氢冷发电机两种密封油系统对氢气纯度的影响

杨彦肖，孙聆菱

(河北建投能源科学技术研究院有限公司，河北 石家庄 050051)

0 引言

随着发电机组的大型化发展，依靠增大发电机体积以增加铜线绕组和铁心容量来满足发电机单机容量需求的方式受到加工、运输、安装等诸多条件的限制，常采用增加铜线绕组电力密度的方式来提高单机容量。然而，施加在铜线绕组上的电流密度越大，随之产生的热量也会越多，若不能这些热量及时排出，将对发电机组的安全运行带来极大威胁。因此，良好的冷却效率是发展大型发电机组的关键技术所在。现代大型发电机广泛采用氢冷技术来提高发电机效率。氢冷发电机一般采用密封油系统进行密封以防氢气泄漏，密封油系统有单环流密封和双环流密封两种方式，两种方式各有利弊，但无论哪种方式的密封系统，其元器件的控制参数、运行状态以及密封油的质量都会影响到发电机内氢气的品质，进而影响发电机组的安全性和经济性。

1 氢气纯度降低的危害

氢气纯度降低主要是密封油中的水分、空气等杂质气体扩散至氢气中所致。氢气湿度超标会危害发电机定子和转子绕组的绝缘强度，而且会导致转子护环产生应力腐蚀裂纹。水汽会在线棒端部绝缘表面或绑扎结构表面构成击穿放电通道，还会使绝缘间隙中的氢气介电性能变差，从而为定子线棒端部绝缘事故提供外部条件，严重威胁发电机的安全运行。DL/T 651—2017《氢冷发电机氢气湿度技术要求》对氢气湿度提出了明确要求，DL/T 705—2021《运行中氢冷发电机用密封油质量标准》也对密封油的水分含量做出了规定，密封油的含水量限值要远低于润滑油的含水量限值，以确保氢气湿度在合格范围内。

当氢气中混入其他气体(如氧气或空气等)时，若遇明火则可能引发爆炸；氢气纯度下降会使气体密度增大，导致发电机的通风损耗增加，从而降低发电机的运行效率。而频繁大量的排、补氢会造成制氢站长期超负荷运行，并伴有着火和氢爆隐患，也会导致制氢或购氢成本大幅增加。

2 不同密封油系统结构特点

2.1 单流环密封油系统

图1 单流环密封油系统设置

单流环式密封油系统只设置一路供油，由汽机主油箱供油至真空油箱，通过真空净油装置减少密封油中携带的水分、空气等杂质，脱气后的油由密封油泵通过过滤器滤掉颗粒杂质，通过压差调节阀使油氢压差维持稳定并向发电机密封瓦供油。回油分为氢侧回油和空侧回油，其中氢侧回油回到回油扩大槽进行油氢分离，浮子油箱设置浮球阀，油位高时打开向外供油，油位低时关闭，以防氢气泄漏；空侧回油与浮子油箱中的氢侧回油共同回到空气抽出槽中，空气抽出槽油中的水分和氢气由排烟风机排至大气，空气抽出槽里的油通过U形油封自流至主机油箱。

单环流式真空净油型密封油系统在运行过程中，维持油箱油位稳定是整个密封油系统可靠运行的重要保障，其真空油箱油位在浮球阀和油箱真空度的综合作用下维持稳定，而排氢调节油箱油位在发电机氢压和浮球阀的综合作用下维持稳定。

2.2 双流环密封油系统

双流环密封油系统设置了两个密封环，双流环密封结构的发电机以采取西屋公司技术生产的发电机为代表，国内主要包括上海汽轮机厂和哈尔滨汽轮机厂生产的300 MW和600 MW大型氢冷发电机。双流环密封油系统对应设置两路密封油，分别由氢侧密封油泵和空侧密封油泵向氢侧密封瓦和空侧密封瓦供油，空侧密封油用于隔离大气，氢侧密封油用于密封氢气，空侧密封油压力通过油氢压差阀调节，氢侧密封油通过平衡阀调整压力，使两路密封油压力相当。正常运行时，氢侧油自成一个闭式循环系统，空侧油是一个开式循环系统，两路密封油独立循环又互有联系。

压力油通过不同的油槽送入密封瓦，在转轴和密封瓦的间隙处往相反方向分别向空气侧和氢气侧流动，其油路流程如图2所示。空侧密封油路来源为主油箱和空侧回油箱，空侧交流密封油泵取得油源，一部分经主差压阀、冷油器、过滤器进入空侧密封瓦，另一部分从油泵出口处引出向密封油箱补油用；空侧密封瓦回油经氢油分离器回至主油箱，在氢油分离器内析出的氢气和油烟排至机房顶部。氢侧密封油路来源由氢侧密封油泵从氢侧密封油箱取油升压后通过冷油器、过滤网、平衡阀进入氢侧密封瓦，氢侧密封瓦回油回至氢侧密封油箱。差压阀取样：氢侧取自氢压，油侧取自空侧密封瓦入口处油管；平衡阀取样：一路取自空侧密封瓦入处口油管，一路取自氢侧密封瓦入口处油管。

图2 空侧、氢侧油路流程

3 两种密封油系统差异分析

(1) 单流环密封油系统只有一路供油回路，结构简单，便于厂房布置，设备成本较低，但油中空气水分易跑入氢气中，使氢气受到污染的程度较大；双流环密封油系统由于空、氢两侧分开，系统更复杂，造价更高，但氢侧油系统为闭式循环系统，密封效果更好，氢气纯度更容易保持。

(2) 单流环密封油系统为了去除水分、杂质气体对氢气的污染以及去除油中氢气，配置有真空净化装置，需保证浮子油箱、真空油箱浮球阀和真空净化装置可靠运行；双流环密封油系统未设置真空净化装置，对空侧油质要求低，省去了主油泵的油处理功能，靠氢油分离箱和排烟装置去除氢气和杂质气体，相较真空浮球阀的可靠性高。

(3) 单流环密封油系统需依靠主机冷却器冷却，对主机依赖性较高，运行操作灵活性差，一旦出现故障，氢气纯度难以保证；双流环密封油系统配置有独立的冷却系统，独立性高，当氢侧回路故障停运时，可以加大空侧密封油油量，还能维持系统运行。

(4) 单流环密封油系统密封瓦调节简便，压差采用自动调节来保证密封系统的可靠性；双流环密封油系统复杂，需要保证密封油泵、差压阀、平衡阀及密封环的可靠运行才能防止窜油或漏氢。

2.3 两组咳嗽积分比较 治疗后，两组患者的日间咳嗽评分、夜间咳嗽评分均较治疗前明显降低，且B组均低于A组，差异均有统计学意义(P<0.05)。见表2。

(5) 单流环密封油系统简单，当浮子油箱浮子卡涩时危险性较大，当真空油箱浮球阀卡涩时，需就地及时手动调整旁路，防止真空油箱油位太高时跑油或油位太低时影响密封油泵的安全运行；双流环密封油系统相对复杂，安全可靠性较高，但平衡阀和差压阀易发生故障，一旦空侧油压和氢侧油压相差较大，会造成空侧和氢侧油路互窜，使氢侧油受污染，由于氢侧密封油箱调节量有限，若设计不合理，发电机进行充、排氢过程中可能造成发电机进油，不仅污染氢气还影响发电机的安全运行。

4 密封油系统对氢气的影响及应对措施

由于密封油中含有或多或少的水分、空气等杂质气体，若运行中参数控制不当或油品质量较差，不可避免地会对发电机内的氢气纯度产生影响。尽管双流环密封油系统可靠性较高，理论上认为氢气纯度保持较好，油吸收而损耗的氢气几乎为零，但其实际上对氢气也有一定的影响，一是由于差压阀、平衡阀调节不合适导致空、氢侧油互窜，油中的水分和空气逐渐进入氢气中，使氢气受到污染；二是机内氢气会随油循环进入油系统，造成氢压下降，需增加补氢。

4.1 单流环密封油系统的影响及应对措施

(1) 油中含水量的影响。单流环密封油系统中由于主油箱润滑油直接参与密封油系统循环，若密封油取自主油箱下部的污染区，则密封油的含水体积分数会很高，在回油腔的局部区域，由于甩油以及油温升高的热作用，溶解在油中的部分水雾化形成油烟和蒸汽在风扇作用下进入机内风路，导致氢气纯度受影响。因此，需严格按照DL/T 705—2021要求将密封油中的水分控制在50 mg/L以下。

(2) 密封瓦和轴间隙的影响。轴瓦间隙过大会使得流经密封瓦的油流量变大，油中释放出的油烟和水汽变多，易造成机内氢气污染、氢气纯度降低。因此，需整定密封瓦间隙，调整轴向总间隙在0.13～0.20 mm，径向总间隙在0.15～0.25 mm。

(3) 进油温度过高的影响。根据流体运动学理论，油的黏度随着油温的升高而降低，随着油黏度的降低，油中的含气量增加，氢气受污染的程度增大。因此，需控制油温在合格范围内，一般密封瓦进油温度控制在25～50 ℃。

(4) 真空油箱真空度的影响。真空油箱通过真空泵使油箱内保持一定的真空度，使密封油中含有的水分、空气及烟气逸出，从而降低油中杂质气体对氢气纯度的影响。真空净化系统需要注意的问题，一是真空油箱浮球阀易卡涩，油箱油位高时会造成真空泵跳闸跑油，油位低时补不进油，威胁密封油泵的安全运行；二是真空泵抽出的水汽冷却易在分离器聚集。因此，需要定期对分离器进行排水注油，否则会导致漏真空。

(5) 差压阀的影响。差压阀用于调节密封油的压力使油氢压差维持稳定，保证油压高于氢压0.05 MPa。压差不稳定会造成跑油或者跑氢，从而影响氢气纯度。因此，需对差压阀设置旁路门，当设备故障时可通过旁路手动调节压差以保证油氢压差稳定。

4.2 双流环密封油系统的影响及应对措施

(1) 平衡阀的影响。在双流环密封油系统中，氢侧与空侧密封油互窜是影响发电机氢气纯度的一个重要因素，无论是氢侧油压高于空侧油压，还是空侧油压高于氢侧油压，都会导致空、氢侧密封油互窜，造成油中污染气体进入发电机内，引起氢气纯度降低。氢侧密封油压力通过油压平衡阀调整跟随空侧密封油压力，当平衡阀异常时会导致空、氢侧油压不平衡。一般需要保证氢侧与空侧密封油压差不大于±1.5 kPa。

(2) 差压阀的影响。差压阀的任务是维持油氢压差稳定，平衡阀随差压阀改变而调整，若差压阀异常，不仅可能出现密封油进入发电机的现象，而且可能造成平衡阀跟随做出异常调整，加速空、氢侧油的互窜，引起氢气纯度下降。因此，需确保差压阀调节空侧密封油压高于氢压0.084 MPa。

(3) 密封瓦间隙的影响。密封瓦间隙增大，密封油流量会增加，进而导致空、氢侧密封油的交换量成倍增加，空侧油中的污染气体影响氢气纯度。

(4) 油中含水量及进油温度高的影响。双流环密封油系统油中含水量、进油温度高等影响原理与单流环密封油系统相同，此外还有氢侧油管供油不足、回油不畅，发电机排烟风机出力不足，氢压低时消泡箱满油跑油等影响，均需要将各系统运行参数调至最佳状态。

4.3 密封油质量的影响及应对措施

不管在单流环还是在双流环密封油系统中，密封油质量对氢气纯度均会产生很大影响，除油中含水量影响外，油质颗粒度、酸值等指标不合格也可能导致轴瓦腐蚀、磨损等问题，造成氢气污染。因此，需按DL/T 705—2021要求严格控制密封油质量。当调整设备运行参数对提高发电机内氢气纯度作用不大时，可采取对密封油脱气净化处理方式来降低油中含气量以保证机内氢气纯度稳定。

密封油中含气量的影响。氢气纯度降低大多是油中杂质气体(主要是空气)对机内氢气的污染所致。可采用顶空色谱法原理(分配定律)和物料平衡原理测定油中的气体组分含量，杂质气体主要为O2，N2，少量的CO，CO2以及微量的烃类气体，可参照GB/T 17623—2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》以及DL/T 703—2015《绝缘油中含气量的气相色谱测定法》测定油中的含气量。此外，通过在密封油系统中增加一套高效脱气装置保证密封油的低含气量，从而长久保持氢气纯度的稳定。该方法在单流环、双流环密封油系统中均有成功应用的案例。

5 结束语

氢气纯度降低不仅有着火爆炸危险，而且会降低发电机的运行效率，大量补氢还会增加制氢或购氢成本。单流环密封油系统与双流环密封油系统两种方式各有利弊，无论哪种方式控制参数、运行状态及密封油的质量都会影响发电机内氢气品质，需结合各自性能特点，调整至最佳的运行控制参数。