发电机氢气纯度快速下降原因及解决措施

国能广投（柳州）发电有限责任公司 陆启毅

国能广投（柳州）发电有限责任公司2号汽轮机在运行中氢气纯度下降过快，平均7天左右就降低至96%，进行就地测量时结果一致，排除氢气纯度表计的影响。为保证氢气纯度需进行氢气补排，排换氢量增加，造成大量的补氢操作，影响机组安全运行。通过对氢气系统、密封油系统各个设备进行检查，确认了空、氢侧密封油存在互窜，这是发电机氢气纯度快速下降的主要原因。同时现场氢气系统、密封油系统及其相关附属设备较多，导致密封油互窜的原因较多。结合现场的实际情况进行相应的处置措施，氢气纯度的下降速度明显减缓，氢气系统恢复正常。

1 研究发电机氢气纯度重要性

作为电网能量的生产者，发电机的安全稳定运行极其重要。当前单个发电机的容量大，仅依靠增加铜线绕组和铁芯来提高发电机容量受到各种条件的限制，如运输、加工、安装等，一般通过增加铜线绕组的电流密度来提高发电机容量。但绕组的电流密度并不是越高越好，其参数越高将导致产生的热量越多，如无法保障铜线绕组及相关设备的温度，最终将导致发电机绕组等绝缘材料因超温加速老化直至损毁。

优良的冷却介质可大幅度提高发电机的冷却效率。氢气的密度最小（约为0.089kg/m3，标准状态下），传热性能强，通风、摩擦损耗小，成为发电机优良的冷却介质。氢气冷却发电机时，其通风损耗可降至空气冷却时的6.46%，大幅度减少发电机绕组的温升，提升发电效率及稳定性；氢气品质是决定氢冷发电机安全经济运行的重要因素。较高纯度的氢气可提高发电效率。国标中规定发电机内氢气纯度必须大于96%，否则进行氢气补排。

从安全角度考虑，若其他气体如氧气或空气混入氢气，如遇火花则可能引起闪爆或者爆炸；从经济角度考虑，若氢气纯度下降过快会导致氢气冷却效率降低，发电机的绕组等散热量减少，降低发电效率。

氢气纯度下降过快或者过低都会对发电机及其附属设备产生不可估量的影响：氢气中的混入的其他气体长时间的存在，会使发电机内部铁芯以及附属部件受到腐蚀，加快电机绕组及其附属设备的绝缘老化；氢气系统内含有其气体则会使冷却效果降低，可能使发电机内绕组或者铁芯等产生的热量无法有效排出，最终导致各构件过热，加快绝缘材料的老化，甚至发生破损、接地、短路等严重故障；氢气纯度长期过低，使气体的密度增大，发电机的通风损耗会相应增加，从而导致发电机的运行效率降低。

根据美国G.E 公司数据显示，一台运行氢压为0.5MPa、容量为907MW 的氢冷发电机，当其氢气纯度由98%下降至95%时，通风和摩擦损耗大约增加32%，亦即相当于损失了685kW，折合氢气纯度平均每下降1%对应约228kW；安全规程中明确指出，氢气纯度下降至74%以下时引起爆炸的可能性大大提高。

2 案例概述

国能广投（柳州）发电有限责任公司2号汽轮机密封油系统设计为双流环式密封油系统。该系统由密封油泵、油氢侧差压阀、空氢侧平衡阀、空氢侧滤网、氢侧油箱及其浮球阀等装置构成。该密封油系统主要作用是对发电机内的氢气系统进行密封，同时对发电机轴承具有一定的润滑和冷却作用。机组正常运行中出现发电机氢气纯度下降速率过快、且氢气纯度无法提升至高位，为使发电机内部的氢气纯度达到标准，平均每5天就要进行1次氢气补排操作，不仅增加了机组的物资损耗，还极大增加了维护成本。

2.1 氢气纯度下降原因分析

发电机氢气系统较为复杂，但氢气纯度快速下降最直接的原因是密封油系统工作不正常，空氢侧密封油互窜，使空侧密封油中携带的气体进入氢气系统，进而导致了发电机内部氢气纯度快速下降。一般情况下空氢侧密封油互窜的位置主要有两处：发电机密封瓦处和氢侧密封油箱。由于发电机氢气系统设备较多、较为复杂，导致密封油互窜的原因也很多且不尽相同，如密封瓦处密封间隙过大、油氢压差不合理等。

空氢侧密封油压力波动较大且不平衡是发电机密封瓦处密封油互窜的主因，油氢差压调节阀和空氢侧平衡阀作为油氢压力、空氢侧密封油压力调节的关键设备，其工作是否正常决定了密封油系统压力的稳定。正常情况下发电机密封瓦中的空侧和氢侧密封油压力相同，空侧和氢侧密封油不互窜，都进行独立的循环。

非正常情况下，密封油系统的平衡阀跟踪不好或空侧、氢侧平衡阀安装不合理，空侧、氢侧压力取样管中的压力损失不同，导致实际空、氢侧密封油压偏差大，最终都会造成空、氢侧密封油互窜。在对密封油系统的空氢侧平衡阀检查中，发现氢侧平衡阀差压较大、波动大，偏离设计值，这将导致氢侧密封油压力与空侧密封油压力出现偏差、发生互窜。

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氢侧密封油箱作为氢侧密封油的存储设备，空、氢侧密封油也在此互混。当空侧密封油压比氢侧密封油压高时，空侧密封油将向氢侧密封油窜油，日积月累氢侧密封油箱存积大量空侧密封油，其所携带的空气等气体在氢侧密封油中释放，最终导致氢气纯度的快速下降。当氢侧密封油压大于空侧密封油压，氢侧密封油向空侧密封油窜油或氢侧密封油渗漏等，将导致氢侧密封油箱油位降低，空侧密封油将自动补至氢侧密封油箱中，空侧密封油将空气等气体带入发电机氢气系统内，也可导致发电机氢气纯度快速下降。

在正常情况下，因为空氢侧密封油压力不一致导致的氢侧密封油箱补排油，氢侧油箱补排油浮球阀只是暂时的开启，而氢侧密封油箱补排油浮球阀故障，则导致氢侧密封油箱补排油球阀长期开启。氢侧密封油箱补排油浮球阀故障的明显特征是：补排油管道因长期补排导致出现温热现象。在对密封油系统的管路检查中，发现氢侧密封油箱补排油管道均长期处于温热状态，以此判定氢侧密封油箱的补排油浮球阀故障。

经现场检查发现，由于氢侧密封油闭式水调节阀存在死区，夏季时氢侧密封油温波动较小，从而密封瓦处的氢侧密封油压波动小，氢侧密封油、空侧密封油互串较小，氢气纯度下降较慢。冬季时侧密封油温波动较大，从而密封瓦处的氢侧密封油压波动大，氢侧密封油、空侧密封油互窜较大，氢气纯度下降较快。

机组运行中发现，发电机汽端与励端氢气冷却器出风口冷风温度偏差逐渐增大，需就地对氢气冷却器进行排空，且排空后氢气冷却器冷、热风出风温度均下降明显，发电机汽端、励端出风温度无偏差。说明运行中发电机氢气冷却器处存积气体（氢气），氢气通过氢气冷却器泄漏至闭式水侧，导致换热器冷却效果存在偏差，最终导致发电机汽端与励端冷却器出口冷风、热风温度偏差。

现场检查发现，发电机本体人孔门螺栓、发电机12.6米热控测温接线盒、发电机励侧大端盖等多处未严密，存在泄漏，经就地封堵、整改后，发电机氢气纯度下降减慢。同时，对于发电机绝缘过热检测装置、氢气纯度仪等取样手动门的开度进行调整，氢气下降速率降低。

为保证备用设备的备用状态良好，每月空侧直流密封油泵、氢侧直流密封油泵均需要试转2次。试转空侧密封油泵时空侧密封油油压突升，空侧密封油油压与氢气差压突升，超过额定值，这将导致油氢两种介质的互渗，同时氢侧密封油油压偏低，导致空侧密封油与氢侧密封油的互窜。试转氢侧直流密封油泵时氢侧密封油快速上升，氢侧与空侧密封油差压均快速上涨，导致空侧密封油与氢侧密封油互窜加剧。

2.2 氢气纯度快速下降的原因

氢侧密封油箱补、排油浮球阀故障是该发电机氢气纯度快速下降的主要原因。氢侧密封油箱长期处于强补、强排，将大量的空侧密封油中的空气等其他气体带入氢侧密封油系统，最终进入发电机氢气系统中，导致发电机氢气纯度快速下降；氢侧平衡阀跟踪不灵敏或安装不好，偏离设计值，使氢侧密封油压与空侧密封油压长期处于不平衡状态，在发电机密封瓦处长期窜油，最终导致了发电机氢气纯度快速下降；氢侧密封油油温波动大。

氢侧密封油油温波动大，导致密封瓦处的氢侧密封油油压波动大，密封油平衡阀跟踪不及时，最终导致氢侧密封油、空侧密封油互窜较大，氢气纯度下降较快。

同时，补氢操作过程中运行人员操作过快，未按规定的速率进行补氢，易造成空氢侧密封油压力波动大，导致空、氢侧密封油互窜，进而加剧发电机氢气纯度下降。

空侧直流密封油泵、氢侧直流密封油泵试转时，空侧密封油油压快速上升或氢侧密封油快速上升，对应的氢侧密封油压或空侧密封油压未变化，这将导致空侧密封油、氢侧密封油、氢气三种介质的互渗、互窜，若长时间运行将加剧氢气纯度的降低。

2.3 改进措施及效果

在机组停运期间：更换氢侧密封油箱的补、排油浮球阀，保证浮球阀动作灵活，不会误开误关；更换氢侧平衡阀，保证平衡阀跟踪灵敏并符合设计值。同时对于平衡阀的取样管路进行清洗及校核，保证取样管路的压损不超过规定值；增设氢侧闭式冷却水调门前手动门，为防止氢侧密封油油温的的大幅度变化，适当的关小氢侧密封油闭式冷却水调门前手动门，调试好氢侧密封油闭式冷却水调门的调节特性，防止氢侧密封油油温大幅度波动。

对发电机氢气冷却器进行检查并进行严密性试验，保证氢气冷却器无氢气泄漏，发电机汽端与励端氢气冷却器出风温度无偏差；进行发电机补氢或氢气补排操作时应严格按操作票的要求缓慢操作，防止因氢气系统压力的快速变化导致发电机密封油压力大幅度频繁波动；进行空侧直流密封油泵、氢侧直流密封油泵试转时，操作人员控制好运行时间，防止长时间运行，空侧密封油、氢侧密封油、氢气三种介质的互渗、互窜加剧。

经执行改进措施后，发电机氢气纯度明显放缓了下降速率，补排氢气也从原来5天一次变更至15天一次。

3 结语

针对氢冷发电机氢气纯度快速下降的问题，本文开展研究论证，从空氢侧密封油互窜的关键的问题出发，结合各种故障详尽的进行了分析，对于可能原因，结合现场经验给出相应的防范措施：

密封油系统投运后要仔细检查系统各处的阀门状态正确，尤其是空、氢侧平衡阀、油氢差压阀，运行人员须加强监视其差压。这类仪表精密度高，并且属于维护人员设备，运行人员未清晰其构造及原理，存在检查盲区，今后将重视；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；保持密封油系统各项参数的稳定，例如空、氢侧密封油油温、油压，差压阀、平衡阀、调节阀等调节特性跟踪良好，及时调整，若参数超限，立即手动调整。

发电机附属设备较多，在保证发电机氢气系统的严密性的同时，对于氢气纯度仪、绝缘过热检测装置等用氢设备，必须控制其取样量，最大程度地限制发电机氢气的快速下降；发电机补氢或者氢气补排操作时，应严格按要求缓慢操作，防止发电机氢气压力变化速率过快，最终导致密封油压力大幅度频繁波动；专业制定空侧直流密封油泵、氢侧直流密封油泵试转技术措施，试转时，操作人员控制空侧密封油压、氢侧密封油压、油氢差压、平衡阀差压，同时规定试转时间，保障密封油系统的正常运行。