泵出口引至定冷水箱底部,當定冷水箱需要補水時可以啟動補水泵,打開補水電磁閥進行補水(見圖2)。后來發現當補水泵停止時,定冷水箱的水位持續下降。其原因為補水泵停止時,泵出口壓力瞬間降低為常壓,系統內的水會短時反向流動,這是離心泵的常見特性。由于補水管路設計的不合理,這種短時間的反水,卻形成了虹吸,使得定冷水箱內的水不斷反向流回補水泵出口,而補水泵再循環管路布置在出口逆止門后,因此系統形成了通路,又因為補水電磁閥不嚴,即使關閉仍然會有水不斷反回除鹽水箱。所以只得關閉補水電磁閥前后的手動門來避免反水,這就使定冷水箱水位低自動補水功能無法實現。

圖2 定冷水箱補水系統圖

目前該問題還未得到解決,在停止補水后仍需關閉補水手動門。建議更換補水電磁閥或者在補水管路加裝逆止門,都可以避免反水現象的出現。

4.5 定冷水流量低開關誤操作

某日,3號機組帶負荷300MW,定子冷卻水流量低開關突然啟動了保護動作,發電機跳閘,大連鎖跳汽輪機(MFT)。就地檢查發現操作人員誤開定冷水流量低開關放水門取樣,造成定冷水流量低開關動作,見圖3所示。事后,對該流量低開關各短路門、放水門加鎖并懸掛禁止操作標牌,防止他人再次誤操作。

4.6 定子線棒堵塞和泄漏的預防

圖3 定冷水流量開關

在定冷水正常運行中,應加強對線棒溫度和線棒出水溫度的監視與對比。因為線棒溫度(54個)和線棒出水溫度(54個)的測點都是一一對應的,正常運行時線棒溫度略高于線棒出水溫度(2～3℃)。當任意線棒的兩個溫度偏差超過這個范圍時應及時分析。當線棒臟污時,線棒溫度上升,線棒出水溫度下降,兩者溫差不正常增大;當線棒堵塞時,該線棒溫度和線棒出水溫度都會升高,且兩者溫差幾乎降為零,通過對比其它線棒溫度偏差幅度可判斷堵塞程度;當線棒有漏點時,由于氫壓大于水壓,會有氫氣通過漏點進入線棒,形成氣塞,線棒溫度會有所上升,同時會伴隨氫壓快速下降,檢測定冷水箱內氫氣含量超標。需要注意的是當定子線棒溫差達14℃或定子引水管出水溫差達12℃,或任意槽內溫度超過90℃或出水溫度超過85℃時,在確認測溫元件無誤后,應立即停機處理,停機后需對定子線圈進行反沖洗。

5 結束語

三河電廠二期機組自投產以來,發電機氫水油系統出現了較多問題,主要原因是設計不合理和設備質量不達標,目前都已進行改造,系統運行穩定。建議新建機組對成套設備加強系統分析,避免采用不合理的設計和過時的工藝,降低投產后機組運行風險和后期的技改費用。

[1]三河發電有限責任公司.300MW機組集控運行規程[S].2007.

[2]華北電力科學研究院.三河發電有限責任公司二期調試報告[R].2007.