密封油含氣量對氫冷發電機氫氣純度影響研究

王笑微，劉永洛，尹文波，王 騰，呂秀娟，王 娟，常治軍

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

發電機是電網電能的主要生產者，其安全運行是電網源源不斷向外輸送電能的保證。目前，發電機的單機容量越來越大，依靠增大發電機體積以增加銅線繞組和鐵芯容量來提高發電機單機容量的手段受到空間、運輸、加工、安裝等條件限制。因此，現有技術多通過增加銅線繞組的電流密度來實現。然而，繞組的電流密度越大，其產生的熱量也就越多，如不及時把這些熱量排走，將會使發電機絕緣材料因超溫而老化甚至損毀。所以，提高發電機的冷卻效率就成為發展大型發電機組的關鍵技術。

選擇良好的冷卻介質對于提高發電機的冷卻效率至關重要。在諸多冷卻介質中，氫氣的密度最小（約為0.089 kg/m3，標準狀態下），僅為空氣密度的1/14，且傳熱特性好，通風及摩擦損耗小，噪音小，因此是發電機理想的冷卻介質。用氫氣對發電機進行冷卻時，其通風損耗可降至空氣冷卻時通風損耗的6.46%，有利于減少溫升、提高發電效率[1]。

在氫冷發電機中，氫氣品質直接影響發電機的安全經濟運行。氫氣濕度超標，不僅會危害發電機定子及轉子繞組的絕緣強度，而且會使轉子護環產生應力腐蝕裂紋[2]。因此《氫冷發電機氫氣濕度技術要求》（DL/T 651—2017）[3]對氫氣濕度做出了明確要求。為確保氫氣濕度在允許范圍內，有標準還對與發電機氫氣接觸的運行密封油的水分含量做出規定[4]。此外，為保障發電機安全運行并提高發電效率，在保證氫冷發電機氫氣濕度的同時，還要求氫氣具有高的純度。《汽輪發電機運行導則》（DL/T 1164—2012）[5]規定，當發電機內氫氣純度低于96%時，應進行排污，同時補充新鮮氫氣，使發動機內氫氣純度或濕度達到正常運行值。從安全角度考慮，當氫氣中混入其他氣體如氧氣或空氣，如果遇明火，則可能引發爆炸[6]；從經濟角度考慮，當氫氣純度下降時，不但會降低發電機的冷卻效率，還會使發電機的通風摩擦損耗上升，增加發電機能耗，降低發電效率。本文通過模擬發電機內氫氣和密封油間的氣體擴散試驗，得到保持發電機氫氣純度在96%以上時密封油的含氣量水平。

1 密封油含氣體積分數對氫氣純度影響試驗

1.1 氫氣純度的影響因素

采用氫氣冷卻的發電機，為防止運行中氫氣沿轉子軸向外泄漏，引起火災或爆炸，機組配置了密封油系統，向發電機轉子的轉軸與端蓋交接處的密封瓦循環供應高于氫壓的密封油，用于密封發電機內氫氣，同時還起到潤滑及冷卻作用[7]。因此，在密封瓦處和氫氣接觸的密封油的運動黏度、水分含量、泡沫特性、空氣釋放性能等會直接影響機內氫氣純度。此外，密封油中的氣體組分是影響發電機氫氣純度的關鍵因素[8]。表1及表2為某氫冷發電機氫氣氣樣和密封油油樣中溶解氣體組分檢測情況。發電機內氣樣及密封油油樣中的氣體組分及含量依照《絕緣油中含氣量的氣相色譜測定法》（DL/T 703—2015）[9]檢測。由表1和表2中數據可知：發電機氣樣中，除氫氣外，還含有其他氣體如空氣（O2、N2）、少量的CO和CO2以及極少量的油分解氣體（烴類氣體，如CH4、C2H4、C2H6等）；密封油油樣中溶解氣體主要是大量的空氣（O2、N2）、少量的CO和CO2以及極少量的油的分解氣體（烴類氣體，如CH4、C2H4、C2H6等），并含有一定量的H2。根據Le Chatelier’s平衡移動原理[8]分析表1、表2數據發現：發電機內的氫氣與密封油中的氣體發生了置換，發電機內氫氣向密封油中擴散，反之，密封油中氣體也向氫氣中擴散。因此，密封油中溶解的大量空氣等組分是致使發電機氫氣純度下降的污染源。

表1 某500 MW氫冷發電機氫氣與密封油中氣體組分單位：μL/LTab.1 The gas composition in hydrogen and sealing oil in a 500 MW hydrogen-cooled generator

表2 某330 MW氫冷發電機氫氣與密封油中氣體組分單位：μL/LTab.2 The gas composition in hydrogen and sealing oil in a 330 MW hydrogen-cooled generator

1.2 密封油含氣體積分數對氫氣純度影響的模擬試驗

密封油的含氣量是影響氫氣純度的主要因素，試驗研究了密封油含氣量對氫氣純度的影響程度。具體試驗步驟如下。

1）首先，制備不同含氣量的密封油樣品。密封油在101.325 kPa下，溫度為25 ℃時氣體的溶解度約為10%，飽和氫氣體積分數為7%[10]，故先在25 ℃下制備飽和含氣量的密封油樣品，再通過真空脫氣、依次制備不同梯度含氣體積分數的密封油樣品。本試驗參考DL/T 703—2015進行密封油含氣量的測試，根據《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》（GB/T 17623-2017）[11]檢測50 ℃時32號及46號密封油（渦輪機油）的氣體分配系數（Ki值）[12]，然后計算密封油（渦輪機油）中溶解氣體各組分的體積分數，最終計算含氣量。

2）其次，在密封油不同含體積分數量下，對不同體積比的氫氣和密封油在恒溫下進行機械振蕩脫氣，使氣-液兩相中的氣體分配達到平衡，測試平衡后氣相中各組分的體積分數，并計算氫氣在所有氣體中的占比，該比例可視為氫氣的純度。因氫冷發電機密封油的運行溫度約50 ℃，故仍將50 ℃作為恒溫振蕩脫氣與平衡的試驗溫度。同時，結合發電機運行時密封瓦處正常油流量、運行氫壓和氫氣體積，使用100 mL注射器，在振蕩脫氣和平衡過程中，按照氫氣和密封油最大體積比為9:1、最小體積比為5:5開展試驗。

2 試驗結果及修正

2.1 試驗結果及分析

試驗得到氫氣純度與32號、46號密封油含氣量關系，見表3及表4。對表3及表4中數據作圖，得到不同密封油含氣體積分數、氫氣與密封油體積比、平衡氣中氫氣純度3個物理量之間的關系，結果如圖1所示。

表3 氫氣純度與32號密封油含氣體積分數關系 單位：%Tab.3 The relationship between hydrogen purity and dissolved gas volume fraction in L-TSA 32 sealing oil

表4 氫氣純度與46號密封油含氣體積分數關系 單位：%Tab.4 The relationship between hydrogen purity and dissolved gas volume fraction in L-TSA 46 sealing oil

圖1 不同密封油含氣體積分數、氫氣與密封油體積比下平衡氣中氫氣純度Fig.1 The hydrogen purities in equilibrium gas with different sealing oil volume fractions and volume ratios

由圖1可知：1）在相同密封油含氣體積分數下，平衡氣中氫氣純度隨氫氣與密封油體積比的降低而降低；2）在相同氫氣與密封油體積比下，平衡氣中氫氣純度隨密封油含氣體積分數的降低而升高；3）當密封油的含氣體積分數在飽和狀態（如32號密封油為11.80%或46號密封油為14.87%）時，只有在平衡前氫氣體積遠大于密封油體積（如氫氣與密封油體積比為9:1或8:2）的情況下，平衡氣中氫氣純度才滿足≥96%的要求；4）當密封油的含氣體積分數降至3%～4%時，無論平衡前氫氣與密封油以何種體積比進行振蕩脫氣及平衡，平衡氣中氫氣純度始終滿足≥96%的要求。

對平衡氣中氫氣純度進行擬合，擬合曲線如圖2所示。

圖2 平衡氣中氫氣純度擬合曲線Fig.2 The fitting curves of hydrogen purity at equilibrium gas

根據擬合曲線及表3、表4中數據，計算氫氣與密封油體積比為5:5的極端情況下，且平衡氣中氫氣純度滿足≥96%要求時，對應的密封油含氣體積分數，得到：32號密封油y=-1.055 9x+99.991 2，當y=96時，x=3.78，密封油的含氣體積分數應為3.78%；46號密封油y=-0.797 6x+99.518 8，當y=96時，x=4.41，密封油的含氣體積分數應為4.41%。

2.2 密封油含氣體積分數修正

根據以上擬合及計算可以看出，當密封油含氣體積分數降至3.5%～4.5%水平時，可使氫氣純度始終滿足≥96%的要求。然而，此處還應考慮平衡氣中水汽的影響。前文提到，密封油中的水分在汽化、蒸發后會影響氫氣濕度，同時這些水汽也一定程度上會影響氫氣的純度。而通過氣相色譜法檢測樣品時，一般情況下無法檢測氣樣中的水汽含量，因此，有必要考慮密封油中的水分汽化蒸發后、水汽在氫氣中的占比及影響并做出修正。

《氫冷發電機氫氣濕度技術要求》（DL/T 651—2017）規定[3]，發電機內最低溫度為5 ℃時，其運行時機內氫氣允許濕度的高限（露點溫度td）為-5 ℃；發電機內最低溫度≥10 ℃時，允許的氫氣濕度高限（露點溫度td）為0 ℃。根據氣體露點與水汽含量換算表[4]可知，最高氫氣濕度對應的氣體中最大水汽體積分數為6 203 μL/L，即0.06%。從96%的氫氣純度低限中扣除極端狀態下最大水汽含量的影響，根據擬合公式重新計算平衡氣中氫氣純度滿足≥96%要求時對應的密封油含氣體積分數，得到：32號密封油y=-1.055 9x+99.991 2，當y=96.6時，x=3.39，密封油的含氣體積分數應為3.39%；46號密封油y=-0.797 6x+99.518 8，當y=96.6時，x=3.66，密封油的含氣體積分數應為3.66%。因此修正后密封油含氣體積分數應控制在4%以內水平，發電機內氫氣純度可滿足≥96%的要求。

3 標準修訂建議

運行中密封油的質量一直執行《運行中氫冷發電機用密封油質量標準》（DL/T 705—1999）。發電機運行中，應使密封油在保證具有良好潤滑和密封性能的同時，對氫氣的濕度和純度均不產生影響，而現行標準未限定密封油在影響氫氣純度方面的相關性能指標，因此一定程度上帶來氫冷發電機氫氣純度下降、置換補氫頻繁、安全隱患高等問題。調查顯示[12]，按照300~1 000 MW發電機每日耗氫量應保持在7~12 m3/d[13]的要求，有37.9%的單流環油密封氫冷發電機和25.5%的雙流環油密封氫冷發電機其日耗氫量偏大，超出設計要求。

因此，在DL/T 705—1999的基礎上，應將密封油含氣體積分數作為一項控制密封油質量以及氫冷發電機氫氣純度的關鍵指標，運行中加以監督，必要時可采取相應措施對密封油進行脫氣處理，以降低油的含氣體積分數，減少其與氫氣接觸時雜質氣體擴散至發電機內氫氣中產生的污染，保持氫氣純度的穩定。

4 結 論

1）發電機密封油系統的正常運行是保證氫冷發電機安全運行的重要環節，而密封油中溶解氣體是影響發電機氫氣純度的主要因素。本文通過模擬試驗及數據擬合，得到保持發電機氫氣純度在96%以上時密封油含氣體積分數應控制在4%以內。

2）建議氫冷發電機在運行中，除調整密封油系統運行參數、置換補氫等常規手段以外，通過控制密封油的含氣體積分數，從油質角度來保障運行中氫冷發電機氫氣純度的穩定。