氫冷發電機組H2純度下降過快的原因分析及處理

何旭東

摘要：外部空氣或濕氣的混入會引起氫冷發電機H2純度下降，對于采用雙流環密封的發電機，空、氫側密封油之間串流是外部氣體進入發電機的常見原因。空、氫側密封油壓偏差，平衡閥工作好壞，軸瓦間隙、溫度等都會影響串流量的大小。現針對某廠#4機實際運行情況，分析了氫冷發電機組H2純度下降過快的原因，經分析確定是發電機密封瓦間隙偏大導致H2純度下降，并有針對性地進行了調整優化，為解決其他類似問題提供了借鑒。

關鍵詞：H2純度;串流量;密封瓦;空氫側密封油

0 引言

大型發電機普遍采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組（包括定子引線、定子過渡引線和出線）采用水內冷方式，轉子繞組采用氫內冷方式，定子鐵芯及端部構件采用氫表面冷卻方式。H2由于其密度小、比熱容大等物理特性，成為高速運轉發電機轉子的最佳冷卻介質，但它同時也是相當活潑的氣體，在發電機內當H2純度降至5%～76%，含氧量超過2%時，易發生爆炸或著火事故，影響企業生產安全。因此，一般規定發電機內H2純度正常大于96.7%，最低不得低于96.0%。

1 發電機組H2系統運行現狀

某廠4×320 MW亞臨界控制循環燃煤機組發電機于1996年投產，為某地區的調峰電源。該發電機采用水-氫-氫冷卻方式，發電機的氫壓額定值為0.31 MPa。其中#4機自2020年6月30日結束長周期調停啟動以來，其氫壓和H2純度均下降較快，平均每天都要進行補氫提純操作，H2耗量增大。表1為#4機氫站長周期調停前后一周內（2020年5月1日—8日和2020年7月1日—8日）H2消耗對比情況，從表1可以看出，#4機結束調停啟動后氫站氫瓶消耗量同比上升明顯。

同時，運行人員記錄了2020-08-25T08：00—2020-08-26T08：00的氫壓和H2純度數據，發現氫壓由0.307 MPa下降至0.305 MPa，壓降0.002 MPa，H2純度由96.20%下降至95.94%，下降近0.3%。氫壓下降雖會導致H2純度下降，但氫壓從0.308 MPa泄放至0.293 MPa，壓降0.015 MPa，H2純度卻只下降了0.1%，根據提純操作經驗可判斷，#4機發電機H2純度下降的主要原因并非氫壓下降，而是外部氣體混入導致的。

2 H2純度下降的原因分析

一般來說，發電機H2純度下降的直接原因就是外部空氣和濕氣進入發電機。由于#4機發電機采用空、氫側雙流環密封油系統密封，相比單流環來說，密封性已極大提高，但實際密封瓦處空氫側油之間多少會存在一定的串流量，這使得外部空氣和濕氣有機會混入發電機H2中，使其純度下降。從亨利定律可知，在一定溫度的密閉容器內，單位體積液體中溶解的氣體量與液體表面上該氣體的分壓力成正比[1]。當空側密封油向氫側密封油串流時，由于空側密封油與空氣直接接觸，帶有空氣和濕氣的空側油會進入氫側回油的消泡箱中，而發電機中空氣分壓力很低，油中的空氣便進入發電機中，使H2純度下降。當氫側密封油向空側密封油串流時，氫側油箱油位下降，油箱補油浮球閥自動開啟補油，空側油箱中溶有空氣和濕氣的油進入氫側油箱，而氫側油箱上部充滿H2且與發電機消泡箱相連，這也會導致空氣進入發電機。根據實際運行經驗，空氫側油串流存在以下幾個影響因素。

2.1? ? 空、氫側油泵出口壓力相差過大

空、氫側密封油主要通過氫側密封油泵出口再循環閥粗調，再由進入密封瓦前的兩個汽端、勵端空氫側密封油差壓計微調平衡后進入密封瓦。若空、氫側油泵出口壓力偏差過大，超過空氫側油平衡閥的調節范圍，即達到其動作的上下限，空、氫側油壓偏差便無法平衡。如當氫側密封油泵出口壓力過小時，會使得密封瓦空側油向氫側油串流，此時需要調節氫側油泵出口再循環閥，提高其出口壓力。

2.2? ? 平衡閥故障

密封油系統共有機端和勵端兩個平衡閥，每個平衡閥均有一個平衡活塞，上部引入空側密封油，下部引入被調節并輸出的空側密封油。當空側油壓高于氫側油壓時，平衡活塞帶動閥芯向下移動，加大閥門開度，使氫側油壓增大。反之，平衡活塞帶動閥芯向上移動，減小閥門開度，使氫側油壓降低。機端和勵端的兩個空、氫側差壓閥出現故障，閥門卡澀、信號管堵塞以及信號管閥門未全開，均會導致調節失靈，造成空、氫側密封油壓無法自動調平。

2.3? ? 發電機密封瓦與軸安裝間隙大

密封瓦與發電機轉子間間隙對串流量的計算公式如下：

由上式可以看出，空、氫側密封油之間的串油量與密封瓦中間環與發電機轉子間的間隙成立方關系：間隙越小，H2越容易密封，空、氫側密封油間的串流量也越小，但會引起發電機兩端軸承的振動增大;間隙過大，串流量則會增大。

2.4? ? 密封油油溫偏高

密封油油溫上升會使其黏度、流動特性發生變化，油膜厚度也會變小，導致軸與密封瓦間隙變大，進而使串流量增大。

油溫變化對間隙的影響關系式如下：

2.5? ? 氫側密封瓦進油管道或接頭漏油

由于空、氫側密封油差壓平衡閥信號管取自汽機房0 m進油管道，當氫側密封瓦進油管道或接頭泄漏時，雖差壓閥后空氫側密封油壓已平衡，但泄漏會導致實際進入氫側密封瓦的油壓要低于進入空側密封瓦的油壓，進而引起密封瓦處空側油向氫側油串流。

2.6? ? 空側密封油排煙風機故障

首先，排煙風機出力不足會導致空側密封油箱中無法建立負壓，密封油回油不暢，軸瓦產生的熱量不能被及時帶走，使局部油溫上升，串油量增大，同時也會使軸瓦溫度上升。其次，若空側密封油排煙風機出現故障，則油箱的空氣和濕氣不能被及時排出，既而溶入空側密封油中，增加其進入發電機的可能性。