淺析 200MW發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)存在的問題

苗曉冬,徐涌超,殷佩山

(中國(guó)華電集團(tuán)富拉爾基發(fā)電總廠,黑龍江 齊齊哈爾 161041)

0 引言

氫具有分子運(yùn)動(dòng)速度快、擴(kuò)散速度和導(dǎo)熱性高、密度小、流動(dòng)阻力小的特性,因此,大型發(fā)電機(jī)多采用氫冷方式。中國(guó)華電集團(tuán)富拉爾基發(fā)電總廠(以下簡(jiǎn)稱富電總廠)6臺(tái) 200MW機(jī)組均采用氫冷方式,用氫氣作為內(nèi)部部件的冷卻介質(zhì),在收到高效率的冷卻效果的同時(shí)也出現(xiàn)了一些問題(如密封油中的水分揮發(fā)致使氫氣濕度超標(biāo)、因油溫過高引起密封油流量過大導(dǎo)致的系統(tǒng)工作異常等)。這些問題的存在嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 氫氣濕度超標(biāo)

1.1 氫氣濕度超標(biāo)的危害

(1)氫氣濕度超標(biāo)造成發(fā)電機(jī)定子線圈端部短路事故。

(2)氫氣濕度超標(biāo)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

(3)氫氣濕度超標(biāo)增加了發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗,降低了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。

1.2 密封油系統(tǒng)工作原理

氫冷發(fā)電機(jī)組密封油系統(tǒng)的功能是防止內(nèi)部氫氣外泄和外部氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)。其原理是利用油液在軸頸與密封瓦之間形成高于內(nèi)部氫氣的壓力油膜,阻止內(nèi)外部氣體交換,同時(shí),油液也對(duì)動(dòng)靜部分形成有效潤(rùn)滑。哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的 200MW發(fā)電機(jī)組密封油系統(tǒng)采用雙流環(huán)式密封瓦,具體工作原理為:汽輪發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)由空側(cè)和氫側(cè) 2個(gè)各自獨(dú)立又互有聯(lián)系的油路組成,空側(cè)和氫側(cè)密封油同時(shí)向發(fā)電機(jī)兩端的雙流環(huán)式密封瓦供油。來自主油箱的油,經(jīng)空側(cè)密封油泵升壓或減壓閥減壓后,通過空側(cè)密封油濾網(wǎng)壓差閥到發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)端雙流環(huán)式密封瓦的空氣側(cè)油環(huán)。空側(cè)密封油壓力的控制依靠壓差閥的泄油來控制,當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力變化或空側(cè)密封油壓力波動(dòng)時(shí),壓差閥將調(diào)整空側(cè)密封油泄油量以維持空側(cè)密封油壓力大于發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力 0.04～0.06MPa。空側(cè)密封油的回油與潤(rùn)滑油一起回到主油箱。氫側(cè)密封油經(jīng)氫側(cè)密封油泵升壓后,通過氫側(cè)密封油濾網(wǎng)平衡閥,再分成 2路分別回到發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)密封瓦的氫側(cè)油環(huán)中。汽、勵(lì)平衡閥的作用是跟蹤汽、勵(lì)端密封瓦內(nèi)空側(cè)油環(huán)內(nèi)壓力,調(diào)整汽、勵(lì)密封瓦內(nèi)氫側(cè)油環(huán)內(nèi)壓力與空側(cè)油環(huán)壓力差不大于 0.0015MPa,氫側(cè)密封油回油到密封油箱,密封油箱油位通過空側(cè)密封油泵出口補(bǔ)油或向空側(cè)密封油泵入口排油來控制。

1.3 發(fā)電機(jī)氫氣濕度超標(biāo)原因分析

發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣濕度超標(biāo)的原因是氫氣接觸了水,現(xiàn)利用正推法將發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣與水接觸的所有環(huán)節(jié)列出并進(jìn)行分析。

(1)氫側(cè)密封油中所含水分。氫側(cè)密封油全程與氫氣接觸,油中水分揮發(fā)進(jìn)入氫氣,此過程時(shí)刻都在進(jìn)行。

(2)氫氣冷卻器內(nèi)漏水分與氫接觸。運(yùn)行時(shí),氫壓高于水壓,即使冷卻器內(nèi)漏,也是氫氣進(jìn)入水中,漏入氫氣的水分也是微量的,而且容易查出。

(3)真空置換時(shí)將水帶入發(fā)電機(jī)。間斷非持續(xù)進(jìn)入,在無其他水分持續(xù)進(jìn)入發(fā)電機(jī)時(shí),干燥器很快能將其析出,濕度會(huì)明顯下降直至合格。

經(jīng)以上分析,發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度持續(xù)超標(biāo)的主要原因是由于氫側(cè)密封油中水分超標(biāo),在與氫氣接觸的時(shí)候,水分與氫氣迅速結(jié)合,致使氫氣濕度超標(biāo)。那么,密封油中的水是從何而來的呢?

1.3.1 氫側(cè)密封油中水分的來源

根據(jù)雙流密封瓦設(shè)計(jì)原理,只有維持密封瓦內(nèi)空側(cè)密封油與氫側(cè)密封油壓力基本相等,減少空、氫側(cè)密封油的竄油,才能防止空側(cè)油系統(tǒng)中夾帶的水分進(jìn)入氫側(cè)密封油系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行中,由于設(shè)備結(jié)構(gòu)等原因很難控制空側(cè)密封油和氫側(cè)密封油壓力的平衡。當(dāng)空側(cè)密封油壓力大于氫側(cè)密封油壓力時(shí),空側(cè)密封油在密封瓦內(nèi)向氫側(cè)竄油,空側(cè)密封油夾帶的水分進(jìn)入氫側(cè)密封油。當(dāng)氫側(cè)密封油壓力大于空側(cè)密封油壓力時(shí),氫側(cè)密封油在密封瓦內(nèi)向空側(cè)竄油,將引起氫側(cè)密封油箱油位降低,氫側(cè)密封油箱浮球閥將打開,空側(cè)密封油泵出口的壓力油通過浮球閥補(bǔ)入氫側(cè)密封油箱。因此,無論空側(cè)密封油壓力大于氫側(cè)密封油壓力,還是氫側(cè)密封油壓力大于空側(cè)密封油壓力,都將使從主油箱來的空側(cè)密封油夾帶的水分通過與氫側(cè)密封油交換而進(jìn)入氫側(cè)密封油系統(tǒng)。由此分析可以得出結(jié)論,氫側(cè)密封油中的水分是與空側(cè)密封油的竄油交換來的;另外,密封油箱自動(dòng)補(bǔ)排油閥裝置調(diào)整不好,使補(bǔ)、排油同時(shí)進(jìn)行,也加大了空、氫側(cè)油的交換。1.3.2 空側(cè)密封油中水分的來源

空側(cè)密封油直接由主油箱供油,主油箱接受各個(gè)軸瓦的回油,各軸承室內(nèi)含水的潤(rùn)滑油回到主油箱,含水的油經(jīng)過空側(cè)密封油泵減壓閥進(jìn)入空側(cè)密封油。1.3.3 軸承室中水分的來源

汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí),高、中壓缸內(nèi)的蒸汽壓力高于大氣壓力,而汽輪機(jī)的軸封系統(tǒng)不可能達(dá)到理想的嚴(yán)密程度,肯定有一部分蒸汽沿軸封漏出,在排煙機(jī)的作用下,各軸瓦腔室內(nèi)建立的是負(fù)壓,一部分蒸汽會(huì)被吸入軸承室。

經(jīng)以上分析,氫氣濕度超標(biāo)的主要原因是氫側(cè)密封油中的水分揮發(fā)進(jìn)入氫氣,而氫側(cè)密封油中的水分主要來源于軸封漏汽。

1.4 氫氣濕度超標(biāo)的整改方案

經(jīng)分析,氫濕度超標(biāo)是由一系列環(huán)節(jié)導(dǎo)致的,從理論上講,將任何一個(gè)環(huán)節(jié)破壞掉,都能阻止氫氣濕度超標(biāo),力爭(zhēng)將所有環(huán)節(jié)都打斷,以達(dá)到濕度不超標(biāo)目的。

(1)加強(qiáng)氫側(cè)密封油箱補(bǔ)排油閥的調(diào)整,要求無內(nèi)漏、無卡澀,動(dòng)作靈敏,尤其要杜絕補(bǔ)、排油同時(shí)進(jìn)行這種空、氫側(cè)換油。

(2)在各軸端加裝柔性汽封。因?yàn)槿嵝云獾拈g隙可以調(diào)整到 0.3mm,即使柔性汽封與軸相接觸也不會(huì)傷軸,而且柔性汽封有自我復(fù)原功能,密封效果很好。同時(shí),恢復(fù)各軸端擋汽板。

(3)各軸承室加裝接觸式油擋。油擋與軸頸間實(shí)現(xiàn)零間隙,合理維持軸承室負(fù)壓在 150～250Pa之間,盡可能采用變頻排煙機(jī),既能保證軸承室負(fù)壓在合理范圍,同時(shí)可節(jié)電。

(4)在主油箱上加裝在線濾油機(jī),降低油中含水量,確保清潔可靠的供油源。

(5)提高平衡閥的調(diào)節(jié)精度和運(yùn)行可靠性。提高平衡閥的調(diào)節(jié)精度可有效減少空、氫側(cè)密封油的竄動(dòng)量,防止密封油進(jìn)入發(fā)電機(jī)。

1)防止平衡閥卡澀,調(diào)節(jié)失靈。檢修后密封油系統(tǒng)運(yùn)行初期,可采用平衡閥手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式,以防止檢修后因系統(tǒng)不清潔造成的平衡閥部件卡澀。

2)檢修后進(jìn)行平衡閥調(diào)節(jié)試驗(yàn),保證空、氫側(cè)密封油壓力平衡。平衡閥的目的是控制密封瓦內(nèi)空、氫側(cè)密封油環(huán)內(nèi)的空、氫密封油不交換?；谶@個(gè)原理,可關(guān)閉密封油箱補(bǔ)、排油門,觀察并根據(jù)密封油箱油位變化對(duì)平衡閥進(jìn)行調(diào)整,最終使密封油箱油位基本穩(wěn)定,達(dá)到減少空、氫側(cè)密封油在密封瓦內(nèi)交換的目的。在機(jī)組正常運(yùn)行中,根據(jù)密封油箱是在補(bǔ)油或排油,微調(diào)平衡閥,同樣可減少空、氫側(cè)密封油在密封瓦內(nèi)交換。這種方法只適用于波紋筒式的平衡閥。

1.5 整改效果

富電總廠#4機(jī)組氫濕度原來經(jīng)常嚴(yán)重超標(biāo),即使每天換硅膠并同時(shí)運(yùn)行 2臺(tái)吸附干燥器都不能保證氫濕度合格。但采用上述措施后,取得了良好的效果,#4機(jī)組近 1年再?zèng)]有氫濕度超標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生。

2 密封油流量過大

2.1 密封油流量過大導(dǎo)致的危害

(1)密封油流量過大將導(dǎo)致密封油泵供油不足。

(2)密封油流量過大,超出平衡閥壓差閥的調(diào)節(jié)范圍,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,發(fā)生油壓擺動(dòng)、竄油等一系列問題。

(3)氫側(cè)密封油屬于閉式循環(huán),密封油流量過大,氫側(cè)密封油的循環(huán)倍率增大,導(dǎo)致油質(zhì)劣化。

(4)密封油流量過大,易造成發(fā)電機(jī)進(jìn)油事故,直接危害發(fā)電機(jī),而且油中水分更容易揮發(fā),會(huì)導(dǎo)致氫氣濕度超標(biāo)。

2.2 密封油流量過大原因分析

密封油流量過大的原因一方面是由于系統(tǒng)部件損壞,間隙過大,使油量增加,它引起的油量增加易于判斷;另一方面是由于密封油溫度高,引起透平油黏度下降,導(dǎo)致流量增加,它是一種隱性、不易判斷的過程。

發(fā)電機(jī)制造廠一般規(guī)定氫冷發(fā)電機(jī)空、氫側(cè)密封油溫度正常值為 40℃左右,而富電總廠 6臺(tái)機(jī)組密封油溫度大大超過了正常值。根據(jù)調(diào)查所得結(jié)果(見表 1),富電總廠氫側(cè)密封油溫度在 60℃左右,空側(cè)密封油溫度在 50℃左右。

表1 #1～#6機(jī)組密封油系統(tǒng)壓力、溫度

2.2.1 氫側(cè)密封油流量計(jì)算

現(xiàn)對(duì) 40℃和 60℃時(shí)氫側(cè)密封油經(jīng)過密封瓦的流量進(jìn)行計(jì)算。

由#22透平油的黏度 -溫度圖(如圖 1所示)可以查出:#22透平油 40℃時(shí)的恩氏黏度 Et40=5,60℃時(shí)的恩氏黏度 Et60=2.25。

圖1 #22國(guó)產(chǎn)透平油黏度 -溫度圖

根據(jù)恩氏黏度的定義,Et40,Et60可表達(dá)為

式中,t40,t60,tz分別為 200 cm3該流體在自重作用下流過直徑為 2.8mm小孔所需的時(shí)間。

將式(1)和式(2)相比可得

式(3)中的環(huán)境是相同的,時(shí)間之比就是速度之比,即

式中:v40為密封油在 40℃時(shí)的流速;v60為密封油在60℃時(shí)的流速。

因?yàn)楣苈废嗤?則流量公式可以表達(dá)為

式中:qV40為密封油在 40℃時(shí)的流量;qV60為密封油在 60℃時(shí)的流量;A為管道的截面積。

40℃時(shí)候氫側(cè)密封瓦的流量為

式中:μ為流量因數(shù),一般取 0.5～0.7;A0為密封瓦的泄油面積;Δp為密封油經(jīng)過密封瓦前后的壓差;ρ為密封油的密度。

同理,60℃時(shí)氫側(cè)密封瓦的流量 qV60=2.7×58.72=158.56(L/min)。

平衡閥的流量調(diào)節(jié)范圍是 20～100L/m in,由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)氫側(cè)密封油溫在 60℃時(shí),氫側(cè)密封瓦的流量正常工作流量超出了平衡閥的調(diào)節(jié)范圍。

2.2.2 空側(cè)密封油的計(jì)算

現(xiàn)對(duì) 40℃和 50℃時(shí)空側(cè)密封油經(jīng)過密封瓦的流量進(jìn)行計(jì)算(密封瓦間隙為 0.20mm)。

由#22透平油的黏度 -溫度圖可以查出:#22透平油 40℃時(shí)的恩氏黏度 Et40=5,50℃時(shí)的恩氏黏度Et50=3.25。

根據(jù)恩氏黏度的定義,Et40,Et50可表達(dá)為

將式(4)和式(5)相比可得

式(6)中的環(huán)境是相同的,時(shí)間之比就是速度之比,即

因?yàn)楣苈废嗤?流量公式可以表達(dá)為

40℃時(shí)候空側(cè)密封瓦的流量

同理,50℃時(shí)空側(cè)密封瓦的流量 qV50=158.56×1.54=244.18(L/min)。

密封瓦間隙若取 0.30mm,則 qV40=234L/min,qV50=359.33L/min。

通過計(jì)算可以看出,當(dāng)空側(cè)密封油在 50℃時(shí),空側(cè)密封瓦的工作流量為 244L/min,超出密封油泵額定輸出流量(217 L/m in)和壓差閥的額定流量(20～240L/min)。

以上密封瓦流量計(jì)算均以密封瓦與軸頸間隙為0.20mm時(shí)進(jìn)行的,由于機(jī)組均為已運(yùn)行 20～30年的老機(jī)組,軸頸表面粗糙度差,密封瓦磨損情況較嚴(yán)重,瓦間隙經(jīng)常超標(biāo)(一般為 0.30mm左右),流量也將大幅增加,以至于密封油泵和系統(tǒng)部件無法滿足要求。

2.3 密封油流量過大的整改方案

(1)在密封油系統(tǒng)加裝冷油器,使密封油溫度在規(guī)定范圍內(nèi)運(yùn)行。

(2)提高軸頸表面粗糙度,加強(qiáng)油質(zhì)監(jiān)督,防止密封瓦磨損。

2.4 補(bǔ)充說明

富電總廠原機(jī)組設(shè)計(jì)是有密封油冷油器的,但在機(jī)組投產(chǎn)初期,由于其內(nèi)漏嚴(yán)重?zé)o法使用均已拆除。以前密封油壓經(jīng)常低,也未想到是油溫高的影響因素。后期機(jī)組進(jìn)行 DEH改造,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的富裕動(dòng)力油經(jīng)減壓后用于密封油,由于其油量充足,掩蓋了密封系統(tǒng)用油量過大的問題,但在啟、停機(jī)過程沒有動(dòng)力油的時(shí)候,這一問題就凸顯出來。經(jīng)過上述論證,為了保證機(jī)組的安全和調(diào)節(jié)精度,還是有必要加裝冷油器。

3 結(jié)束語

綜上所述,氫濕度超標(biāo)和密封油流量大,對(duì)發(fā)電機(jī)的危害是長(zhǎng)期緩慢的過程,應(yīng)對(duì)汽封間隙、密封瓦間隙、油質(zhì)、油溫等環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制,常抓不懈,以切實(shí)提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]哈爾濱汽輪機(jī)廠,朝陽發(fā)電廠.20萬千瓦汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行[M].北京:電力工業(yè)出版社,1980.

[2]駱簡(jiǎn)文.液壓傳動(dòng)與控制[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1994.