发电机内氢气纯度下降的原因及对策分析

邹少聪

（国能（泉州）热电有限公司，泉州 362804）

国能（泉州）热电有限公司1 号发电机为哈尔滨产QFSN-300-2 型汽轮发电机，采用水-氢-氢冷却方式，即定子绕组采用水内冷，定子铁芯和转子绕组采用氢冷。运行中，要求发电机内氢气的工作压强为0.270 ～0.305 MPa。

1 号机组投运以来，一直存在氢气纯度下降较快的问题，氢气纯度从98%下降到95%的大约需要15 d。为提高发电机氢气纯度，需要进行气体置换，每次所用氢气量都超过200 Nm3。氢气纯度的下降影响了机组运行的经济性，对发电机的安全运行构成严重威胁，同时增加了运行人员置换氢气的工作量。

发电机内氢气纯度下降过快是很多电厂都存在的问题，具有普遍性。基于此，以国能（泉州）热电有限公司1 号发电机的实际情况为原型，深入分析影响发电机氢气纯度下降较快的因素及其应对措施。

1 影响发电机内氢气纯度的因素及应对措施

1.1 发电机补氢母管氢气纯度与湿度不合格

氢站储存的氢的纯度可达99.5%，露点温度为-50 ℃，证明补氢气源方面基本未受影响。在没有补氢的情况下，储氢罐向发电机补氢的供气阀处于关闭状态。从氢站储氢罐至发电机补氢入口的输氢管道超过100 m，时间越久，管道内氢压下降越多，导致空气会从法兰间隙和阀门阀杆进入供氢管道。在下次补氢时，管道中的空气会随着氢气进入发电机[1]。

针对这种情况，可在发电机前补氢管道、输氢管道最低点处适当增加多个排污放水点，并在补氢总阀前增加取样管。此外，在向发电机内补氢前，需进行输氢母管的排污放水。只有测量补氢母管总阀前取样点氢气纯度和湿度合格才能进行补氢。

1.2 仪用空气漏入氢气系统

该厂仪用空气的压强正常为0.700 MPa，发电机内气体压强为0.270 ～0.305 MPa，压差较大。发电机压缩空气补气阀门如果关闭不严或内漏，就容易导致仪用空气连续漏入发电机。

针对这种情况，可在发电机未充仪用空气时拆开充仪用空气短管一端，杜绝漏入仪用空气，保证氢气纯度。

1.3 密封油空侧及主油箱排烟风机出力不足

密封油空侧排烟风机出力不足，会造成更多空气、湿气和油烟溶入空侧密封油。而空侧密封油与氢侧密封油之间的窜油会使得空气、湿气和油烟进入发电机，影响氢气纯度。发电机轴承润滑油回油是空侧密封油的油源，主油箱的两台排烟风机出力不足，同样会影响发电机内的氢气纯度。

因此，需要定期维护与切换主油箱和空侧密封油箱排烟风机，增加排烟风机入口压力测点，保证主油箱和空侧密封油箱维持油箱内在负压状态。在运行中，要加强对排烟风机电流的监测保证排烟风机出力正常。

1.4 冷却水漏入氢气系统

发电机内冷却水的工作压强维持在200 ～250 kPa，比发电机内的氢压低，漏入发电机的可能性不大。发电机氢气冷却器闭式水的工作压强为0.5 ～0.7 MPa，比发电机内氢压高很多。氢冷器的轻微泄漏可能使冷却水大量漏入发电机。漏入的冷却水携带空气析出，将会影响发电机内氢气的纯度。冷却水本身的气化和冷却水泄漏导致发电机轻微放电所产生的气体，都会影响发电机内的氢气纯度。

在发电机氢气冷却器安装前，应仔细试验、检查冷却器是否泄漏，消除漏点。在冷却器投退或闭式水泵工频、变频切换时，要确保闭式水压强稳定，不可大幅波动。运行中，要控制氢冷器冷却水压不超压，同时保证氢气干燥器有效工作。

1.5 密封油空、氢侧窜油

该厂发电机氢气采用双环流式密封油密封，而双环流指空侧密封油和氢侧密封油。其中：空侧密封油在双环密封瓦与轴颈之间的油流和油膜阻止发电机外空气和湿气被氢侧密封油携带进入发电机；氢侧密封油阻止发电机内氢气外漏[2]。发电机空、氢侧密封油油路的分开，可大大降低氢气受到空气和湿气污染的概率。密封油系统，如图1 所示。

图1 密封油系统

1.5.1 油压不平衡导致窜油

空、氢侧平衡阀压强不平衡将导致空、氢侧密封油流互窜，是影响发电机氢气纯度下降的主要因素。当密封油氢侧密封油压强过低时，空侧密封油通过中间环流窜至氢侧密封油，再回至消泡箱，扩容并释放空气和湿气到氢气，使氢气纯度下降。当密封油氢侧油压强过高时，氢侧密封油通过中间环流窜至空侧密封油，导致氢侧密封油箱油位下降，自动补油浮子阀自动打开，由空侧向氢侧密封油箱频繁补油。这样密封油空侧富含空气和湿气的油会污染氢侧油，使氢气纯度下降[3]。造成油压不平衡的原因主要有3 个方面。

第一，由平衡阀本身引起。由于平衡阀本身质量问题，造成平衡阀在跟踪空侧密封油压和调节氢侧密封油压时不够灵敏。在设备选型时，选用设计合理、制造工艺好的平衡阀可以解决此类问题。实际上，在安装和运行过程中，其他杂质（包括油中所含水分）进入平衡阀的本体或管道内，容易造成平衡阀动作不灵活或卡涩。平衡阀活塞和油缸之间间隙较小，稍有杂质就可能增加活塞的运动阻力，甚至卡死，导致平衡阀调节精度变差。

第二，由平衡阀压强信号引起。平衡阀的动作指令来自空、氢侧油压。密封瓦处，空、氢侧油压指令通过压强信号管与平衡阀关联，并指挥平衡阀的调节。这就要求压强信号管能够快速准确地将密封瓦处的空、氢侧油压信号传递给平衡阀。影响压强信号快速准确传递的因素包括：密封油平衡阀压强信号管管路长、管径小，使平衡阀感受压强信号变化迟缓；同一个平衡阀对应的空、氢侧压强信号管长度不一，造成流体阻力压降不等；同一个平衡阀对应的空、氢侧压力信号管中间弯头较多，且弯头数目不一；传压信号管进入空气，而空气为可压缩性气体，吸收了部分油压的变化；压强信号管进入固体杂质，节流后的压强信号偏离真实值；平衡阀加工不精确或长时间使用磨损后，活塞间隙密封不良，活塞间隙漏油。

第三，由空侧油压不稳引起。发电机空侧密封油压的调节主要以氢压为依据，通过主差压阀调节使空侧压强维持比发电机内氢压高0.085 MPa，而氢侧油压则通过平衡阀跟踪空侧油压进行调节。平衡阀调节氢侧密封油压存在滞后，必然会引起窜油。因此，保证差压阀工作的稳定性有助于减少窜油。

针对这些情况，在平衡阀及密封油系统的安装过程中应保持清洁。在系统试运时，需要先仔细吹扫清理密封油系统，再充分油洗。完善压强信号管的布置，注意密封油质的清洁，使用质量可靠的平衡阀并定期检查活塞的磨损情况。在运行过程中，保持油质清洁，定期对密封油滤网排污，及时对密封油除水等。定期维护空、氢侧平衡阀，检查其自动调整能力。加强对空、氢侧油压的监视，拉好实时曲线，确保空、氢侧油压差维持在±0.980 kPa。空、氢油泵定期切换时可能导致平衡阀过调，需及时调整空、氢侧油压。

1.5.2 密封瓦间隙大加剧窜油

由于平衡阀不可能时刻保持空、氢侧油压平衡，不可避免会存在一个压差Δp，会出现发电机轴与密封瓦间隙中空、氢侧密封油间的窜流现象。窜流量为

式中：Q为密封油间的窜流量，m3·s-1；A为密封瓦与转轴间隙的最小截面积，m2；v为空、氢侧密封油窜流流速，m·s-1。

由式（1）可见，密封瓦与转轴的间隙越大，截面积A就越大，空、氢侧密封油间的窜流量也就越大。发电机密封瓦的径向间隙为0.15 ～0.28 mm，间隙过小有可能引起发电机轴振动加剧。运行中，发电机转子高速转动、振动或密封油中带杂质等因素，都会导致密封瓦或轴颈磨损，造成间隙增大。

针对窜油问题，可采取以下处理措施：机组安装或大修应调好发电机转子的动平衡；定期对密封油滤网排污，及时对密封油除水，确保密封油质清洁；利用机组停运期间检查调整密封瓦的间隙。

1.6 发电机浸油

密封油回油管路不畅、机组处于盘车状态或发电机氢压过低，导致密封油不能及时排出，此时密封油消泡箱满油进入发电机，发生发电机浸油[4-5]。发电机浸油后，油及油中携带的水和油烟空气蒸发释放会污染氢气，造成氢气纯度下降。浸油后的发电机绝缘能力下降，严重的情况下有可能局部放电，产生其他气体污染氢气，造成氢气纯度下降。

为防止发电机浸油，最根本的措施是保证密封油回油与发电机放油的及时性。因此，密封油回油管和发电机的排油管管径应足够大，并密切关注油水监测器是否积液。一旦发现发电机浸油，必须进行清理才能恢复运行。

2 结语

采用水-氢-氢冷却方式的汽轮发电机，其氢气系统、冷却水和密封油系统从设计、安装到运行的每个环节，都会影响发电机氢气的纯度。为防止氢气纯度下降，在运行过程中应注意与其他系统的有效隔离。安装检修过程中，避免油路受到污染。与油系统相关的检修工作结束后，需要对油系统进行油洗，彻底滤油除去可能遗留在油中的杂质。运行中，应保持密封油油质的清洁，定时进行滤网排污，保证发电机氢气干燥器正常工作，维持较低的密封油温。良好的油质不仅可以防止密封瓦及轴径的磨损，而且能够确保平衡阀和差压阀的控制精度。另外，跟踪维护相关设备如平衡阀和密封瓦等，使其保持良好的工作状态。