300 MW氢冷机组氢气纯度下降的原因分析及处理

徐新果,李丰均,姚 坤

(1.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴 312073; 2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

大功率火电机组多用氢气冷却发电机。为防止氢气爆炸，同时，维持氢气系统内氢气纯度，故采用密封油将发电机氢气冷却系统与外部进行隔绝[1]。然而，整个密封油系统设备繁多，任何部件的小故障都可能间接或直接地影响氢气纯度[2]。因此，分析密封油系统各装置对氢气纯度的影响机理，对改善机组运行安全性至关重要。文献[3]通过更换密封瓦, 以减小其已损轴颈与密封瓦间的泄油截面在盘车时的变化程度, 改善油-氢差压波动情况。文献[4]指出未关闭启动排油阀导致氢侧密封油流入空侧，进而导致空侧对氢侧进行补油，降低了氢气纯度。文献[5]则指出密封油系统监测仪表不可靠同样会影响氢气纯度。文献[6]分析了密封油各项指标与氢气纯度的关系。

此外，部分学者在研究氢气纯度影响机理的同时，还提出了相应的优化措施[7]。文献[8]给出了在不停机条件下解决补油浮球阀故障问题的手段。文献[9]分析了影响双流双环式密封油系统氢气纯度的主要原因，包括平衡阀整定不准确、氢侧油箱浮球阀不动作、密封瓦间隙过大等等，并据此提出了针对性的整改措施。同时，有研究从机理上阐述了上述特征对氢气纯度的影响，进一步分析了密封油温度、氢侧供油管路和平衡阀信号管路节流以及排烟风机和氢冷器设备异常对氢气纯度的影响[10-11]。

综上所述，造成氢气纯度降低的原因很多，上述研究中也分别提出了相应的措施。然而，上述处理手段仅是针对某一种具体故障，缺乏一定的指导性。特别是在多数情况下，氢气纯度降低是由多个故障引起的，从众多可能性中找出原因仍然较为困难。因此，研究多故障源的氢气纯度下降问题具有重要意义。本文首先从造成氢气纯度下降的两个关键位置展开分析，详细论述了可能的故障原因并给出相应的检测方法。文中所提出检查及分析方法对指导解决其它机组同类故障具有一定的借鉴意义。

1 设备问题分析

1.1 设备概况

某电厂配备哈电集团的YKG-300-5YH型密封油控制系统，该系统采用双流环式密封瓦设计，相关设计参数如表1所示。为保障密封油压力稳定性，系统中设置有平衡阀、油氢差压阀、空氢侧差压表等装置。系统在运行中，可通过空、氢两侧密封油来实现对发电机内部氢气的密封，同时对内部密封装置具有润滑和冷却作用。

1.2 设备问题

机组在运行过程中出现发电机氢气纯度下降速率过快。如图1所示。可以看出，为保障合格的氢气纯度，每天都要进行1～2次补排操作，极大的增加运行维护的成本。

表1 轴密封供油系统设计参数

图1 故障状态下的氢气参数

从表1可以看出，在机组冲转到升负荷阶段，DCS测量到的偏摆数据和现场测量的偏摆数据均显示汽缸向右侧(即向锅炉侧)偏摆0.2 mm左右。

2 问题分析

氢气纯度下降最直接的原因是空氢侧密封油之间的窜流，空侧密封油中携带的气体置换到了氢气系统，导致了氢气纯度下降。密封油系统中可以体现，空氢侧密封油发生窜流的位置主要有发电机两端密封瓦(励磁端、汽机端)和氢侧密封油箱两处。然而，导致上述位置密封油互窜的原因很多，且不尽相同。如密封间隙过大、油氢压差不合理等等。

2.1 密封瓦处密封油互窜

密封瓦处密封油互窜的直接原因主要有空氢侧密封油压力不平衡或者存在波动的问题。而平衡阀和空氢侧差压表是维持密封油系统压力稳定的关键装置。

(1)平衡阀整定不合理

平衡阀是控制空氢侧密封油平衡的重要设备，密封油站分别在励磁端和汽机端装各装设一个平衡阀。平衡阀与密封油站空氢侧差压表共同作用实现对密封油系统的油压进行精细调整，其结构如图2所示。

图2 平衡阀结构原理图

在对平衡阀的检查过程中发现空氢侧差压表处于中间零标定区间外，可排除因平衡阀故障而造成氢气纯度下降的情况。

(2)空氢侧差压表旁路阀状态错误

在对油氢系统进行整体管路排查过程中，发现空氢侧差压表下方安装有3个截止阀，其中两个阀门控制的介质分别是来自空、氢侧密封油压力的进油，第三个阀门为空氢侧密封油管道的旁路阀，其状态均处于打开位置。差压表两端的压力测点所测润滑油压力和通入平衡阀上下腔室的密封油是并联关系，差压表的旁通阀和空氢侧差压表也是并联关系。然而，平衡阀是通过引入其上下腔室的空氢侧密封油压力来控制阀芯位置，从而实现对氢侧密封油油量以及压力的控制的。一旦差压表旁通阀打开会使平衡阀上下腔室处于联通状态，将导致平衡阀失去作用，使其无法实现自动平衡空氢侧密封油压力的功能。因此，需保持差压表旁通阀处于关闭状态。

(3)油氢差压阀压力波动问题

氢侧密封油压力由平衡阀控制，自动维持与空侧密封油压力相同的压力，而油氢差压阀则起到了稳定整个双流环密封瓦系统压力的作用，氢气压力与空侧密封油压力相互影响、相互作用。如果油氢差压阀差压产生波动，将破坏系统整体的稳定性。因此还需进一步检查密封油系统整体压力是否存在异常波动问题。

通过对密封油系统排查发现，相较于氢气纯度维持较好的其它同型号机组，该机组密封油系统就地压力表计读数波动较大。

为验证是否为油氢差压阀对系统稳定性所造成的影响，对油氢差压阀进行重新整定。现对旁路阀等措施先实施微开操作，使其开度下降；同时，调高油泵出口压力，使其开度上升等措施，最终更换新的油氢差压阀。然而，上述措施实施后，发现均不能使密封油系统压力保持稳定，由此排除了油氢差压阀造成系统压力波动的可能性。

2.2 氢侧密封油油箱故障

如前文所述，氢侧密封油箱也是产生空氢侧密封油窜流的关键位置之一。若出现空侧密封油大量进入氢侧密封油箱的情况，空侧密封油内的气体将会窜入氢气系统，导致氢气纯度降低。在常规情况下，氢侧密封油箱产生窜流多是由于油箱的补排油阀门关闭不严密导致的。

一般情况下，如果是因为空氢侧密封油压力不平衡导致的油箱补排油，只有补油管道或者排油管道处于工作状态。油箱补排油阀门不紧密故障的明显特征是：补排油管道因密封油流动而出现温热现象。在对油箱检查过程中发现其补排油管道均处于温热状态。基本可以判定是补排油浮球阀出现故障。但为使判断更为准确，应附加判断空氢侧密封油压力是否稳定，其现象可能隐藏在浮球阀故障现象中。

(1)补排油浮球阀故障分析

空、氢侧密封油在正常运行工况下是两个相对独立的系统，氢侧密封油密封箱油位保持稳定，补排油浮球阀均处于闭合状态。为排除补排油浮球阀故障，可以隔离补排油管道二次阀进行验证。验证结果如表2所示。

表2 补排油浮球阀故障排查表

表2中，通过改变补排油管道二次阀的状态，可得到补排油管道温度状态的变化规律。对比结果可知，当补排油管道均隔离时，油箱液位出现缓慢下降，证明系统确实存在空氢侧密封油窜流的问题，但窜流现象较轻微。当对排油管道进行隔离时，补油浮球阀将补充该部分油量，同时管道温度下降，说明补油量下降。当补油管道隔离，排油管道处于正常状态时，油箱液位快速下降至报警值以下，说明此时排油量远远超过了空氢侧密封油压力不平衡导致的液位变化。

从以上现象可以判定是排油浮球阀故障，从而导致氢侧油箱一直处于强制排油状态，补油阀为维持油箱液位，长期处于补油状态，将空侧密封油中的空气带入了氢侧密封油系统，最终导致了氢气纯度无法维持。

(2)浮球阀故障原因分析

油箱浮球阀是由浮球、连杆、支撑架、阀芯、顶针(旁路阀)等部件构成的，当油箱液位过高(过低)是，浮球浮起(下落)，通过连杆作用打开(关闭)阀芯，实现密封油补油(排油)。浮球的常见故障有浮球破损，连杆卡涩，连杆限位松脱等等，其结构如图3所示。

图3 油箱结构原理图

为明确浮球故障原因，对存在故障的浮球阀进行了解体分析，如图4所示。检查发现，该排油阀密封形式采用平面密封，密封材料为橡胶。在长期的运行过程中，该密封垫老化破损，导致强制排油管路处于常开状态，排油浮球阀失去作用，从而使排油管道产生漏油问题。

图4 排油浮球阀结构

(3)空氢侧压力不平衡

空氢侧密封油存在较为轻微窜流现象，主要原因是空氢侧密封油存在压差，虽然油压只相差5 mm水柱。但是仍然造成密封箱液位的缓慢下降。因此，空氢侧密封油压力不平衡也是导致氢气纯度无法维持的原因之一。

2.3 氢气纯度下降的原因总结

综上所述，该电厂氢气纯度无法维持有三个原因：

(1)空氢侧差压表旁通阀状态错误

该机组氢气纯度无法维持的主要原因是空氢侧差压表旁通阀状态错误，导致了氢侧密封油管路平衡阀失去应有的作用，进而使空氢侧密封油压力出现不均衡，在密封瓦处频繁产生气体置换，导致了氢气纯度下降。

(2)排油浮球阀强制排油管路密封圈

排油浮球阀强制排油管路密封圈老化破损导致强制排油管路常开也是造成该机组氢气纯度无法维持的重要原因，补油浮球阀为维持油箱液位长期处于补油位置，将空侧密封油中的空气带入氢侧密封油系统，从而降低了氢气纯度。

(3)其他原因

该机组密封油系统空氢侧密封油存在轻微偏差，导致了密封瓦处空氢侧密封油互窜，油箱液位下降，补油浮球阀小流量补油。

3 改进措施及效果

针对上述引发氢气纯度下降的多种原因，分别制定针对性的改进措施：

(1)关闭空氢侧差压表旁通阀；

(2)在机组调停检修过程中，对新更换的浮球阀进行了设计改型，采用顶针的方式，底部浮球阀顶入后，将连杆顶起，从而实现强制排油的目的；

(3)密封形式采用球面密封，密封材料为铜环，避免类似事件的发生。

实施效果：改进工作完成后，氢气纯度下降速率明显放缓，如图5所示，补排也从原有的每周一次延迟至每月一次。

图5 改进后正常运行状态下的氢气参数

4 结论

针对氢冷发电机氢气纯度下降问题展开研究，特别是多种故障共同作用引起的下降问题。本文从引起空氢侧润滑油互窜的两个关键位置出发，详细分析了造成润滑油互窜的可能原因并介绍了相应的试验方法，并给出了相应的处理措施：

(1)密封油系统投运后要仔细检查系统各处的阀门，尤其是空氢侧差压表旁通阀这样容易被忽略的阀门。密封油系统一般由机务检修人员维护，但是这类仪表阀门属于仪控检修人员维护，存在检修盲区，在系统投运后应引起重视；

(2)对于氢冷发电机组在运行中应及时检查密封油箱的液位变化以及补排油管道的温度；对于补排油管道温度异常的情况，及时排查原因;

(3)重新设计浮球阀对其改型，浮油箱使用铜制球形密封。