王 允
（淮北国安电力有限公司，安徽 淮北 235000）
【摘 要】针对某发电厂3号机组发电机氢气纯度快速下降的问题，通过对相关设备和系统的全面分析，查明了原因并采取了相应的处理措施，取得了良好的效果。
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关键词 发电机；密封油系统；氢气纯度；下降
【Abstract】In view of the problem that the hydrogen purity of generator of No.3 in one power plant rapidly decreased， through the comprehensive analysis of related equipment and systems， the causes was identified and take some measure， the good results were achieved.
【Key words】Generator； Seal oil system； Hydrogen purity； Decline
某发电厂3号机组汽轮机是上海电气生产的N330-16.7/537/537型亚临界、单轴、反动式、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机。发电机为上海电机厂生产的QFSN-330-2型三相两极同步汽轮发电机，由汽轮机通过刚性联轴器直接拖动工作。发电机出口电压为20kV，额定功率330MW，额定容量388MVA，额定功率因数0.85，冷却方式采用“水-氢-氢”，即定子线圈（包括定子引线、定子过渡引线和出线）采用水内冷，转子线圈采用氢内冷，定子铁芯及端部结构件采用氢气表面冷却，集电环采用空气冷却。发电机密封油系统是为330MW级汽轮发电机配置的辅助系统，其作用是为发电机密封瓦提供连续不断的压力油，发电机正常工作压力在0.31MPa左右，并有主差压阀控制氢-油压差值为0.084MPa，而空侧密封油压和氢侧密封油压由平衡阀控制达到平衡，使空、氢两侧密封油互不窜油[1]。
该机组自2013年6月168小时试运行以来，一直存在运行中发电机氢气压力变化不大而氢气纯度大幅度下降的问题，最大时纯度下降值达到3%/每天，平均每天通过补氢和排氢3~4次来维持发电机氢气纯度在95%以上，补氢量每天达到30~50m3，制氢站制氢设备需要连续不断的运行，这对机组的安全运行构成潜在威胁，同时也造成了一定的经济损失。
1 氢气的特性
在标准状况下，氢气是一种无色、无味和无嗅的气体，其密度是世界上已知密度中最小的，仅为空气的1/14，具有最大的扩散速度和很强的导热性，导热率比空气大7倍。氢气泄漏后会迅速向高处扩散。当空气中所含氢气的体积占混合体积的4%~75.6%时，遇火极易产生爆炸。氢气易燃烧、燃烧时火焰没有颜色，肉眼不易观察。氢气普遍作为一种性能优越的冷却介质应用在现代大型汽轮发电机组中。
2 氢气纯度低的危害
氢气纯度不合格，导致冷却效率降低，造成机内构件局部过热，将会直接影响机组的安全。因为发电机运行中产生的热量，致使发电机的转子、定子等各部件的温度升高，为了保证发电机内构件在其允许温度范围内工作，必须及时将其产生的热量带出。由于氢气的导热性较空气高，如果氢气中混入空气，氢气纯度不合格，冷却效率下降，那么机内的热量将不能及时被带出，必然使机内构件局部过热，严重时导致绝缘材料损坏，直接影响机组的安全。同时，由于氢气密度是世界上已知密度最小的，所以随着氢气纯度下降，混合气体的密度变大，导致发电机的通风摩擦损耗增加，发电机效率降低。如果氢气纯度下降至爆炸范围内（一般为4%~75.6%），在一定的条件下可能会引起发电机内氢气爆炸。此外，氢气纯度下降后要采取补排氢的方法，来保持纯度在合格范围内。频繁补排氢操作会对运行机组的安全构成潜在威胁，也造成了一定的经济损失。综上，为使机组能够安全、经济、稳定地运行，严格地保证发电机内氢气的纯度是十分必要的。
3 氢气纯度下降的原因分析
引起氢气纯度下降的原因可以归为以下几类：氢气纯度化验误差、与氢气相连接的系统出现问题、密封油系统异常。
3.1 氢气纯度化验的方法
一般人工进行取样化验，使用奥式氢气纯度分析仪手动分析比较可靠，其能够反映出氢气纯度变化的大体趋势，但由于取样管长度和死角存在的问题，导致了氢气的取样由于取样管容积的存在而相对滞后，而且氢样容易受到污染，用奥式分析仪手动分析进行反算读数容易出现偏差和精确数位少等不足。
应用在线氢气纯度检测仪后弥补了这方面的不足。在线氢气纯度检测仪的测量元件为热电阻，检测电路是一个电桥平衡电路。测量元件热电阻要进行定期校验，因为热电阻受到污染会影响表面导热系数，从而影响到检测精度。在线氢气纯度检测仪的使用实现了氢气纯度的实时监测，由于其测量准确、测量精度比较高，在氢气系统安全运行中发挥了巨大的作用。大多电厂均采用了手动测量分析和在线监测相结合的方法。
正常运行中该厂采用人工取样化验和在线氢气纯度检测仪两种方法监视氢气纯度，同时在氢气纯度快速下降的问题未被解决之前，每班使用便携式纯度仪测量一次氢气纯度，两台便携式氢气纯度仪同时测量，偏差不大于0.3%，如有偏差过大，应重新测量。避免了由于取样管长度和死角等导致的氢样相对滞后，及用奥式分析仪手动分析进行反算读数时出现偏差和精确数位少等问题。
3.2 与氢气相连接的系统
与氢气系统密切相关的系统有： 氢站母管的来氢、压缩空气的软连接、二氧化碳气瓶的连接、密封油系统。氢站来氢的纯度一般都可达到 99% 以上，制氢纯度方面基本没有问题；压缩空气在正常运行中，与氢气系统连接软管断开，处于隔离状态，对纯度的影响可以排除； 二氧化碳气瓶与氢气系统相连接，仅为事故排氢准备，有可能对氢气纯度造成影响，但其温度较低，容易监视和发现是否漏气； 因而分析氢气纯度下降原因的主要难点还是在密封油系统。
3.3 密封油系统
该机组密封油系统采用双流环式密封瓦，密封油分空侧和氢侧两个油路将油供给给密封瓦上的两个环状配油槽。如果这两个油路中的供油油压在密封瓦处恰好相等，就不会出现两条配油槽之间窜油的现象。氢侧油路供给的油沿轴和密封瓦之间的间隙，流向氢侧并流入消泡箱。空侧油路供给的油沿轴和密封瓦之间的间隙流往轴承侧，并汇同轴承回油一起进入空侧密封油箱。
发电机内额定氢压力为0.31MPa，常压下空气不可能进入发电机内部。在密封油系统中，氢侧密封油携带是空气进入发电机的唯一途径。而空、氢侧双回路结构保证了氢侧密封油携带空气量很少。因而影响氢侧密封油携带空气量增大的原因可能为：发电机空、氢侧密封油大量窜油。初步断定3号机氢气纯度快速下降的原因主要是空氢侧密封油之间大量窜油。
3.3.1 发电机空、氢侧窜油
机组正常运行中若空侧密封油压力大于氢侧密封油压力，空侧密封油在密封瓦内向氢侧窜油，空侧密封油夹带的空气等进入氢侧密封油。当氢侧密封油压力大于空侧密封油压力时，氢侧密封油在密封瓦内向空侧窜油，这样将引起氢侧密封油箱油位降低，氢侧密封油箱浮球阀将打开，空侧密封油泵出口的压力油通过浮球阀补入氢侧密封油箱。因此，无论空侧密封油压力大于氢侧密封油压力，还是氢侧密封油压力大于空侧密封油压力，都将使从轴承回油来的空侧密封油夹带的油烟、水气等通过与氢侧密封油交换而进入氢侧密封油系统，再通过密封油内油档被发电机吸入发电机内，造成发电机内氢气污染，氢气纯度下降，补氢量增大。
一般影响窜油的因素主要有：平衡阀、差压阀失灵、密封瓦间隙不合格、密封油箱自动补排油异常等。该厂利用机组停运机会针对上述内容进行逐项排查处理。
（1）机组停运后对密封油系统的两只差压阀和两只平衡阀进行解体检查，未发现阀内有油泥及可能引起卡涩的杂质等，阀门动作灵活，无任何卡涩现象。同时对其进行外观检查无裂纹、砂眼，压力试验后也未见泄露现象。
（2）解体发电机5号、6号轴瓦，未发现磨损情况，密封瓦间隙和密封瓦两侧的油封齿间隙均在合格范围内。可见密封瓦工作正常，不会出现因密封瓦间隙不合格而导致空、氢侧窜油的现象。
（3）排除了差压阀和平衡阀故障及密封瓦间隙不合格的因素后，导致空、氢侧窜油的原因可能为氢侧密封油箱补排油异常。
密封油箱内装有一套补排油浮球阀，油箱正常油位应保持在距中心位置一定范围，而补排油阀在此位置起着自动补排油的作用，即当油位过高时排油阀的浮球上浮，阀芯随着往下滑动自动打开，多余的油从阀体排出，排到正常区间时阀芯自动关闭，实现自动控制作用。补油阀的原理同上，当油位低时补油阀芯打开，油从阀体流入油箱内，油箱内的补油浮球上浮，阀芯跟着往上滑动，当油位补到一定位置时阀芯自动关闭，浮球停止上浮，使油位保持正常。通过对氢侧油箱补排油管路的多日监视观察，发现补排油管路温度与系统油温基本一致，说明补排油管路经常有油流经过，导致管路温度升高，同时也说明浮子阀可能存在问题，导致了氢侧油箱大量补排油，使得空侧密封油中含有的空气混入氢侧密封油箱中。
机组停运后打开密封油箱端盖，检查发现浮球安装不合理，导致密封油箱不断地进行自动补油、排油的工作，致使含有空气的空侧密封油连续不断地进入氢侧密封油箱，空气直接析出进入发电机，降低了发电机的氢气纯度。
3.3.2 密封油中严重带水
运行中空侧密封油排烟风机出口隔离门疏水每天放出大量的水，机组停运后对空侧密封油排烟风机进行检查，发现出口法兰处挡板未拆除，使得空侧密封油箱内的油烟和水汽未被及时排出。密封油中带水又是由大机润滑油中带水引起的。
解决油中带水问题，主要是连续滤油的同时调整轴封用汽，尽量降低轴封压力，以真空不下降为标准。必要时对轴封滤网进行清理，重点对高中压缸两侧轴封盒处的保温进行检查调整，检查轴封加热器的运行情况，水封筒是否情况良好解体检查A、B排烟风机及其隔离门和疏水。
4 原因判定
综合以上分析，认为造成3号机组发电机氢气纯度快速下降的主要原因如下：
（1）氢侧密封油箱内浮球安装不合理，导致密封油箱不断地进行自动补油、排油的工作，致使含有空气的空侧密封油连续不断地进入氢侧密封油箱，空气直接析出进入发电机，降低了发电机的氢气纯度。
（2）空侧密封油排烟风机出口法兰处挡板未拆除，使得空侧密封油箱内未被及时排出的油烟和水汽，通过氢侧密封油箱的不断补排油进入氢侧，影响发电机氢气纯度。
5 处理措施
（1）浮球设计不合理，按照厂家要求重新调整安装浮球。
（2）拆除空侧密封油排烟风机出口法兰处挡板，空侧密封油排烟风机正常运行。
（3）严格控制主机润滑油水分含量在100mg/L的合格范围内，排除油中含水对发电机氢气纯度的影响。
6 结语
经过对氢气系统的分析和调整，氢气纯度下降速度得到有效控制，经过一段时间的运行，3号机组平均每天补氢量下降至正常范围内10 m3/d以下，氢气纯度合格率达98%以上，有效地保证了机组安全经济地运行。
［责任编辑：邓丽丽］