發電機密封油系統油擊故障原因分析及對策

穆肖靜

(華能銅川電廠，陜西 銅川 727000)

0 引言

發電機在運行中鐵芯和繞組線圈會發熱，轉子轉動時會產生鼓風摩擦發熱以及勵磁損耗等，因此，必須及時排出這些熱量，確保發電機安全運行。華能銅川電廠發電機采用水－氫－氫冷卻系統，即發電機定子線圈用水冷卻，而發電機的鐵芯和轉子線圈用氫氣冷卻。氫氣是一種優良的冷卻介質，但同時又易燃、易爆，所以發電機轉子伸出端必須有良好的密封性，目前主要是通過密封油系統向發電機兩端密封瓦供油，形成油環，使油壓高于發電機內氫壓一定數量值，以封閉發電機內氫氣沿轉軸與密封瓦之間的間隙，防止氫氣向外泄漏，同時也防止油壓過高而導致發電機內大量進油。密封油系統直接關系到氫氣的壓力和純度，其密封瓦內油壓要保持穩定，任何油壓波動甚至類似水錘作用的油擊都會嚴重威脅發電機的安全運行。

1 密封油系統的原理、特點及主要組成

華能銅川電廠2×600 MW氫冷機組采用東汽生產的單流環式密封油系統(如圖1所示)，每端密封瓦共由8塊90°的弧段組成，每4塊組合成1個雙油環密封瓦，密封瓦與軸頸形成約0.2mm的徑向總間隙，向密封瓦2個圓環中部腔室充入比氫氣壓力高0.056 MPa的密封油，以防止氫氣泄漏。發電機內氫氣壓力在運行中有一定變化，利用差壓閥來跟隨氫壓調節密封油壓力，始終保持油壓略高于氫壓，以防氫氣外溢。單流環式結構簡單，有油、水分離裝置，可將油中含有的水分、空氣先除去后再進入密封瓦，以起到降低機內氫氣濕度和防止空氣污染的作用。密封油源自汽輪發電機組潤滑油系統，密封油系統主要由下列部件構成:密封瓦、交流密封油泵(2臺互為備用)、直流事故密封油泵、密封油真空泵、再循環泵、密封油排煙風機、真空油箱及回油擴大槽、空氣抽出槽、浮子油箱、差壓閥、濾網、安全閥等。

圖1 密封瓦結構

2 密封油系統的工作流程

工作流程主要包括正常運行回路、事故運行回路和緊急密封油回路，油擊現象發生在正常運行回路中，如圖2所示。

3 密封油系統油擊現象及原因分析

3.1 密封油系統油擊現象

在正常運行中，密封油集裝裝置處突然發出較大的間歇性撞擊聲，間隔約3 s;同時，密封油泵出口壓力、壓差閥后供油母管壓力、油氫壓差均同時發生瞬間大幅擺動，偏離正常值0.2 MPa左右。經測氫儀測量，發電機軸瓦處和密封油排煙風機處氫含量未超標，補氫量也沒有明顯增加。隨后，油擊現象有所減輕，但一直持續存在。

3.2 水錘現象的產生及危害

在壓力管道中，由于液體流速的急劇改變，從而造成瞬時壓力顯著、反復、迅速變化的現象，稱為水擊，也稱水錘。引起水擊的根本原因是:當閥門突然關閉/開啟或水泵突然停止/啟動時，引起液體動量迅速改變，使壓力發生顯著變化。水擊現象發生時，壓力升高值可能為正常壓力的好多倍，使管壁材料承受很大應力，壓力的反復變化，會引起管道振動，導致管道附件及設備的損壞，甚至爆炸。

圖2 正常運行回路

3.3 浮球閥的原理及其造成油擊現象的原因分析

對現場表象進行分析后，初步確認發生了類似水錘的油擊現象，從眾多閥門中找到導致流體突然減速造成油擊故障的閥門。經觀察，密封油真空油箱內再循環泵的噴嘴和油箱補油噴嘴較多，噴油從油箱頂部落下直接打在浮球閥的浮球上，真空油箱內的浮球閥受到油滴脈動激振力的作用，在液面上上、下起伏，當浮球向上動作時，管道便發出一次撞擊聲，由此斷定浮球閥便是故障閥門。浮球閥的浮球隨油位的高低而升降，從而調節浮球閥的開度，控制著軸承潤滑油進入真空油箱的補油速度。然而，浮球閥由于內部故障變得異常靈敏，液面波浪和落下的油滴所造成的擾動，即可使浮球閥迅速打開和關閉。在對浮球閥進行解體檢查后，證實了該想法。浮球閥的組成如圖3所示，該種浮球閥屬于水力控制閥的一種，其工作原理是:以閥前、閥后壓力差Δp為動力，由導閥節流控制，使活塞兩側受到壓差而動作，從而驅動閥門開、關，相當于驅動力放大機構，活塞始終自動跟隨先導閥運動并保持與先導閥之間的節流間隙。

從圖4可以看出，液位上升時浮球帶動連桿，使先導閥向右運動，先導閥與活塞之間的泄油間隙減小，活塞左側腔室壓力隨之升高帶動閥芯向右關閉，液位停止上升。當液位下降時浮球帶動連桿使先導閥向左運動，先導閥與活塞之間的泄油間隙變大，先導閥后的中心孔直通閥門出口，出口由于閥芯節流，其壓力低于入口壓力，故先導閥打開泄油，導致活塞左側腔室壓力隨之降低，帶動閥芯向左移動。經分析，油擊故障發生在閥門關閉過程中，由于主閥類似截止閥，各個開度下壓力損失系數不一樣，越是接近全閉狀態，壓力損失曲線越陡峭，壓力衰減越快，閥芯面積上產生向左的作用力消失就越快，閥芯的動作加速，閥芯有被快速吸入的趨勢，易發生水錘。

圖3 浮球閥組成

圖4 浮球閥原理圖

在正常運行時，真空油箱始終要有一定的補油量，浮球閥最終會在某一個流量開度附近做小幅波動，降低浮球閥前壓力可以使浮球閥工作在較大開度，避免在接近全關位置附近工作。總結形成油擊的原因，主要有以下幾點:

(1)浮球受到擾動而產生周期性開、關閥動作，而杠桿機構無阻尼，波動頻率高，速度快。

(2)閥芯流量曲線較差，使閥芯工作在接近全關位置附近。

(3)橡膠密封環在閥門全關時，應起密封作用，解體密封環發現已經部分開裂磨損，應該是由于錘擊造成的，密封環泄漏更易使浮球閥工作在全關位置附近。

(4)先導閥后中心泄油孔孔徑較小，易受到油中沉積物的影響，減緩泄油速度，導致活塞左腔室壓力衰減緩慢，當閥門接近全關位置時，閥芯有被快速吸入的趨勢。

3.4 油擊高壓油的壓力傳導

為何油箱補油管路發生的油擊壓力會傳導到密封油泵出口壓力管道中。由圖5可以看出，#39，25，#19閥均屬于手動逆止閥且為常開閥門，依靠壓力逆止，可方便地在前述3種密封油運行方式中自動切換。在正常回路運行時，#19，#39閥被主油箱冷油器后壓力為0.15 MPa的潤滑油壓住，#25閥被0.80 MPa的交流密封油泵出口壓力壓住，當#1浮球閥迅速關閉時，油箱入口補油管路將產生水錘作用的高油壓，當油壓瞬間升高超過0.80 MPa時，#25閥被打開，脈沖油涌入交、直流密封油泵出口管路中，引起密封瓦供油壓力瞬間升高，壓差閥(#31閥)需要在其后密封瓦供油管路壓力升高后，才能反饋至差壓閥使閥關小，故氫壓不變而油壓已經升高，油氫壓差表也表現為跟隨波動。由此可以推斷，如果將#25閥關死，雖然可以消除出口油壓波動，但是將導致補油管路產生更高的壓力，甚至使法蘭盤墊片損壞而噴油，使系統無法自動切換至前述第3種緊急密封油回路，即當交直流油泵失電后，潤滑油無法通過#25閥為密封瓦供油。

4 消除密封油油擊故障的對策

從原理上來考慮，分2類方法。

圖5 密封油系統圖(部分)

(1)消除浮球閥的靈敏度，使其開關平順，具體方法為:

1)在浮球閥前管路上加裝濾芯，減少雜質對浮球閥的磨損和可能造成的卡澀。

2)關小浮球閥前#17手動門，可以改變液位最終平衡位置，從而使浮球閥工作在中間開度的位置，避免接近關閉位。

3)在真空油箱內部浮球所在區域安裝罩殼，防止油滴沖擊和液面波浪的影響。

4)在浮球連桿處增加阻尼裝置，使浮球桿較緩慢動作。

5)選取平緩的流量開度曲線，更換新特性浮球閥。

6)減小活塞兩側油孔的直徑，延緩活塞左側腔室充油速度，使活塞只能緩慢關閉。

(2)優化系統，在發生浮球閥油擊等故障時可以有效處理，具體方法為:

1)在浮球閥入口管路加裝安全閥、溢流閥連接至真空油箱，保護入口管路安全。

2)當浮球閥動作失靈且不能立即將真空油箱退出運行時，作為應急處理辦法，可將浮球閥前進油管路的閥門開度關小，適當降低真空油箱液位，人為控制補油速度。

5 結束語

發電機密封油系統是否正常對發電機安全運行影響很大，通過對華能銅川電廠2臺600 MW發電機密封油系統油擊故障的分析可以看出:油擊現象可造成管道振動、碰磨，法蘭盤墊片開裂跑油，閥門濾芯等設備損壞，嚴重時會造成發電機進油、氫氣泄漏、停機等事故，必須引起足夠的重視。浮球閥選型時需要選取合適的流量開度曲線，既要避免浮球閥異常靈敏，又要避免真空油箱液位產生較大范圍的波動。

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