發電機密封油系統的故障運行方式

東方電氣自動控制工程有限公司 四川 德陽 618000

0 發電機密封油系統簡介

大容量發電機通常采用水氫氫冷卻方式,即定子線圈采用水冷,定子鐵芯和轉子采用氫氣冷卻。采用水氫氫方式冷卻的發電機需要配置一密封油系統。密封油系統的主要作用是向發電機汽端和勵端密封瓦處提供密封油,將氫氣密封在發電機殼體內。密封油系統向發電機密封瓦所提供的油壓,通常要高于發電機內氫壓一定數量值(0.056±0.02MPa),以防止發電機內氫氣沿轉軸與密封瓦之間的間隙向外泄漏,同時也防止油壓過高而導致發電機內大量進油。根據密封瓦的結構形式,最常見的密封油系統分為單流環式密封油系統和雙流環式密封油系統,我公司所設計和生產密封油系統通常為單流環式密封油系統。由于密封油系統主要用于密封氫氣,因此要求密封油系統具備高可靠性,在系統部分元件出現故障時,仍然能確保將氫氣密封在發電機內。本文將以我公司300MW級氫冷發電機為例,對密封油系統的正常運行方式和故障運行方式進行簡介。

1 密封油系統的正常運行方式

密封油系統在所有設備均正常的情況下,其運行回路如下：

潤滑油系統供油管(油源)→真空油箱→交流主密封油泵→過濾器→差壓閥→發電機密封瓦→氫側排油(空側排油不經擴大槽和浮子油箱直接回空氣抽出槽)→擴大槽→浮子油箱→空氣抽出槽→潤滑油系統套裝回油管→汽輪機主油箱→潤滑油系統供油管(油源)。典型的密封油系統簡圖如圖1所示：

圖1 典型的密封油系統簡圖

通過以上運行回路可以發現,密封油系統是一個大循環密閉系統,一直在進行周而復始的循環工作。

密封油系統在正常運行時,系統中設置的真空油箱以及真空泵可以將進入發電機密封瓦的密封油進行凈化處理,其原理是通過抽真空的方式將密封油中含水的水氣予以去除,避免含有水分的密封油和氫氣接觸后污染氫氣,導致發電機內氫氣純度不斷下降,影響發電機出力。

2 直流油泵運行下的故障運行方式

當密封油系統發生故障,如真空油箱浮球閥卡澀、真空油箱液位過低、兩臺交流主密封油泵故障時,此時密封油系統將需要啟動直流油泵,進入到事故運行回路,具體運行回路如下：

潤滑油系統供油管(油源)→事故密封油泵(直流泵)→濾油器→差壓閥→發電機密封瓦→氫側排油(空側排油不經擴大槽和浮子油箱直接回空氣抽出槽)→擴大槽→浮子油箱→空氣抽出槽→潤滑油系統套裝回油管→汽輪機主油箱→潤滑油系統供油管(油源)。直流油泵運行下的故障運行方式簡圖如圖2所示：

圖2 直流油泵運行下的故障運行方式簡圖

當采用事故密封油泵運行密封油系統時,雖然整個密封油系統的功能不會有影響,但由于此時密封油將不經過真空油箱,無法進行真空凈化處理,油中所含的空氣和水氣將隨氫側回油擴散到發電機內部,導致氫氣純度下降,此時需要加強對氫氣純度的監視。當氫氣純度明顯下降時,每隔一段時間(通常建議8h)應操作擴大槽上部的排氣閥進行排污,然后讓高純度氫氣通過氫氣母管補進發電機內部。

在此事故運行工況下,發電機內氫氣純度運行8小時后的純度及通過排氫補氫后機內氫氣純度的相關計算如下：

2.1 8小時內進入發電機的空氣總量為

式中,

V0為8小時內進入發電機內的空氣總量,m3；

v為發電機內氫側回油量,L/min,根據我公司設計標準,v取值40L/min；

s為空氣在密封油中的溶解度(體積比),根據經驗手冊,s取值10%。

經計算,V0得1.92m3。

2.2 發電機內初始空氣含量為

式中,

V1為發電機內初始空氣含量,m3；

V2為發電機容積,m3,該設計值為71m3；

P1為發電機內表壓,該設計值為3bar；

P0為大氣壓力,bar,該設計值為1bar；

H0為氫氣純度,該設計值為98%

經計算,V1得5.68m3。

2.3 事故密封油泵運行8小時后機內空氣總量為

式中,

V3為事故運行8小時候機內空氣總量,m3

經計算,V3得7.6m3。

2.4 此時,機內氫氣純度為

式中,

H1為事故8小時后機內的氫氣純度

經計算,H1得97.32%。

2.5 為了提高發電機在事故工況下運行時機內的氫氣純度,需要用高純度的氫氣替換機內低純度的氫氣。假定在事故工況下運行8小時候后,通過排氫14m3,同時向其補充99.8%純度的氫氣,則機內空氣減少量為：

式中,

V4為機內空氣的減少量,m3

V5為補氫量,m3,取值14m3；

Hs為補氫的氫氣純度,取值99.8%

經計算,V4得0.35m3。

此時機內的氫氣純度為：

式中,H2為事故運行8小時,并且進行排氫和補氫后的機內氫氣純度

經計算,H2得97.45%。

3 無密封油源下的故障運行方式

由于密封油系統的油源來自汽輪機潤滑油系統,經過真空油箱抽真空,再經過油泵加壓后送至發電機密封瓦,最后回流到汽輪機潤滑油箱進行冷卻,后又通過潤滑油系統進入發電機密封油系統,周而復始形成密閉循環。當汽輪機潤滑油系統停止運行時,發電機密封油系統將失去密封油源,通常發電機密封油系統也將停止運行。但當汽輪機潤滑油系統短時停止運行,而發電機內仍充滿氫氣時,且要求不對發電機內的氫氣進行排空,密封油系統將需要繼續運行,將發電機內的氫氣密封在機殼內。此時密封油系統將進入到無密封油源的故障運行方式。無密封油源下的故障運行方式簡圖如圖3所示：

圖3 無密封油源下的故障運行方式簡圖

該功能的實現主要依靠于上圖中的空氣抽出槽結構設計來完成的。密封油系統的氫側回油和空側回油都將全部回流到空氣抽出槽后再返回到汽輪機潤滑油系統套裝油管。空氣抽出槽的結構示意圖如下所示：

通過上圖可以發現,正常運行時,空氣抽出槽內的油不會全部回流到潤滑油系統,只有超出基準界面(殼體內部300mm高)以上的密封油才會回油至潤滑油系統。當潤滑油系統不再像發電機密封油系統提供油源時,由于空氣抽出槽的高程布置通常高于密封油控制裝置入口處10米左右,因此由于重力作用,空氣抽出槽內的存油將直接向真空油箱進行補油,以作為密封油系統的油源。由于密封油系統內總的油量沒有增多,因此密封油系統的回油在進入空氣抽出槽后將不會再回到潤滑油系統,而是直接作為密封油系統的油源,由此形成了一個密閉循環。

圖4 空氣抽出槽結構簡圖

此種運行方式下,由于發電機靜止,密封瓦處幾乎沒有損耗,不會對密封油產生加熱影響。系統內的油溫,由于密封油處于密閉小循環中,沒有油凈化裝置對密封油進行再生和過濾處理,且由于沒有油冷卻器對密封油進行冷卻,因此此種故障運行方式僅能在發電機靜止不轉動的情況下采用。此種工況下,需要對整個密封系統的發熱情況進行計算,以便校核系統能否長時間運行。

3.1 系統的發熱量計算 我公司所選用的密封油泵電機功率為7.5KW,油泵軸功率為5.54KW,為了簡化計算,取油泵的軸功率作為整個潤滑油系統的最大發熱功率來進行溫度校核。

3.2 系統的散熱量計算 為簡化計算,系統的散熱不考慮管道的散熱,只考慮空氣抽出槽和真空油箱這兩個大油箱體進行散熱量計算。

1)抽氣抽出槽散熱計算公式如下：

式中

P1為空氣抽出槽的散熱功率,W；

K為油箱散熱系數(通風差時,取k=8～9；通風良好時,k=15～17),由于空氣抽出槽在汽輪機廠房內為懸吊式獨立布置,通風條件良好,取k=15；

A1為空氣抽出槽散熱面積,按照與油接觸的部分面積全算,沒有與油接觸的部分散熱面積減半原則計算,A1取值8.34㎡；

ΔT為油箱內油溫T1與環境溫度T2的溫差,ΔT=T1-T2。

根據發電機技術條件,密封瓦處的最大油溫可按照65℃進行計算,因此T1取值65℃。

T2按最高環境溫度進行計算,取值40℃。

經計算,P1得3127W。

2)真空油箱散熱計算公式如下：

式中

P2為真空油箱的散熱功率,W；

A2為真空油箱散熱面積,按照與油接觸的部分面積全算,沒有與油接觸的部分散熱面積減半原則計算,A2取值7㎡。

經計算,P2得2625W

事故工況下,系統總的散熱功率為

P為事故工況下,系統總的散熱功率。

經計算,P得5752W。

3.3 計算結果 無密封油源時,密封油系統繼續運行期間的散熱量核算結果見下表1：

表1 無密封油源故障運行時散熱量核算結果

經以上散熱核算,可知系統最大散熱功率大于系統最大發熱功率,因此密封油系統在無密封油源下的故障運行方式是可以長時間運行的。

4 結論

通過對密封油系統的兩種故障運行方式進行原理介紹,可以使更多從事氫冷發電機行業的人進一步加深對我公司密封油系統的認識。通過本文,可以發現我公司氫冷發電機所配備的密封油系統具備高可靠性,即使在某些極端工況下,仍然可以確保發電機的安全運行,電廠運行人員在面對密封油系統發生故障時,更能準確的采用相應故障運行方式,為故障檢修贏得寶貴時間,確保發電機的安全運行。