核電廠氫冷雙流環發電機氫氣純度降低的分析與處理

中廣核核電運營有限公司 呂慶舉 周黨鋒

1 發電機密封油系統設備介紹

某核電廠1號汽輪發電機是Alsthom生產1000MW級全速發電機，采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組為直接水內冷，定、轉子鐵芯及轉子繞組為氫氣冷卻。為使機組安全、可靠、經濟、穩定運行，保證其內部的氫氣純度十分必要。氫氣純度不合格，將會造成發電機內構件局部散熱效果變差，導致發電機過熱；氫氣純度降低，有害雜質氣體的存在還有可能造成絕緣性能下降和金屬部件腐蝕，影響發電機的安全。發電機密封裝置采用雙流式、環式結構（圖1），密封油系統由空側和氫側2個獨立又互有聯系的油路組成，分別將油供給密封瓦上的2個環型配油槽，沿轉軸軸向穿過密封瓦與轉子間的間隙后，以相反的方向分別向氫側和空側排出，使空、氫側完全分開，防止空側密封油中含有的空氣析出進入發電機內部，影響氫氣的純度。

在發電機正常運行條件下，空側密封油壓力依靠隔膜式差壓調節閥進行控制，使發電機內部氫氣壓力高于密封油壓力0.14MPa，在該壓差值設定后進入動態平衡狀態。空側密封油將沿軸和密封瓦之間的間隙流往軸承側，并同軸承潤滑油回油一起靠重力進入空側密封油箱。該油箱設有氣體密封裝置，能防止氣體隨排油進入汽輪機潤滑油、頂軸油和盤車系統（GGR）主油箱。

氫側密封油分為2路分別通過發電機汽、勵端平衡閥到發電機汽、勵端密封瓦的氫側油環中，通過平衡閥跟蹤汽、勵端密封瓦內空側油環內壓力，調整密封瓦內氫側油環內壓力與空側油環壓力差±20mbar之間。如果空、氫側供油壓力在密封瓦處恰好相等，油就不會在密封瓦兩個配油槽之間的間隙中竄流，便可防止氫氣從發電機內逸出。儲油箱儲存來自密封裝置氫氣側的回油，同時也向油位控制油箱供油，油位控制油箱通過2個浮球閥控制油位，油位高時向汽輪機潤滑油箱排油，油位低時浮球閥把空氣側冷油器分接點來的油注入油位控制油箱。

2 影響氫氣純度下降的可能原因

某核電廠1號機組第11次大修后，機組啟機階段的第1周氫氣純度下降較快，無法穩定在≥98%（正常運行值≥98%、報警值＜95%）。每天下降0.3%，超過運行經驗值0.1%；氫氣置換頻率為3次/d；運行至第2至第3周期間，氫氣純度下降趨勢變緩、氫氣置換頻率下降為2次/d，氫氣純度相對能穩定在98%附近。從發電機系統結構、工作原理、工作介質等方面分析，影響發電機氫氣純度變化的主要因素有3點：密封油中含有水和空氣、密封油空氣側竄油以及密封油控制油箱補、排油閥調節不當。

2.1 密封油中含水和空氣

在機組正常運行情況下，由于汽輪機軸封結構上的原因，潤滑油中都含有一定量的水份和溶解氣體，含水油進入汽輪機潤滑主油箱，主油箱又參與空側密封油系統的循環；氫側密封油會直接與氫氣接觸，其中溶解有一定量的氫氣，因而氫側油路并不是單一的液體流。在發電機實際運行過程中，發電機轉子的高速旋轉產生的機械甩油使油溫升高產生的熱作用使一部分油和溶解在油中的水發生霧化，形成油煙和水汽。油煙、水汽在回油腔室擴容并釋放出來，在發電機冷卻風扇的負壓作用下進入發電機殼體內，導致氫氣污染純度下降。通過對氫氣干燥器運行狀態檢查，及機組運行時的氫氣露點溫度都控制在0～3℃，滿足設備運行要求，故影響氫氣純度的不是油煙和水汽。

2.2 密封瓦空氫側竄油

機組運行中，空、氫側密封油互竄是發電內氫氣純度下降的主要因素。密封油系統中壓差閥、平衡閥的調節響應，油箱液位的自動調節狀態及密封瓦的狀態等都會直接影響發電機內的氫氣純度，無論哪個設備環節出了問題，都可歸結為空、氫側密封油竄油導致溶解在空側密封油中的空氣進入發電機內部而引起氫氣純度下降。

發電機轉子與密封環瓦之間的油流可稱為軸向油流，流動狀態處于層流，其流量的計算公式為：（1），式中Q為軸向流量，m3/h；d為密封環內徑，m；δ為密封環與轉軸間的間隙，m；ΔP為空氣側密封油在密封環處的壓差，Pa；μ為油的動力粘度；L為從空側密封環油沿軸向流經氫氣側密封環的軸向長度，m；ε為密封環與轉軸的相對偏心度，同心時為0，轉軸靜止或盤車時為1。由式（1）可知決定空、氫側竄油量大小的因素有d、δ、ΔP、L、ε，因此當發電機出現氫氣純度下降的問題應從這些因素逐一檢查。

2.2.1 密封瓦與轉軸間的間隙偏大

發電機密封瓦徑向間隙（轉軸與密封間的間隙）的大小是衡量密封油流量多少的一個重要參數。據式（1）在其他參數不變情況下，若密封瓦徑向間隙偏大，為保證發電機內氫氣不外漏并建立穩定的油氫壓差，需增加密封油的流量來維持密封油的壓力，從而使空、氫側密封油的交換大幅增加，密封油中釋放出來的油煙和水汽就越多，過多的油煙和水汽進入發電機內使氫氣純度下降。某核電廠1號機組第11次大修期間，測量密封瓦與轉軸的間隙為0.39mm，超出設計標準（標準間隙值為0.35～0.38mm），查詢歷史為改善發電機密封瓦過熱發黑現象，故把密封瓦加工徑向間隙放大為0.39mm，該間隙值與2號機組發電機密封瓦的間隙值（0.40mm）接近。雖然密封瓦間隙提供了氫、空側密封油竄油的途徑，對氫氣污染有一定貢獻，但0.39和0.40mm的間隙不是氫氣污染的關鍵所在。

2.2.2 平衡閥調節不當

平衡閥是控制空側和氫側密封油在密封瓦處壓力平衡的設備，若調節不靈敏或壓力值設置存在偏差會使壓差ΔP的增加，由（1）式可知空、氫側密封油竄量會增大。當空側密封油壓力高于氫側密封油壓力時，密封由從空側在密封瓦處向氫側竄油，含有水份和空氣的空側密封油進入氫側；當氫側密封油壓力高于空側密封油壓力時，密封油從氫側在密封瓦處向空側竄油，使氫側密封油箱液位下降，氫側密封油箱補油閥打開補油，主油箱（GGR油箱）進入氫側密封油箱。由此可見，空、氫側密封油壓力存在偏差，無論是氫側壓力高大還是空側壓力高均導致空、氫側密封油發生互竄，使含有空氣和水份的空側密封油竄入氫側密封油并流經密封瓦，引起氫氣純度下降。

系統設計要求空側油壓跟隨發電機內氫氣壓力來進行調節，保持油氫壓差在1.4bar，氫側油壓跟隨空側油壓來調節，使氫空側油壓差值控制在±20mbar（表壓）。通過對1號機組發電機密封油運行參數進行監測，如表1所示，密封瓦氫、空側密封油壓差均在標準范圍內屬正常運行狀態，其中后端空氣、氫氣壓差值波動相對其他偏大，但波動數值是在±20mbar（表壓）內，表明氫、空側差壓波動導致密封油之間存在輕微竄油現象對氫氣純度下降有一定貢獻，但也不是關鍵因素。

表1 某核電廠1號和2號機組空氣、氫氣側密封油壓差（mbar）

2.2.3 密封油供油溫度

依據流體動力學的理論可知，溫度是影響流體粘度μ的主要因素，在溫度升高的過程中液體分子內聚力減小，μ隨溫度的升高而降低。因此發電機密封油的溫度越高油的動力粘度μ越小，油分子的內聚力減小，之間的距離拉大，空、氫側密封油的竄油量會增大，使油液的含氣量增大，引起氫氣純度下降。發電機密封油系統氫、空側密封油設計供油溫度為45℃，1號機組現場實際運行溫度在該值附近，而且1、2號機組的供油溫度都處于44.6～45.2℃之間。雖然供油溫度越高使油中含氣量的本底值提高，但供油溫度的高低不是氫氣純度下降的關鍵因素。

2.3 密封油控制油箱補、排油閥調節不當

密封油控制油箱補排油是靠浮球閥自動補、排油。油位高時向汽輪機潤滑油箱排油；油位低時浮球閥把空氣側冷油器分接點來的油注入油位控制油箱（圖2）。若浮球位置調整不當則會造成補、排油閥同時打開處于同時補、排油的平衡狀態，即在控制油箱中空、氫側油一直在交換，形成補、排油式的竄油，引起氫氣純度下降。

現場使用紅外測溫儀測量管線溫度，發現排油手動隔離閥上下游管線溫度約60℃，均高于其所處環境溫度，接近GHE002BA表面溫度；而補油手動隔離閥管線溫度約45℃卻低于環境溫度且接近于發電機密封油系統空氣側密封油溫度（由于補油浮球閥上游來自發電機密封油空側油冷卻器出口），如表2所示。可能原因為排油浮球閥未關嚴，使氫側密封油通過排油管排入GGR002BA油箱，使密封油油箱油位下降；當液位下降至補油浮球閥動作液位時開啟，向氫側密封油箱補充更多的含水份和空氣的空側密封油來維持氫側密封油箱油位處于正常值，使較多空氣和水份的空側密封油進入到氫側密封油。

表2 1、2號機組密封油油箱及管道溫度對比（℃）

2.4 分析總結

通過上述原因分析可以得出，導致發電機氫氣純度下降的最可能的原因為排油浮球閥未關嚴，使氫側密封油通過排油管排入GGR002BA油箱，使密封油油箱油位下降；當液位下降至補油浮球閥動作液位時開啟，向氫側密封油箱補充更多的含水份和空氣的空側密封油來維持氫側密封油箱油位處于正常值，使較多空氣的空側密封油進入到氫側密封油。

3 原因分析與處理

3.1 竄油試驗驗證與原因的查找

關閉圖2中的補、排油手動隔離閥，觀察GHE 002BA油箱油位持續下降，速率約為0.028m3/h。這說明在沒有補、排油的情況下，油箱油位持續下降表明發電機密封瓦氫側向空氣少量竄油。目前竄油速率為0.028m3/h屬于正常水平，不存在發電機密封瓦竄油量過大的情況。打開排油隔離閥，保持補油隔離閥關閉，觀察油箱液位快速下降至0.345m3后開始緩慢下降。前期快速下降是排油浮球閥處在排油狀態，當油位下降至0.345m3時達到浮球閥的關閉動作值后只有密封瓦的竄油，所以GHE002BA油位開始緩慢下降，速率為之前的0.028m3/h。試驗驗證結果表明排油浮球閥無內漏。

開啟補油手動隔離閥，關閉排油手動隔離閥，然后觀察GHE002BA油箱油位緩慢上升至0.368m3后保持穩定，由此確定補油浮球閥的補油動作關閉值為0.368m3且無內漏。同時，自從試驗開始關閉補油手動隔離閥后，經約36h持續驗證，氫氣純度能持續維持且在試驗過程中執行氫氣提純2次，說明氫氣純度能提高且不再下降。對比分析在補油手動隔離閥未關閉前，氫氣每一次提純之后約4h就會出現純度下降的現象，約6h就需再次進行氫氣置換提純操作。因此關閉補油手動隔離閥后的試驗結果驗證了補油浮球閥處于開啟補油狀態。查詢該機組在第11次大修時浮球閥的標定值與本次試驗值進行對比（表3），發現排油浮球閥的關閉動作值存在下漂（關閉的動作液位值偏低）；補油浮球閥的補油動作值存在上漂（動作液位值偏高）；另外，機組運行期間的GHE002BA油位為0.368m3，該油位恰好處于補油浮球閥開啟補油和排油浮球閥的排油區間內。

表3 浮球閥動作液位值比較（m3）

通過上述試驗驗證與分析，補、排油浮球閥均處于開啟動作的重疊臨界區間，導致氫側密封油通過排油管道排至GGR002BA分離油箱，含有空氣的GGR油連續不斷的補充到GHE系統中，向氫側密封油箱補充更多的含水份和空氣的空側密封油來維持氫側密封油箱油位處于正常值，使發電機內氫氣純度下降。

3.2 處理措施

在該機組第12次大修時，停機后在發電機5bar狀態下對補、排油浮球閥進行了試驗驗證，結果為排油浮球閥的關閉動作值0.346m3，補油浮球閥的補油動作值為0.37m3，與機組日常運行期間試驗結果一致，進一步說明補、排油浮球閥高度位置發生變化，使補排油浮球閥均處于開啟動作的重疊臨界區間。大修中對浮球閥安裝高度進行了測量，發現補、排油浮球閥安裝高度接近。結合日常和機組停運后的補、排油浮球閥動作油位定值驗證結果，對補、排油浮球安裝高度分別進行調整，安裝高度分別為110mm和135mm。執行動作試驗，排油浮球閥的關閉動作值0.365m3，補油浮球閥的補油動作值為0.28m3，從這2個動作液位值來看，補、排油浮球閥均開啟的重疊問題解決。通過處理后，1號機組在日常運行期間密封油箱液位穩定，發電機氫氣純度穩定。