1000 MW超超臨界機組發電機氫氣純度的控制

陳曉春

(國電浙江北侖第一發電有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

氫氣具有密度小、傳熱快和散熱快的特點，其散熱能力是空氣的8倍，所以，一般發電機采用氫氣作為換熱介質。氫氣同時也是一種極易爆炸的危險品，如果氫氣中氧的質量分數大于3%的話，遇火立即產生爆炸。另外，發電機氫氣純度降低會影響其冷卻效果，氫氣純度每下降1%，其通風損耗及轉子摩擦損耗就會增加11%。因此，若使發電機正常運行的話，則要求機內的氫氣純度不低于98%。

國電浙江北侖第一發電有限公司三期#6，#7機組1 000 MW超超臨界機組的發電機均由上海電氣集團股份有限公司和西門子聯合設計制造，型號為THDF125/67，為水氫氫冷卻、無刷勵磁汽輪發電機。發電機內氫氣壓力控制在0.5 MPa，氫氣純度要求不低于98%，機內容氫量為100 m3。為防止氫氣泄漏，在軸端裝有浮動式密封瓦并配以密封油系統，向密封瓦提供稍高于氫壓的密封油，油氫差壓控制在120 kPa左右，發電機的漏氫量要求不大于18 m3/d。

影響發電機氫氣純度的因素很多，但密封油與氫氣關系最為密切，密封油的氫側與其直接接觸，密封油的壓力大于氫氣壓力，一些雜質氣體及水分、油分子很容易混入氫氣，從而影響其純度。目前，國電浙江北侖第一發電有限公司三期#6機組的氫氣純度在97%，比正常運行要求有所偏低。

1 密封油流量與氫氣純度

密封油的流量會直接影響氫氣純度并將其帶入發電機內，增加其水分、雜質和氣體的數量。對現場#6，#7機組發電機密封油進油流量及浮動油流量數據進行記錄并進行對比，結果見表1。

從表1的數據對比來看，#6機組的密封油、浮動油量均明顯要高于#7機組，密封油量接近#7機組的2倍，#6機組的浮動油量是設計值的2倍。根據現場實際情況，將#6機組的浮動油汽側、勵側進油量，通過調節閥均下調至0.2 L/s，在下調過程中，應關注對發電機軸承振動及漏氫量的影響。從結果來看，浮動油從0.3 L/s下調至0.2 L/s時(單側浮動油量減少0.1 L/s)，對發電機的軸承振動及漏氫量幾乎沒有影響，但對發電機的氫氣純度影響較大。發電機氫氣純度通過定期正常補氫能維持在97%，原先一直是通過定期置換氫氣(利用高純度氫氣來替換純度較差的氫氣，造成大量氫氣浪費)來維持氫氣純度。因此，密封瓦的進油量是影響氫氣純度的重要因素，發電機密封瓦結構如圖1所示。

表1 #6，#7機組發電機密封油、浮動油量數據記錄

圖1 發電機密封瓦結構圖

從圖1可以看出，密封油是通過密封油進油孔從徑向進油，而浮動油是通過浮動油槽從軸向進油，進而形成二次密封。另外，浮動油也起到消除密封環氫側端面卡澀而引起發電機轉軸過大的振動問題。

三期#6，#7機組的密封油氫油壓差控制在130 kPa左右，2臺機組較為接近，也在設計范圍內。從表1可以看出，2臺機組密封油量相差較大，在0.3 L/s左右。根據浮動油調節經驗，消除該差距，勢必會大大提高#6機組發電機的氫氣純度。

造成密封油量偏差的主要原因是密封瓦和軸的配合間隙關聯較大，在相同差壓下配合間隙越大，勢必要有更多的密封油量來維持差壓，反之則相反。這樣看來，對該間隙的控制至關重要，在設備實際檢修過程中，應嚴格控制該配合間隙在設計值mm 范圍內。

2 機組負荷與氫氣純度

機組的負荷主要影響到發電機的發熱量，一般來說，機組負荷越高其耗損就越大，需要氫氣所帶走的熱量就會越多，因此，它與氫氣也有一定關系。從廠級監控信息系統SIS(Supervisory Information System)采集機組負荷及氫氣純度數據，以#7機組2010－07－19—20數據為例。如圖2所示，在機組高負荷時，氫氣純度相對低些，低負荷時，氫氣純度相對高些，這樣，氫氣純度的波谷對應負荷的波峰。這是因為密封油的溫度，特別是進入發電機消泡室的油溫與機組負荷關系密切，機組負荷越高，氫氣的換熱負荷大，密封油溫也會升高，油溫越高，越易使水汽、油分子和其他氣體分離融入到氫氣中，從而影響了氫氣純度。另外，根據實際需要，機組負荷變化是靈活的，而密封油溫變化則需要通過氫氣換熱、傳遞來實現，需要一定的時間，從圖2中也可以看出實際氫氣純度的變化是滯后于機組負荷的，機組負荷對氫氣純度的影響在0.3%左右。

目前，#6機組密封油溫度還是控制得不夠理想，如圖3所示。在38～47℃呈鋸齒上下波動。相比之下，#7機組密封油溫控制得較為平穩，在36℃左右接近下限。維持較低的密封油溫，對氫氣純度更為有利。

3 密封油箱真空與氫氣純度

圖2 #7機組負荷與氫氣純度的關系

圖3 #6，#7機組發電機密封油進油溫度變化曲線

從發電機密封油系統來看，密封油在密封瓦氫側回油后進入發電機消泡室內消除泡沫，然后再進入氫側回油箱。密封油空側回油直接進入空側回油箱，2股油最終匯集至密封油真空箱。密封油真空箱負壓正常控制在－40 kPa，該負壓有利于密封油中水分、溶氫等雜質氣體分離，從而起到凈化密封油的作用。因此，密封油箱真空與發電機內氫氣純度存在著一定的關系，密封油箱真空度越高，發電機內氫氣純度相對就越高，反之，則結果相反。從圖4可以看出，當密封油真空度從－35kPa至0 kPa變化時，發電機內氫氣純度從98.3%下降至98.0%，密封油真空箱真空度對發電機純度影響在0.3%左右。

根據以上情況，安排對三期#6機組密封油真空出力進行提升。通過調節真空泵進口調節閥，將密封油真空箱真空度控制在－70 kPa左右，在調整過程中，密封油泵出力及振動情況正常，真空度未對其造成影響。經過連續幾天運行，發電機氫氣純度穩定在97.1%，比原先提升0.1%，因此，在機組運行情況下，調整密封油箱真空度也是控制氫氣純度的有效手段。

4 氫氣露點與氫氣純度

發電機氫氣干燥器通過干燥塔的分子篩，吸收氫氣中水分，使得氫氣中的含水量降低，在三期工程中，氫氣干燥器可使氫氣露點溫度達到－40℃。這些干燥的氫氣通過設備出口處的油氣分離器后，再回到發電機內，這樣就達到了干燥氫氣的目的。氫氣越干燥，融入氫氣中的水分就越少，對氫氣純度就越會有利，從圖5發電機氫氣露點與氫氣純度關系圖來看，氫氣露點在－24～－13℃變化時，對氫氣純度的影響在0.2%左右。發電機維護說明書要求發電機露點控制在－25～－5℃，其范圍比較大，但從圖5看，將發電機氫氣露點控制在－25℃，對氫氣純度更為有利。從表2中可以看出，－5℃含水量為－25℃含水量的6倍多，從這點來看，控制好氫氣露點對氫氣純度也是至關重要的。

在三期工程中，氫氣干燥器目前存在2點不足:

(1)干燥器進、出口使用了油氣分離器。從廠家提供的資料來看，這種分離器采用離心式原理且免維護，氣體的凈化率只有 0.5‰ 左右，凈化能力有限。

圖4 #7機組發電機密封油箱真空與氫氣純度關系

表2 氣體露點與含水量的關系

續表

圖5 發電機氫氣露點與氫氣純度關系

(2)干燥器采用時間順控模式，缺少露點控制方式，無法將氫氣露點控制在一定目標值內。目前運行主要通過定期啟、停干燥器方式來控制氫氣露點，操作較為復雜。

5 結論

通過以上分析可知，發電機密封油若直接與機內氫氣接觸，油中水分、雜質氣體與油分子會擴散到氫氣中，從而影響發電機內氫氣純度。要維持密封油較好的品質，必須控制氫氣純度，應對密封油流量、溫度、真空、氫氣露點等指標進行有效控制。在三期工程中，通過減少浮動油量和提升密封油箱真空度，#6機組氫氣純度基本能維持在97.1%。利用機組檢修機會，應對發電機密封瓦配合間隙進行檢查和調整，使其密封油量與#7機組接近，這樣，其氫氣純度將會有更大的改善。對于#6機密封油溫控制不佳的問題，主要從改善調節品質著手，如增加節流孔板等。發電機氫氣干燥器可通過可編程控制器(PLC)升級來實現露點控制模式。對于氫氣的凈化，目前市場上有納米凈化裝置，但在氫氣系統中使用不多，其可行性有待進一步探索。

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