浅谈AP1000核电密封油系统对氢气纯度的影响分析

张斌

摘 要：AP1000核电发电机组采用双流环式密封油系统，在运行过程中普遍存在氢气纯度下降快，补氢量大和氢气纯度参数只能维持在较低状态下的问题，影响机组的安全性和经济性。本文从设备结构以及系统设计方面进行深入分析，论述密封油系统与氢气纯度的关系，找出导致氢气纯度下降的根本原因，并提出可行的改善措施，对分析处理同类核电机组可能出现的类似问题具有一定的借鉴意义。

关键词：核电 双流环 密封瓦 氢气纯度

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

引言：AP1000核电依托项目汽轮发电机组由哈动--三菱联合体供货，发电机为半速转机，转速为1500RPM。发电机冷却方式为水氢氢冷却，氢气冷却可有效降低发电机绕组热损耗从而提高发电效率，但氢气纯度过低会影响发电机组的安全性和经济性。发电机采用双流环式密封油系统，可以防止氢气从发电机轴端泄露，阻止外部空气进入发电机内，从而保持发电机线圈干燥，维持氢气的高纯度。

1 密封油系统及设备简介

1. 密封氢气原理：

双流环式密封油系统通过轴颈与环式密封瓦氢气侧与空气侧之间的油流阻止氢气外逸。双流即密封瓦的氢气侧与空气侧各有独立的油回路，当两路密封油经过密封支座上各自的油道，进入双流密封瓦中各自的油槽时，平衡阀控制氢侧进油系统使氢侧油压与空侧油压维持均衡，各自从轴颈表面分别流向氢侧和空侧，达到密封氢气的作用。

2. 密封油系统简介：

（1）空侧密封油油路：空侧回油密封箱接受发电机轴承回油和从轴封来的空侧密封油回油。它配备有两个排油管，一个向空侧密封油泵吸入口供油，另一个将一些密封油和轴承油排向汽机润滑油主油箱。空侧密封油压力由空侧密封油泵出口母管上的压差调节阀维持比氢气压力高85KPa。（2）氢侧密封油油路：氢侧密封油泵从氢侧回油调节箱吸油，密封油依次经过冷油器、过滤器、压力平衡阀，流入密封瓦的氢侧密封内槽，然后向发电机内侧流动，排向位于密封瓦下面的消泡箱，在消泡箱密封油吸收的部分氢气会释放出来，密封油从消泡箱流出后回到氢侧回油调节箱。（3）密封油真空处理单元：密封油真空处理单元接收空侧密封油子系统的密封油，将油中的气体和水分离出来，再向氢侧回油调节箱供应经真空处理的油。即使真空处理单元发生故障，发电机也可以依靠密封油系统保持连续运行。

2 氢气纯度低的影响

采用双流环式密封油系统的发电机在运行过程中普遍存在氢气纯度下降快，补氢量大和氢气纯度参数只能维持在较低状态下的问题。氢气纯度过低会对发电机组造成下列影响：

1.如果氢气纯度下降至4%--74%，可能引起氢气爆炸；2.有害气体会造成绝缘老化、铁芯及金属部件的腐蚀；3.氢气纯度下降会导致冷却效率降低，造成发电机内构件的局部过热；4.氢气纯度下降，气体密度增大，会增加发电机的通风损耗，降低发电机的运行效率；5.为提高氢气纯度，需要进行排氢——补氢操作，增加工作量和耗氢量，影响发电机组的运行经济性和安全性。

3 氢气纯度下降的原因分析

3.1 影响发电机氢气纯度下降的根本原因：

正常运行氢压为0.53-0.585MPA（表压），外界空气无法进入发电机，使氢气纯度降低的根本原因是氢侧油与空侧油的交换，将油中溶解的空气带入发电机内造成的，其交换点在密封瓦和氢侧密封油箱两处。交换过程如下：当空侧密封油压力高于氢侧密封油压力时，空侧密封油在密封瓦处向氢侧窜油，空侧密封油中含有的空气和水份等进人发电机消泡箱内，空气在消泡箱内扩容后逸入发电机内从而降低氢气纯度。由于空侧油窜向氢侧，氢侧回油箱油位升高使排油阀打开，将多余的氢侧油排向空侧密封油泵入口。当氢侧密封油压力高于空侧密封油压力时，氢侧密封油在密封瓦处窜向空侧，导致氢侧密封油箱油位下降，补油阀自动打开，含有空气和水份的空侧密封油通过补油阀进人氢侧密封油箱，经油泵进人密封瓦后，空气在消泡箱内扩容进入发电机。由此可见，不管是空侧压力高于氢侧压力，还是氢侧压力高于空侧压力，都将导致空氢侧之间窜油，使含有空气和水份的空侧密封油窜入氢侧，长期运行必将导致氢气纯度恶化。

3.2 空侧与氢侧窜油的原因

根据双流环密封瓦设计原理，只有维持密封瓦内空侧密封油与氢侧密封油压力平衡，减少空、氢侧密封油交换，才能防止空侧油系统中夹带的空气等进入氢侧密封油系统。运行过程中由于受平衡阀调节精度、设备结构、运行状态参数变化等因素的影响很难控制空侧密封油和氢侧密封油压力的平衡，不可避免的使空侧油与氢侧油之间相互窜油。造成空氢侧密封油压力不平衡主要原因有：

（1）平衡阀调节精度。由于平衡阀活塞和油缸之间间隙很小，稍有杂质就可能造成活塞的运动阻力增大，甚至卡死，致使平衡阀调节精度变差，不能有效维持空、氢侧密封油压力的平衡，造成窜油量增大，从而使发电机氢气纯度下降。（2）平衡阀的空、氢侧密封油压力信号测点存在误差。由于设备结构的原因，目前只能测量密封瓦上空、氢侧密封油进油处的压力作为平衡阀的调节信号，而不是密封瓦与转轴之间的实际压力，因此必然造成测量误差，使平衡阀不能有效维持空、氢侧密封油压力的平衡，从而引起空、氢侧窜油量的增大而降低发电机纯度。由以上原因可以看出，空氢侧存在窜油是不可避免的。由于受平衡阀调节精度、设备结构、运行状态参数的变化等因素的影响，使空氢侧窜油量的多少不容易控制，就会出现运行调整后情况较好，一段时间后又变差的情况，使发电机的氢气纯度不能维持在较高的纯度下运行，降低发电机运行的效率和安全性。

4 防止措施

经以上分析可知密封油的空氢侧窜油是不可避免，为防止氢侧密封油品质恶化，可采取下列措施：

1.保障密封油真空处理单元正常运行

正常运行时，维持轴封密封环处的氢侧密封油压力比空侧密封油压力略高，并维持二者压差恒定，使得少量的氢侧密封油向外流向空侧密封油子系统。这将导致氢侧回油调节箱的油位下降，部分经过真空处理单元处理过的空侧密封油通过供油泵供入氢侧回油调节箱，补偿氢侧减少的油量。与未经处理的空侧密封油相比，经真空处理的空侧密封油不含任何空气和水分，可以维持氢气纯度高于98%。

2.采用高精度密封油濾网，确保油质符合要求

由于密封油中的微小颗粒与密封瓦及轴颈的相对流动产生研磨，加剧密封瓦与轴颈的磨损，导致运行密封瓦间隙增大。密封油流中的微小颗粒还会造成平衡阀卡涩，油压自动控制失灵。建议采用过滤精度更高的滤网或采用过滤效果比刮片式滤网更好的纤维式滤网。

3.适当降低密封油温度

（1）密封油温度下降会冷却密封瓦，使发电机轴与密封瓦之间的间隙变小，减少密封油流量，从而降低密封油携带空气的总量。（2）密封油温度下降会增大油的粘性，减少密封油流量，降低密封油携带空气总量。（3）在不影响机组振动的情况下，保持较低的密封油温度，能够降低氢气纯度下降的速度，减少经常补排氢产生的耗氢量。

5结语

发电机氢气纯度下降较快是双流环密封油系统共有的问题，在运行时如果出现氢气纯度下降问题，除了对密封油系统的运行参数进行调整外，更应该有效保障密封油真空处理单元的正常运行，可以最大限度地减少有害气体对氢气纯度的影响，长期维持发电机组的正常运行。

参考文献

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