300MW汽轮发电机组氢气纯度下降原因分析与治理

摘 要：300MW氢冷发电机组采用的是双流环密封油系统，目前机组普遍存在运行氢气纯度下降快，氢气纯度、湿度参数只能维持在较低的状态下运行的问题，为了保证发电机的氢气纯度和湿度能在合格范围内运行，目前现场只能采用频繁排氢—补氢的方式，来满足现场的生产需要，这不但浪费了大量的氢气，而且也影响着机组的安全性和经济性，本文着重对氢气纯度下降原因进行分析研究，提出处理措施。

关键词：氢气 纯度 分析 处理

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0226-01

张家口发电厂汽轮发电机为东方电机股份有限公司制造的QFSN-300-2-20型采用静止励磁系统水-氢-氢冷发电机。采用的是双流环密封油系统，按照双流环密封油设计原理来讲，只有维持密封瓦内空侧密封油与氢侧密封油压力基本相等，减少空、氢侧密封油的交换，才能防止空侧油系统中夹带的空气、水分等进入发电机内，但实际运行中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影响很难控制空侧密封油和氢侧密封油压力的平衡，且经常会偏离平衡状态一较大值，这样就造成了发电机内运行氢气纯度下降快，提高氢气纯用氢量大和运行氢气纯度参数只能维持在较低状态下运行问题的出现。

由于氢冷汽轮发电机的转子轴伸必须穿出发电机的端盖，因此，这部分成了氢内冷发电机密封的关键。密封油分空侧和氢侧二个油路将油供应给轴密封瓦上的二个环状配油槽，油沿转轴轴向穿过密封瓦内径与转轴之间的间隙流出。如果这二个油路中的供油油压在密封瓦处恰好相等，油就不会在二条配油槽之间的间隙中窜流，但实际情况是两路油总会存在一定的压差，存在窜油现象。通常只要密封油压始终保持高于机内气体压力，便可防止氢气从发电机内逸出。氢侧油路供给的油则将沿轴和密封瓦之间的间隙，流向氢侧并流入消泡箱。而空侧油路供给的油则将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回油密封箱，从而防止了空气与潮汽侵入发电机内部 。

一、氢气纯度下降原因

发电机运行氢气纯度低，湿度不合格的主要原因是空、氢侧油相互窜油，使空侧油中含有的空气、水分被带入氢侧油进而进入发电机内污染了内部的氢气。由于现在双流环密封油系统的空、氢侧两路油，在实际工作时不会达到理想中的完全平衡，所以发电机双流环密封油系统的空、氢侧油相互窜油是不可避免的，空侧油中的空气、水分进入到发电机内，影响机内的氢气纯度和湿度是必然的；因此，需要对现在的双流环密封油系统进行优化，加装发电机氢气节能装置，来解决发电机运行的氢气纯度低，用氢量大的问题。

二、发电机组氢气纯度下降快的问题，带来的不良影响表现

1.机组运行时只能大量排氢、补氢来提高发电机内的氢气纯度，浪费大量氢气，增加了工作人员的劳动强度。

2.氢气纯度低，增加了发电机的风摩损耗，降低了发电机的效率

3.大修时通过更换密封瓦和平衡阀来解决问题，增加了检修成本。

4.纯度不合格，会造成氢爆，影响人身和设备安全。

三、提高发电机氢气纯度的必要性

1.氢冷汽轮发电机组机内进入大量非氢性气体（如：油烟、空气和水雾等），使氢气纯度迅速降低，将直接影响氢气冷却效果，以及对发电机组安全性和经济性。

2.首先，油烟和水雾在线棒端部绝缘表面或端部绑扎结构表面构成击穿放电通道，潮湿的油烟使绝缘间隙中的氢气介质性能变差，为定子线棒端部绝缘击穿事故提供了外部条件。

3.其次，在发电机内风扇负压的作用下，源源不断地使油烟、空气和水雾进入发电机内，导致机内氢气纯度迅速下降，气体密度增大；

4.氢气纯度下降会影响机组的安全运行，如果氢气纯度下降至爆炸范围内（4%——74%），在一定的条件下可能会引起发电机内的氢气爆炸；同时为了提高发电机氢气纯度，不得不排氢——补氢，增加了提纯用氢量，影响了发电机组的运行经济性。

5.气体密度的增大，增加了发电机的通风损耗（发电机内运行氢气纯度每降低1%，发电机通风损耗将增加约11%），降低了发电机的运行效率，，给发电厂造成了较大的经济损失。经计算，每年300MW机组按250天运行计算，因氢气纯度下降造成的经济损失就有20万左右。

6.氢气纯度下降严重影响着发电机组的安全性并带来不必要的经济损失（风摩损耗），因此有必要对氢气纯度下降快和用氢量大的问题进行治理解决。通过对密封油系统优化，加装发電机氢气节能装置，解决运行氢气纯度低下降快的问题，同时解决氢气湿度不合格的问题，提高发电机组运行的经济性和安全性。

四、治理发电机氢气纯度措施论证

1.频繁采用排氢—补氢的运行方式来提高发电机运行氢气的纯度，这种方法虽然能维持发电机氢气纯度在96%状态下运行，但浪费了大量氢气，且氢气纯度较低，增加了发电机通风损耗，造成不必要的浪费；（发电机厂家出厂要求为98%，发电机内运行氢气纯度每降低1%，发电机通风损耗将增加约11%）。

2.机组大修时通过更换密封瓦和平衡阀来解决问题，当密封瓦间隙超标和平衡阀跟踪不灵敏时，空氢侧窜油量增大，氢气纯度下降快，在机组检修时可以采取更换密封瓦、平衡阀的办法，来解决氢气纯度下降快的问题，但这种方法只能暂时缓解氢气纯度的下降；在机组开机运行一段时间后，密封瓦间隙增大，平衡阀调节精度变差，氢气纯度下降快的问题又会表现出来；更换密封瓦、平衡阀的费用，需要30万左右，增加了检修费用。

3.增设发电机氢气节能装置，进行密封油系统优化

3.1改造方案描述：在氢侧回油箱补油管路上并接密封油提纯装置，提前对补入氢侧回油箱内的空侧油进行净化处理，将空侧油中含有的有害气（汽）体提前脱出，阻止有害气（汽）体进入发电机内而影响机内的氢气纯度。通过以上改进可有效隔绝影响氢气纯度降低的污染源，而使发电机内氢气纯度维持在98%状态下长期运行。如下图所示

（提纯装置布置简图）

3.2改造后预期达到的效果，在发电机额定氢压运行时，每天用氢量标准为优的前提下（JB-T6227-2005 300MW---8.5m?/d），加装提纯装置系统优化后，只需要维持额定氢压而少量的补氢，不需因纯度问题而进行排氢补氢工作，用氢量控制在优秀标准范围内的情况下，氢气纯度可控制在98%以上长期运行。

3.3系统优化的优点

3.3.1降低了对平衡阀调节精度的要求，不必要求平衡阀的调节差压值在±5cm水柱（±490Pa）的范围内，只要氢侧油压稍高于空侧油压即可。

3.3.2降低了对密封瓦间隙的要求，即使密封瓦磨损使径向间隙（0.23-0.28mm）超标，窜油量增大，也可维持发电机氢气纯度和湿度在合格范围内长期运行。

3.3.3提高了发电机效率，降低了发电机风摩损耗。

3.3.4提高氢气纯度方案比较：如下表

（提高氢气纯度方案优缺点对比表）

五、经济效益分析

氢气纯度低造成的经济损失有：

1.风摩损耗：氢气运行纯度影响着发电机的效率，发电机内运行氢气纯度每降低1%，发电机通风损耗将增加约11%；如果氢气纯度常年96%运行，则与发电机出厂时的额定纯度98%相比较，差了2%，这就造成了发电机风摩损耗的增加，在不知不觉中却额外损失了不少电功率。

2.增设提纯装置后，机内氢气纯度由96%提高到98%所获得的实际经济效益可如下计算：

2.1 计算公式

已知：

由《大型气轮发电机设计、制造與运行》知，发电机内运行氢气纯度每降低1%，发电机通风损耗将增加约11%；

300MW发电机组的通风损耗设计值是205KW；

机组每年实际运行天数250天；

提纯装置功耗4KW（实际运行功率）；

每度电费按0.5元计算；

则氢气纯度提高2%（96%升至98%）每年所获得的经济价值是 ：

经济价值= （2×0.11×205-4） × 24 × 250× 0.5=123300（元）

其中：（2×0.11×205-4）—为去除提纯装置自身的实际功耗4KW后，氢气运行纯度提高2%，发电机通风损耗的节约电量（KW.H）

2.2 节约用氢量

增设提纯装置后，可大量节约因纯度不合格所需的排补用氢量。可节约排补用氢量15m?/d，每立方氢气价值18元，一年机组运行250天计算，则可节约用氢的价值为67500元。

因此，每年因氢气纯度低造成的经济损失为123300+67500=190800元。

结论

由上述可知加装发电机密封油提纯装置后，氢气纯度可在较高的状态下长期运行，每年节约资金 190800 元；降低了发电机排补氢的用氢量、发电机的风摩损耗和机组运行人员排补氢的工作量，提高了机组运行的安全性和经济性。

参考文献

[1]《大型气轮发电机设计、制造与运行》

[2]《东方汽轮机厂培训教材》

[3]《山东聊城腾达电力设备有限公司加装提纯装置技术方案》

作者简介：张永斌：男，（1969—），汽轮机调速系统高级技师、工程师，张家口发电厂设备部汽机专业高级点检员。