密封油含气量对氢冷发电机氢气纯度影响研究

王笑微，刘永洛，尹文波，王 腾，吕秀娟，王 娟，常治军

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

发电机是电网电能的主要生产者，其安全运行是电网源源不断向外输送电能的保证。目前，发电机的单机容量越来越大，依靠增大发电机体积以增加铜线绕组和铁芯容量来提高发电机单机容量的手段受到空间、运输、加工、安装等条件限制。因此，现有技术多通过增加铜线绕组的电流密度来实现。然而，绕组的电流密度越大，其产生的热量也就越多，如不及时把这些热量排走，将会使发电机绝缘材料因超温而老化甚至损毁。所以，提高发电机的冷却效率就成为发展大型发电机组的关键技术。

选择良好的冷却介质对于提高发电机的冷却效率至关重要。在诸多冷却介质中，氢气的密度最小（约为0.089 kg/m3，标准状态下），仅为空气密度的1/14，且传热特性好，通风及摩擦损耗小，噪音小，因此是发电机理想的冷却介质。用氢气对发电机进行冷却时，其通风损耗可降至空气冷却时通风损耗的6.46%，有利于减少温升、提高发电效率[1]。

在氢冷发电机中，氢气品质直接影响发电机的安全经济运行。氢气湿度超标，不仅会危害发电机定子及转子绕组的绝缘强度，而且会使转子护环产生应力腐蚀裂纹[2]。因此《氢冷发电机氢气湿度技术要求》（DL/T 651—2017）[3]对氢气湿度做出了明确要求。为确保氢气湿度在允许范围内，有标准还对与发电机氢气接触的运行密封油的水分含量做出规定[4]。此外，为保障发电机安全运行并提高发电效率，在保证氢冷发电机氢气湿度的同时，还要求氢气具有高的纯度。《汽轮发电机运行导则》（DL/T 1164—2012）[5]规定，当发电机内氢气纯度低于96%时，应进行排污，同时补充新鲜氢气，使发动机内氢气纯度或湿度达到正常运行值。从安全角度考虑，当氢气中混入其他气体如氧气或空气，如果遇明火，则可能引发爆炸[6]；从经济角度考虑，当氢气纯度下降时，不但会降低发电机的冷却效率，还会使发电机的通风摩擦损耗上升，增加发电机能耗，降低发电效率。本文通过模拟发电机内氢气和密封油间的气体扩散试验，得到保持发电机氢气纯度在96%以上时密封油的含气量水平。

1 密封油含气体积分数对氢气纯度影响试验

1.1 氢气纯度的影响因素

采用氢气冷却的发电机，为防止运行中氢气沿转子轴向外泄漏，引起火灾或爆炸，机组配置了密封油系统，向发电机转子的转轴与端盖交接处的密封瓦循环供应高于氢压的密封油，用于密封发电机内氢气，同时还起到润滑及冷却作用[7]。因此，在密封瓦处和氢气接触的密封油的运动黏度、水分含量、泡沫特性、空气释放性能等会直接影响机内氢气纯度。此外，密封油中的气体组分是影响发电机氢气纯度的关键因素[8]。表1及表2为某氢冷发电机氢气气样和密封油油样中溶解气体组分检测情况。发电机内气样及密封油油样中的气体组分及含量依照《绝缘油中含气量的气相色谱测定法》（DL/T 703—2015）[9]检测。由表1和表2中数据可知：发电机气样中，除氢气外，还含有其他气体如空气（O2、N2）、少量的CO和CO2以及极少量的油分解气体（烃类气体，如CH4、C2H4、C2H6等）；密封油油样中溶解气体主要是大量的空气（O2、N2）、少量的CO和CO2以及极少量的油的分解气体（烃类气体，如CH4、C2H4、C2H6等），并含有一定量的H2。根据Le Chatelier’s平衡移动原理[8]分析表1、表2数据发现：发电机内的氢气与密封油中的气体发生了置换，发电机内氢气向密封油中扩散，反之，密封油中气体也向氢气中扩散。因此，密封油中溶解的大量空气等组分是致使发电机氢气纯度下降的污染源。

表1 某500 MW氢冷发电机氢气与密封油中气体组分单位：μL/LTab.1 The gas composition in hydrogen and sealing oil in a 500 MW hydrogen-cooled generator

表2 某330 MW氢冷发电机氢气与密封油中气体组分单位：μL/LTab.2 The gas composition in hydrogen and sealing oil in a 330 MW hydrogen-cooled generator

1.2 密封油含气体积分数对氢气纯度影响的模拟试验

密封油的含气量是影响氢气纯度的主要因素，试验研究了密封油含气量对氢气纯度的影响程度。具体试验步骤如下。

1）首先，制备不同含气量的密封油样品。密封油在101.325 kPa下，温度为25 ℃时气体的溶解度约为10%，饱和氢气体积分数为7%[10]，故先在25 ℃下制备饱和含气量的密封油样品，再通过真空脱气、依次制备不同梯度含气体积分数的密封油样品。本试验参考DL/T 703—2015进行密封油含气量的测试，根据《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》（GB/T 17623-2017）[11]检测50 ℃时32号及46号密封油（涡轮机油）的气体分配系数（Ki值）[12]，然后计算密封油（涡轮机油）中溶解气体各组分的体积分数，最终计算含气量。

2）其次，在密封油不同含体积分数量下，对不同体积比的氢气和密封油在恒温下进行机械振荡脱气，使气-液两相中的气体分配达到平衡，测试平衡后气相中各组分的体积分数，并计算氢气在所有气体中的占比，该比例可视为氢气的纯度。因氢冷发电机密封油的运行温度约50 ℃，故仍将50 ℃作为恒温振荡脱气与平衡的试验温度。同时，结合发电机运行时密封瓦处正常油流量、运行氢压和氢气体积，使用100 mL注射器，在振荡脱气和平衡过程中，按照氢气和密封油最大体积比为9:1、最小体积比为5:5开展试验。

2 试验结果及修正

2.1 试验结果及分析

试验得到氢气纯度与32号、46号密封油含气量关系，见表3及表4。对表3及表4中数据作图，得到不同密封油含气体积分数、氢气与密封油体积比、平衡气中氢气纯度3个物理量之间的关系，结果如图1所示。

表3 氢气纯度与32号密封油含气体积分数关系 单位：%Tab.3 The relationship between hydrogen purity and dissolved gas volume fraction in L-TSA 32 sealing oil

表4 氢气纯度与46号密封油含气体积分数关系 单位：%Tab.4 The relationship between hydrogen purity and dissolved gas volume fraction in L-TSA 46 sealing oil

图1 不同密封油含气体积分数、氢气与密封油体积比下平衡气中氢气纯度Fig.1 The hydrogen purities in equilibrium gas with different sealing oil volume fractions and volume ratios

由图1可知：1）在相同密封油含气体积分数下，平衡气中氢气纯度随氢气与密封油体积比的降低而降低；2）在相同氢气与密封油体积比下，平衡气中氢气纯度随密封油含气体积分数的降低而升高；3）当密封油的含气体积分数在饱和状态（如32号密封油为11.80%或46号密封油为14.87%）时，只有在平衡前氢气体积远大于密封油体积（如氢气与密封油体积比为9:1或8:2）的情况下，平衡气中氢气纯度才满足≥96%的要求；4）当密封油的含气体积分数降至3%～4%时，无论平衡前氢气与密封油以何种体积比进行振荡脱气及平衡，平衡气中氢气纯度始终满足≥96%的要求。

对平衡气中氢气纯度进行拟合，拟合曲线如图2所示。

图2 平衡气中氢气纯度拟合曲线Fig.2 The fitting curves of hydrogen purity at equilibrium gas

根据拟合曲线及表3、表4中数据，计算氢气与密封油体积比为5:5的极端情况下，且平衡气中氢气纯度满足≥96%要求时，对应的密封油含气体积分数，得到：32号密封油y=-1.055 9x+99.991 2，当y=96时，x=3.78，密封油的含气体积分数应为3.78%；46号密封油y=-0.797 6x+99.518 8，当y=96时，x=4.41，密封油的含气体积分数应为4.41%。

2.2 密封油含气体积分数修正

根据以上拟合及计算可以看出，当密封油含气体积分数降至3.5%～4.5%水平时，可使氢气纯度始终满足≥96%的要求。然而，此处还应考虑平衡气中水汽的影响。前文提到，密封油中的水分在汽化、蒸发后会影响氢气湿度，同时这些水汽也一定程度上会影响氢气的纯度。而通过气相色谱法检测样品时，一般情况下无法检测气样中的水汽含量，因此，有必要考虑密封油中的水分汽化蒸发后、水汽在氢气中的占比及影响并做出修正。

《氢冷发电机氢气湿度技术要求》（DL/T 651—2017）规定[3]，发电机内最低温度为5 ℃时，其运行时机内氢气允许湿度的高限（露点温度td）为-5 ℃；发电机内最低温度≥10 ℃时，允许的氢气湿度高限（露点温度td）为0 ℃。根据气体露点与水汽含量换算表[4]可知，最高氢气湿度对应的气体中最大水汽体积分数为6 203 μL/L，即0.06%。从96%的氢气纯度低限中扣除极端状态下最大水汽含量的影响，根据拟合公式重新计算平衡气中氢气纯度满足≥96%要求时对应的密封油含气体积分数，得到：32号密封油y=-1.055 9x+99.991 2，当y=96.6时，x=3.39，密封油的含气体积分数应为3.39%；46号密封油y=-0.797 6x+99.518 8，当y=96.6时，x=3.66，密封油的含气体积分数应为3.66%。因此修正后密封油含气体积分数应控制在4%以内水平，发电机内氢气纯度可满足≥96%的要求。

3 标准修订建议

运行中密封油的质量一直执行《运行中氢冷发电机用密封油质量标准》（DL/T 705—1999）。发电机运行中，应使密封油在保证具有良好润滑和密封性能的同时，对氢气的湿度和纯度均不产生影响，而现行标准未限定密封油在影响氢气纯度方面的相关性能指标，因此一定程度上带来氢冷发电机氢气纯度下降、置换补氢频繁、安全隐患高等问题。调查显示[12]，按照300~1 000 MW发电机每日耗氢量应保持在7~12 m3/d[13]的要求，有37.9%的单流环油密封氢冷发电机和25.5%的双流环油密封氢冷发电机其日耗氢量偏大，超出设计要求。

因此，在DL/T 705—1999的基础上，应将密封油含气体积分数作为一项控制密封油质量以及氢冷发电机氢气纯度的关键指标，运行中加以监督，必要时可采取相应措施对密封油进行脱气处理，以降低油的含气体积分数，减少其与氢气接触时杂质气体扩散至发电机内氢气中产生的污染，保持氢气纯度的稳定。

4 结 论

1）发电机密封油系统的正常运行是保证氢冷发电机安全运行的重要环节，而密封油中溶解气体是影响发电机氢气纯度的主要因素。本文通过模拟试验及数据拟合，得到保持发电机氢气纯度在96%以上时密封油含气体积分数应控制在4%以内。

2）建议氢冷发电机在运行中，除调整密封油系统运行参数、置换补氢等常规手段以外，通过控制密封油的含气体积分数，从油质角度来保障运行中氢冷发电机氢气纯度的稳定。