雙流環密封油結構汽輪發電機補氫量大的原因分析 雙油環密封油結構汽輪發電機補氫量大的原因分析一、簡介1 、氫氣特性氫氣是一種無色、無味的氣體，在標準狀況下的體積質量為0.08987g/L。氫氣的分子運動速率最快，從而有最大的擴散速度和導熱性，其導熱能力是空氣的7倍，因此在大型發電機組中普遍采用氫氣作為冷卻介質。另外氫氣較其他氣體的粘度較小，這樣可以降低轉子的阻力，從而大大提高發電機的效率。保持氫氣的純度接近100可最大限度地提高發電機的效率。氫氣是一種無色、無味的氣體，在標準狀況下的密度是0.08987g/L。氫氣的分子運動速率最快，從而有最大的擴散速度和導熱性，其導熱能力是空氣的七倍，因此在大型發電機組中普遍采用氫氣來作為冷卻介質。另外氫氣較其他氣體的粘度較小，這樣可以降低轉子的阻力，從而大大提高發電機的效率。保持氫氣的純度接近100是對冷卻優化的要求，這會最大限度地提高發電機的效率。然而氫氣與空氣的混合物超過一定范圍（當氫氣濃度在474，而且氫氣的最小著火能量僅為0.02mJ）后會發生爆炸，所以對于發電機安全運行來說，保持合格的氫氣純度至關重要。2、雙流環密封油系統簡介2.1汽輪發電機密封油系統由空側和氫側兩個各自獨立又互有聯系的的油路組成，空側和氫側密封油同時向發電機兩端的雙流環式密封瓦供油。來自汽輪發電機組軸承的回油，經空側密封油泵升壓后，通過空側密封油冷油器、濾網到發電機汽、勵端雙流環式密封瓦的空氣側油環，空側密封油壓力的控制依靠壓差閥的泄油來控制，當發電機內氫氣壓力變化或空側密封油壓力波動時，壓差閥將調整空側密封油泄油量以維持空側密封油壓力大于發電機內氫氣壓力0.085Mpa。空側密封油的回油排至發電機支持軸承的回油系統。氫側密封油經氫側密封油泵升壓后，通過氫側密封油冷油器、濾網，再分成兩路分別通過發電機汽、勵端平衡閥到發電機汽、勵密封瓦的氫側油環中，汽、勵平衡閥的作用是跟蹤汽、勵端密封瓦內空側油環內壓力，調整汽、勵密封瓦內氫側油環內壓力與空側油環壓力差不大于50mm水柱,氫側密封油回油到密封油箱，密封油箱油位通過空側密封油泵出口補油或向空側密封油泵入口排油來控制。2.2密封油系統功能2.2.1向密封瓦提供二個獨立循環的密封油源 2.2.2保證密封油壓力高于發電機內氣體壓力某一個規定值，并確保密封瓦內氫側與空側油壓相等，其壓差限定在允許變動的范圍之內。 2.2.3通過熱交換器冷卻密封油，從而帶走因密封瓦與軸之間的摩擦損耗而產生的熱量，確保瓦溫與油溫控制在要求的范圍之內。 2.2.4通過濾油器，去除油中雜物，保證密封油的清潔度。 2.2.5通過發電機消泡箱和氫側回油控制箱，釋放掉溶于密封油中的飽和氫氣。 2.2.6空側油路備有多路備用油源，以確保發電機安全、連續運行。 2.2.7利用壓差開關、壓力開關及壓差變送器等，自動監測密封油系統的運行。 2.2.8空、氫側各裝有一套加熱器，以保證密封油的運行油溫始終保持于所要求的范圍之中。 2.2.9密封油系統大部分部件集中安裝于一塊底板中，便于運行巡檢和維修。2.3密封油系統原理圖2.4發電機密封油箱的結構從圖中我們不難看出，1、3是由浮子控制的自動排油閥、補油閥；2、4是強制開啟自動排油閥、補油閥的頂針，它們是在自動排油閥、補油閥失去控制，需強制開啟自動排油閥、補油閥對密封油箱進行強制的排油、補油時，旋轉手輪將自動排油閥、補油閥頂起，在正常運行中2、4這兩個手輪應是在旋出退出位置；5、6手輪控制的螺桿是用來在自動補油閥、排油閥故障時，強制關閉自動補油閥、排油閥的，在正常運行中5、6手輪也是在退出位置。（在我廠只有5、6機的密封油箱頂部裝有5、6手輪）三、雙油環密封油結構汽輪發電機目前存在的問題目前，國內雙流環密封油結構的氫冷發電機存在不同程度的補氫量大問題。氫冷發電機的氫氣消耗除了增加氫氣本身的成本外，還因氫冷發電機氫氣純度下降而導致發電機效率低、線圈溫度升高到問題，嚴重影響發電機的安全經濟運行。另外由于設備結構、運行、檢修方面的原因，造成發電機內進油，引起發電機線圈絕緣下降，給發電機安全運行帶來隱患。因此，解決雙流環密封油結構的氫冷發電機補氫量大的問題十分重要。四、發電機補氫量大的原因分析1、氫氣純度不合格，將會直接影響機組的安全。如果氫氣純度下降至爆炸范圍內，在一定的條件下可能會引起發電機內氫氣爆炸；氫氣純度不合格將導致冷卻效率降低，造成機內構件局部過熱；有害氣體的存在還會造成絕緣老化、鐵芯及其金屬部件腐蝕。由于發電機氫氣額定壓力在為0.3MpPa，所以常壓空氣是進入不到不可能進入發電機中。在密封油系統中，空氣進入發電機的唯一途徑是氫側密封油攜帶的空氣釋放到發電機氫氣中。2、實際運行中很難控制空側密封油和氫側密封油壓力的平衡按照雙流密封油結構密封瓦設計原理來講，只有維持密封瓦內空側密封油與氫側密封油壓力基本相等，減少空、氫側密封油的交換，才能防止空側油系統中夾帶的空氣等進入氫側密封油系統。但實際運行中由于設備結構等方面很難控制空側密封油和氫側密封油壓力的平衡。 造成空側密封油和氫側密封油壓力不平衡的第二個主要原因是空、氫側密封油壓力的測量誤差。機組運行中只有維持密封瓦與轉軸之間的油壓平衡，才能減少空、氫側密封油的互相竄動，但由于設備結構的原因，目前只能測量密封瓦上的空、氫側密封油進油處的壓力作為平衡閥的調節信號，因此必然造成測量誤差，平衡閥不能有效維持空、氫側密封油壓力的平衡，從而引起發電機補氫量增大。1、平衡閥因素1.1 平衡閥原理：平衡閥分汽端和勵端二只，其信號分別取之于各自密封瓦處的空、氫側油壓，通過空、氫側油壓的變化自動調節平衡閥開度的大小，從而使空、氫側在密封瓦處的油壓差始終保持在50mmH2O之內。平閥工作失常首先表現在空氫側微差壓計上，其值偏差較大的原因有以下幾點： 1.1.1油質臟，活塞被卡住。 1.1.2傳壓管較細，通常應加大到181.5mm左右,以提高平衡閥的工作靈敏度和平衡精度。（于密封瓦處空、氫側密封油壓壓差僅幾個mmH2O，油路或信號管稍有堵塞或雜質均會使平衡閥調節不靈敏現象的發生。）1.1.3平衡閥桿間隙、活塞間隙加工或密封不好，存在漏油現象。若是平衡閥桿間隙漏油，那么氫則工作油將進入到氫側信號油室，使氫側信號油壓力升高，造成氫側油壓低于空側油壓，使微差壓計的偏值增大。其影響程度取決于從平衡閥出口至密封瓦之間的氫側供油管產生的阻力壓降、平衡閥桿的漏流間隙以及氫側壓力信號管的通徑等。 1.1.4平衡閥有調節能力是有限的，若發現微差壓計偏差較大，應首先調節氫彈側油泵出口旁路閥，使其汽、勵端空氣側的差壓盡可能的達到最小，然后再分別調節各自的平衡閥，使空氫側的壓差達到小于500Pa。 1.2由于平衡閥不可能保持空氫側油壓的絕對平衡，因此空氫側密封油發生竄油將會不可避免。當空側油壓高時，空側油竄到氫側，再經密封油內油檔被發電機風扇吸卷，將油中攜帶的空氣釋放到發電機內，同時氫側油箱油位升高，自動排油閥打開排油；當氫側油壓高時，氫側油竄到空側，氫側油箱油位降低，自動補油閥打開，使含空氣量較高的空側油補充到氫側油箱，并進入氫側油循環，最終將空氣釋放到發電機內。因此無論是氫側還是空側油壓高，都將導致發電機內氫氣受到污染，氫氣純度下降，補氫量增大。尤其是當空氫側密封油存在較大的不平衡時影響更大。停機時，釋放到發電機內的空氣因受重力作用，還將逐漸下沉到發電機底部，聚集到發電機死角和低點處，造成發電機局部將油純度不合格，產生局部氫爆的危險。因此如何盡可能的保持空氫側油壓平衡，是解決該問題的關鍵所在。運行中要求空氫側油壓差在50mmH2O，一般以密封油系統上的調端和勵端的平衡表為判斷油壓平衡的依據，輔之以汽輪機運行平臺就地空氫側油壓表。但由于現場壓力表計的誤差，以及平衡表取壓信號存在誤差，往往平衡表調平衡了，而實際空氫側油壓并沒有平衡。個人覺得調整平衡閥應以平衡表為粗調信號，而以氫側油箱補排油管道的溫度為細調信號。這是因為正常運行時空氫側回油溫度在5060左右，若空氫側油壓比較平衡，就會出現氫側油箱補油和排油量很微小的情況，補排油管道就會是冷的或者微熱。若運行中補油或排油管道很熱，說明氫側油箱在補油或排油，那么空氫側密封油一定存在著較大的不平衡，因此即使是表計平衡了，還是需進一步調整平衡閥。1.3提高平衡閥的調節精度和運行可靠性的措施1.3.1防止平衡閥卡澀，調節失靈：檢修后密封油系統運行初期，可采取用平衡閥旁路閥手動調節，防止檢修后因系統不清潔造成的平衡閥部件卡澀。1.3.2 采用新型平衡閥：據悉國內某單位研制成功了閥芯連續旋轉的平衡閥，這種平衡閥采用密封油做為動力油推動閥芯以一定速度旋轉，可防止密封油中雜質造成閥芯卡澀。（有待考證）1.3.3檢修后進行平衡閥調節試驗，保證空、氫側密封油壓力平衡：平衡閥的目的是控制密封瓦內空、氫側密封油環內的空、氫密封油不交換，基于這個原理，可關閉密封油箱補、排油門，觀察并根據密封油箱油位變化對平衡閥進行調整，最終使密封油箱油位基本穩定，達到減少空、氫側密封油在密封瓦內交換的目的。通過試驗可找出規律，在機組正常運行中，根據密封油箱是在補油或排油，微調平衡閥，同樣可減少空、氫側密封油在密封瓦內交換。2差壓閥因素2.1差壓閥介紹：差壓閥的執行機構實際上是一個內置式波紋筒，波紋筒上部接有發電機內氫氣壓力信號，波紋筒內部接有空側密封油泵出口壓力油信號，氫氣壓力和油壓差值的變化造成波紋筒的上下移動，從而帶動下部閥門的移動，氫氣壓力變化時，密封油也相應變化，始終保持油壓大于機內氫壓0.084Mpa。但在實際過程中經常發現油氫差壓發生變化，尤其在低氫壓時變化更大，其原因大致有以下幾點： (1)由于產品本身質量所造成的。調試過程中常發現差壓閥在額定氫壓時調節性能較好，而在偏離額定工況時調節性能就不是太好，這說明調節彈簧的線性不理想，運行過程中要經常調整。 (2)波紋筒破裂。 (3)波紋筒內空氣未放盡。因為空氣為可壓縮性氣體，部分吸收了油壓的變化，對調節性能影響較大。 (4)腔體內雜質較多，特別是新建機組，安裝前需對傳壓管仔細清理以保證油質的清潔。 3、密封瓦間隙因素3.1發電機轉子與密封瓦之間間隙對串流量的影響如下式所示：Qdpc3（12l）（1） 其中Q密封油間的串流量 p空、氫側密封油微差壓 d轉子軸徑 c中間環和軸間的間隙 透平油的動力粘度 l中間環長度 由上式可見，密封油間的串油量與密封瓦中間環與軸的間隙成三次方關系，間隙越小，氫氣越容易密封，空、氫側密封油間的串流量也會越小。但密封瓦與發電機軸之間的間隙是一個比較難協調的矛盾，由于密封瓦是浮動在軸上的，該間隙太小，極容易引起發電機兩側軸承振動的增大。該間隙太大，不但引起串流量的增加，同時由于空側密封油流量大，流阻小，空側油直接通過中間間隙流至氫側油處，會造成氫側油的虛假油壓，此時雖然空、氫側密封油微差壓計上顯示空、氫側密封油已達到較好的平衡，但實際上密封瓦中間環的串流量還是很大。因此密封瓦檢修時應嚴格按照標準，保證密封瓦的間隙盡量靠近下限，以減少密封油流量，并保證密封瓦不被磨損；另外就是采用高精度密封油濾網，降低密封油中的顆粒度，從而減少密封油中的微小顆粒與密封瓦及軸頸的相對流動產生的研磨。對于300MW汽輪機（我廠一期為西門子-西屋公司的350MW機組），密封瓦直徑間隙為0.23-28mm（我廠發電機密封瓦徑向間隙0.230.28mm），當運行中密封瓦間隙從0.15 mm增大到0.28 mm時，密封油流量將大大增加，而由于空、氫側密封油之間不可避免的存在壓差，密封油流量的增加將導致空、氫側密封油的交換量成倍增加，空側密封油中攜帶的空氣、水分等通過交換進入氫側密封油中，再通過氫側密封油與氫氣的接觸進入到發電機氫氣中污染氫氣，降低氫氣純度。密封油量的增大將會造成靜壓回油管路不暢，發電機氫側回油腔室（消泡箱）油位升高到超過軸頸最低位置時，將造成發電機進油。3.2現300MW密封油系統的空氫側密封油均采用刮片式濾網，但實際上這種刮片式濾網只能起算作粗濾網，不能有效過濾掉密封油中的微小顆粒。正是由于密封油流中的微小顆粒與密封瓦及軸頸的相對流動產生的研磨，加劇了密封瓦與軸頸的磨損，導致了運行密封瓦間隙的增大。據悉國外已淘汰刮片式濾網，國內有電廠以過濾精度0.01mm或以下的纖維濾網替代刮片式濾網的運行實例。（有待考證）4、密封油溫度因素4.1密封油溫度對氫氣純度的影響主要表現在密封油溫度的改變使密封瓦與軸之間的間隙改變，從而使油的串流量改變。油溫改變對間隙的影響關系式如下：c1sealdt（2）c2rotor dt cc1c2 其中c間隙改變量 seal密封瓦線形膨脹系數 rotor軸線形膨脹系數 d軸徑 t溫度改變量 同時油溫的改變使得油的動力粘度改變，油的流動特性改變使油的串流量改變。4.3發電機密封油溫度高密封油的粘度隨油溫的升高而降低，在同樣的流通面積內，要維持一定的密封油壓力，當密封油溫度高時，就需要較大流量的密封油。同樣密封油溫度的升高，將導致密封瓦間隙增大，這同樣需要增大密封油流量才能維持一定的密封油壓力。發電機制造廠一般規定氫冷發電機空、氫側密封油溫度正常值在27-50之間。在密封油冷卻水量充足的情況下，為了減小空氫側密封油交換量，可盡量控制密封油溫保持低限運行，原則是發電機軸承振動不受影響。對于300MW汽輪發電機集裝式密封油系統，其空、氫側密封油系統的冷油器的出口油溫有一個調節門控制，一般維持在42左右。油溫在42時的粘度比27時小，要維持一定的密封油壓，則需要較大的密封油流量。同樣，由于密封油溫的升高，密封瓦的內徑將增大，這樣要保證發電機內氫氣不外泄，同樣需要增大密封油流量來維持一定的壓力。因此密封油溫度過高將導致密封油流量增大，按照上邊的分析，同樣會引起發電機內氫氣純度下降。5、排煙風機因素5.1煙風機出力小以及氫冷器泄漏對氫氣純度的影響從300MW汽輪發電機密封油系統看，空側密封油泵油源取自氫油分離器，氫油分離器的排煙風機主要作用是抽出空側油中的微量氫氣，以免氫氣隨潤滑油回到主油箱。增大氫油分離器排煙風機的出力，使氫油分離器形成大的負壓，使空側油中的空氣會同氫氣一起被抽出，這樣，將減少空側密封油中空氣含量，按照上邊的分析（發電機氫氣污染主要是空側密封油攜帶的空氣等通過與氫側密封油交換進入氫側密封油，再通過氫側密封油與氫氣交換污染氫氣），將會避免氫氣純度下降過快。5.2氫冷器的泄漏或滲漏主要造成氫氣濕度的惡化，但由于物理交換的不可避免性，水中的空氣會析出，氫氣純度勢必下降。6、氫側供油管路節流對氫氣純度的影響氫側密封油供油管路的意外節流造成氫側油供油不足，密封瓦氫側油腔內油壓無法正常建立，使得中間密封環空、氫側密封油壓無法達到平衡，從而使空側密封油向氫側密封油中串流。但不同的節流點表現出來的現象是不同的，由于空、氫側密封油微差壓管路取樣點是取在發電機端蓋處的，在取樣點前出現節流時，表現在調節氫側油母管壓力時空、氫側密封油微差壓計上反映遲鈍。當取樣點后有節流時，調節氫側密封油壓，則微差壓計上的動作幅度會很大。7、平衡閥信號管管路有節流時對氫氣純度的影響平衡閥時刻處于跟蹤空側密封油壓調節氫側密封油壓，使得空、氫側密封油壓基本一致，因此平衡閥信號管內一直有微量油流動。當管路中有節流時，會造成油壓信號傳遞失真，平衡閥調節滯后，影響調節品質，使空、氫側間的串流增加，氫氣純度下降。小修或臨停時不具備檢查軸瓦條件時，可采取如下臨時措施：在空側回油管至氫側油箱的管路上增加臨時濾油機，可以緩解氫氣污染的程度，但不能最終解決根本問題。附件：#3機空側密封油油壓波動分析一、 問題提出：2010年7月18日發電部提出異常：“3號發電機2號液位監測器（發電機出線）每次排污均有大量油，7月13日執行定期工作有兩紙杯油，7月17日執行定期工作有1紙杯油”。原因分析為1）密封瓦漏油。2）發電機勵端空側油壓波動（0.57-0.63）。我們隨即對密封瓦滲漏油及發電機空側密封油油壓波動的原因進行了分析。二、 原因分析 密封瓦滲漏油的原因有：1）密封瓦間隙過大，氫側密封油沿著大軸進入發電機；2）空側密封油油壓波動劇烈，在調整油氫壓差過程中有部分油進入發電機；3）其他原因。 發電機空側密封油油壓波動的原因有：1）空側密封油泵出口壓力波動；2）差壓閥調節性能不好；3）差壓閥氫壓或油壓信號管有輕微堵塞或信號管內存有空氣；4）由于其他原因導致差壓閥氫壓或油壓信號管壓力真實波動。1、 我們首先調閱了異常出現當天空側密封油壓的SIS曲線。（見下圖）由圖得知：發電機空側密封油壓確實有波動，而且是有規律性的波動。（一天內空側密封油油壓升高2次，隨后油壓開始緩慢下降，油壓升高時間分別為7月17日10:20左右與7月18日0:00左右。通過下面的補排氫時間數據，我們發現發電部在7月17日10:27補氫29立方米，7月17日23:59補氫11立方米，補氫時間與空側油壓升高時間正好吻合。）2、 隨后我們調閱了發電機空側油壓、發電機膛內氫壓及油氫差壓的SIS數據曲線進行分析。(如下圖。時間：7月1日至現在)由圖得知：發現空側油壓隨發電機膛內氫壓有規律的波動。當發電機膛內氫壓升高時，差壓閥調整空側油壓隨之升高，以保持油氫差壓；當膛內氫壓降低時，差壓閥調整空側油壓隨之降低，以保持油氫壓差。許昌龍崗發電