QFSN-600型氢冷发电机密封油系统存在问题分析及优化

赵国钦，郑桂波

（广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223）

0 引言

QFSN-600型氢冷发电机密封油系统的主要功能是对发电机膛内氢气进行有效密封，防止发电机氢气外漏和发电机进油，包括供油系统、回油系统、气压平衡系统、真空系统等多个子系统。密封油系统的工作可靠性与发电机密封瓦、密封油系统进回油系统的平衡能力密切相关。

1 密封油系统概述

密封油系统主要包括供油系统、回油系统、真空系统、气压平衡系统等，见图1。

供油系统为整个密封油系统提供动力油源，主要包括密封油泵、油氢差压装置等。密封油油源可以由汽轮机润滑油系统提供，或由自有封闭式供油系统提供。

回油系统由密封瓦回油腔室、回油扩大槽、浮子油箱、空气抽出槽等组成。密封瓦回油腔室、回油扩大槽、浮子油箱内液位面以上的气压均为发电机膛内氢气压力，三者之间存在高度差，回油依靠重力自流。空气抽出槽内液位面以上为微负压空气，浮子油箱至空气抽出槽的回油依靠压差回油。

发电机密封瓦工作后的密封油进入密封瓦回油腔室A内，并经腔室底部的6个回油孔通过与之相连的回油总管进入回油扩大槽的汽端和励端，见图2。回油腔室A的容积越大、回油孔孔径越大，其腔室内的油液液位面越低，回油越顺畅。

图2 密封瓦回油腔体结构

回油扩大槽被中间隔板分隔为汽端和励端回油腔室B1和B2，两者通过底部的U型油封管路联络，U型管路起到连通和隔离作用，见图3。

图3 密封油回油扩大槽结构

真空系统由真空油箱、真空油泵、再循环泵等组成。主要将进入密封瓦的润滑油进行消泡、除水，提高密封油的品质。

气压平衡系统由氢油压差装置、回油扩大槽、浮子油箱灯相连的气压平衡管路组成，使三者保持均衡压力，保证氢油压差调节阀的正常工作和回油系统的正常重力自流回油。

2 密封油系统存在的主要问题分析

2.1 密封瓦进油压力

发电机密封瓦进油压力不稳定的主要表征为：当密封瓦的进油压力出现高、低波动或氢油压差较大幅度的高、低波动时，发电机进油量出现较大波动，回油量突增时导致的发电机进油问题。

密封瓦进油的稳定性取决于密封油泵和氢油压差调节阀的可靠性。由于密封油泵的性能相对稳定且存在备用泵，其动力源相对稳定。密封瓦进油的稳定性主要取决于氢油压差调节阀的调节性能和抗干扰能力。

2.2 密封油回油系统

回油系统的不顺畅主要分为结构设计问题引起的回油不顺畅及出现干扰或异常时的回油不顺畅。

2.2.1 结构设计问题引起回油不畅

密封瓦座设计问题。QFSN-600型氢冷发电机密封瓦座底部的回油孔采用多个直孔回油并汇流至回油母管，该种回油孔结构在密封瓦回油量增加时，回油孔部位容易出现“气堵”现象。即由于密封油回油量突增时出现所有回油孔被封闭后，在回油孔边缘部位形成明显的气—液—固分界线，回油孔上部的油无法通过回油孔向下流动，而导致密封瓦座内回油量富集，腔室内的液位面升高直至出现发电机进油问题。

密封瓦结构问题。单流环4瓦块结构的密封瓦在发电机转轴出现不稳定跳动时，由于密封瓦块与转轴间油膜压力的存在，转轴跳动方向的密封瓦环会随着发生位移。此时转轴反方向的密封瓦块由于受到紧固弹簧的作用会跟随转轴跳动方向移动。密封瓦块的侧面在弹簧压紧作用下紧贴在密封瓦壳上，与密封瓦壳之间有较大的摩擦力，该密封瓦环的位移会发生滞后作用或出现瞬时的卡涩；此时该半周密封瓦块与转轴就会存在突然增加的半径间隙，该部位的密封油泄漏量急剧增加，见图4。当密封瓦块恢复至正常位置时，密封瓦的泄漏量才能恢复正常状态［1］。

图4 转轴跳动时密封瓦环的单边间隙分布

汽端和励端回油系统混合问题。QFSN-600型发电机汽端和励端回油扩大槽共用1个浮子油箱；回油扩大槽分为汽端和励端两部分且在底部的联络管道上设置U型管（见图3），主要是为了避免回油扩大槽因两端氢气连通而出现的油雾向较低压力一端移动。由于两者共用1个浮子油箱，在回油扩大槽出现某侧液面的气体压力较高时，会迫使另一侧液位面上升，当液位面淹没回油母管管口时，会出现该端密封油氢侧回油不畅的问题，发电机出现持续性少量进油。

密封瓦座回油腔室容积较小。发电机设计时为减少转子的长度，往往将密封瓦回油腔室的轴向距离设计的比较小，整个回油腔室的容积设计也相对较小。密封瓦工作时产生的油烟和油雾会弥漫在狭小的空间内，不能快速地凝结和凝聚，腔室内的浓度会升高；部分油烟和油雾会通过密封瓦的内挡油环向发电机定子内部扩散，并通过发电机转子端部风扇的“空吸”作用进入发电机内部凝结，产生的油污集聚在发电机通风风道的表面。

2.2.2 出现干扰或异常时的回油不畅

密封油系统出现的干扰或异常主要发生在供油压力不稳定、浮子油箱浮球阀卡涩、发电机两端气压差较大等问题。

供油压力不稳定。密封油供油系统出现供油压力不稳定主要是由氢油压差调节阀工作异常引起。氢油压差调节阀主要的异常现象有阀门后压力波动频繁、阀后压力无法控制等，发生该类问题的主要原因是调节阀受干扰时频繁动作或调节阀卡涩、调节性能较差等。

浮子油箱浮球阀卡涩或浮球破损。柱塞结构调节阀在工作时，由于动静之间的接触面积较大，很容易出现动静碰磨、卡涩或异物进入动静间隙内出现卡涩；而空心浮球破损后密封油会进入空心球内导致浮球不能正常浮动。

浮球阀卡涩时出现以下两种情况：浮子油箱至空气抽出槽流量小于浮子油箱进油量，浮子油箱内液位快速上升→回油扩大槽内液位上升→密封瓦回油腔室内液位升高→发电机进油；浮子油箱至空气抽出槽流量大于浮子油箱进油量，浮子油箱内液位快速降低→浮子油箱内氢气泄漏至空气抽出槽→发电机漏氢。由于浮子油箱内浮球阀通径较大（一般为50 mm），出现发电机漏氢时膛内压力会快速降低。

浮球阀浮球破损时，密封油进入浮球内，浮球悬浮高度降低→阀门开度减小→浮子油箱内回油量小于进油量→浮子油箱内油位持续升高→浮子油箱满油→发电机进油。

3 密封油系统的优化措施

3.1 供油系统优化

3.1.1 氢油压差调节阀引压管道加装节流孔

氢油压差调节阀为自力式调节阀，调节阀的执行机构动力源分别取自调节阀出口母管（油侧压力）和回油扩大槽底部（氢侧压力），A与B两个腔室充满密封油。当调节阀执行机构动力源出现波动或取压点压力变化时，调节阀对应腔室的容积会快速发生变化，容积的变化迫使弹性橡胶隔膜向压力较低一侧变形移动，带动阀杆向压力较低一侧移动，调节阀的阀位发生变化。该种状态的变化会持续至执行机构的取压点两侧出现新的平衡状态，见图5［2］。

图5 氢油压差调节阀执行机构

为减弱压力跳动或干扰对调节阀阀位的影响，在调节阀引压管道上加装节流孔，能够起到很好的油压振荡阻尼作用，引压管道的压力出现波动或瞬时跳动时，调节阀后的压力能够比较容易调整到一个平衡状态，确保供油压力的稳定［2］。

3.1.2 选择整圈固定的密封瓦环

为避免单流环4瓦块密封瓦工作时出现的径向间隙不稳定问题，可选择整圈固定的密封瓦环，该类型密封瓦环在结合面紧固后属于整圈一体化结构。在密封瓦自身结构参数如氢油压差、密封瓦长度、内径、运行偏心率等确定后，其实际泄漏量与密封瓦半径间隙成正比关系［3］。

式中：d为转轴直径，m；l为单个密封瓦的长度，m；δp为氢油压差，Pa；h为密封瓦与转轴的半径间隙，m；ε为相对偏心率；η为油的动力粘度，Pa·s。

当转轴跳动出现跳动时，4瓦块结构的密封瓦局部半径间隙h增大或卡涩后不能回位出现的h增大，密封瓦泄漏量Q会急剧增加。而采用整圈固定结构的密封瓦环，在转轴跳动时，密封瓦的半径间隙在任何工况下均不发生变化，其回油量就能维持稳定［4］。

3.2 回油系统的优化

3.2.1 密封瓦回油腔室优化

增加密封瓦氢侧回油腔室有效容积。在密封瓦出现回油量瞬时增加时，较大的回油腔室可以容纳较多的回油量，减少腔室内液位面升高而出现发电机进油的概率。

增大密封瓦回油腔室底部回油孔或将回油孔处理成不易出现“气堵”现象的结构形式，如带有坡口结构且圆弧过渡避免有棱角存在，以增加回油孔延伸面积及使回油孔上方不能形成稳定的气—液—固分界线，见图6。回油腔室底部回油孔的总面积应不小于回油母管截面积，且整个回流阶段不出现有局部节流的现象［1］。

图6 回油腔体回油口处理结构

回油扩大槽内回油管口设置为高低不规则形状。在氢侧回油量突增时，会导致回油扩大槽内的液位快速上升，甚至出现快速淹没回油管口的情况，见图3中高位回油管口。由于回油扩大槽与浮子油箱内气压相同，在液体表面张力的作用下，高位回油管管口位置会出现“气堵”现象，使回油扩大槽内密封油不能顺利向浮子油箱内流动，甚至其液位持续出现上升而淹没回油母管管口，使整个回油系统出现拥堵［5］。

为避免回油扩大槽内高位回油管管口出现的“气堵”问题，将高位回油管管口设置成高低不规则形状，见图7。在回油扩大槽内液位升高时，使密封油分段从高位回油管管口向下流动，避免突然封闭回油管口而发生“气堵”的情况［1］。

图7 回油扩大槽高位回油管管口结构

发电机汽端和励端回油扩大槽各设置1个浮子油箱（双浮子油箱），即汽端和励端形成独立的回油系统。

由于汽端和励端回油共用1个回油浮子油箱，且两端回油扩大槽底部U型管道相连。当汽端和励端气压出现不均衡时，气压较低的回油扩大槽内液位会升高；当其差值产生的油柱高度大于高位回油管口与回油母管之间的高度差时，气压较低的回油扩大槽内液位会淹没回油母管管口，使该端回油出现不顺畅，甚至出现持续性的发电机进油［6］。

为避免发电机汽端和励端气压偏差对回油系统的影响，将汽端和励端回油扩大槽各对应1个浮子油箱，隔离回油扩大槽底部联络管道，汽端和励端的回油不会出现相互影响。

浮子油箱内浮球阀设置为旋摆结构实心填充浮球阀。为提高浮球阀的可靠性，选型时需要注意以下两种情况：选择动静配合部位面积较小或转轴带有滚动轴承的型式，如旋摆结构浮球阀、旋转球阀结构浮球阀等；浮球阀的浮球选择球体内部填充泡沫的实心浮球，在浮球出现破损时能够保证其足够的浮力。

4 结语

QFSN-600型发电机密封油系统容易出现发电机进油和发电机漏氢问题，通过采取氢油压差调节阀引压管道上加装节流孔、发电机 密封瓦采用固定环结构、增加密封瓦回油腔体有效容积、回油系统各管口设置成不规则形状避免出现“气堵”、设置汽端和励端独立回油系统，以及浮子油箱浮球阀选用旋转结构调节、泡沫填充实心浮球形式等优化措施，可以有效提高发电机密封油系统工作可靠性。