300 MW氫冷機組氫氣純度下降的原因分析及處理

徐新果,李豐均,姚 坤

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江 紹興 312073; 2.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

大功率火電機組多用氫氣冷卻發(fā)電機。為防止氫氣爆炸，同時，維持氫氣系統(tǒng)內(nèi)氫氣純度，故采用密封油將發(fā)電機氫氣冷卻系統(tǒng)與外部進行隔絕[1]。然而，整個密封油系統(tǒng)設備繁多，任何部件的小故障都可能間接或直接地影響氫氣純度[2]。因此，分析密封油系統(tǒng)各裝置對氫氣純度的影響機理，對改善機組運行安全性至關重要。文獻[3]通過更換密封瓦, 以減小其已損軸頸與密封瓦間的泄油截面在盤車時的變化程度, 改善油-氫差壓波動情況。文獻[4]指出未關閉啟動排油閥導致氫側(cè)密封油流入空側(cè)，進而導致空側(cè)對氫側(cè)進行補油，降低了氫氣純度。文獻[5]則指出密封油系統(tǒng)監(jiān)測儀表不可靠同樣會影響氫氣純度。文獻[6]分析了密封油各項指標與氫氣純度的關系。

此外，部分學者在研究氫氣純度影響機理的同時，還提出了相應的優(yōu)化措施[7]。文獻[8]給出了在不停機條件下解決補油浮球閥故障問題的手段。文獻[9]分析了影響雙流雙環(huán)式密封油系統(tǒng)氫氣純度的主要原因，包括平衡閥整定不準確、氫側(cè)油箱浮球閥不動作、密封瓦間隙過大等等，并據(jù)此提出了針對性的整改措施。同時，有研究從機理上闡述了上述特征對氫氣純度的影響，進一步分析了密封油溫度、氫側(cè)供油管路和平衡閥信號管路節(jié)流以及排煙風機和氫冷器設備異常對氫氣純度的影響[10-11]。

綜上所述，造成氫氣純度降低的原因很多，上述研究中也分別提出了相應的措施。然而，上述處理手段僅是針對某一種具體故障，缺乏一定的指導性。特別是在多數(shù)情況下，氫氣純度降低是由多個故障引起的，從眾多可能性中找出原因仍然較為困難。因此，研究多故障源的氫氣純度下降問題具有重要意義。本文首先從造成氫氣純度下降的兩個關鍵位置展開分析，詳細論述了可能的故障原因并給出相應的檢測方法。文中所提出檢查及分析方法對指導解決其它機組同類故障具有一定的借鑒意義。

1 設備問題分析

1.1 設備概況

某電廠配備哈電集團的YKG-300-5YH型密封油控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙流環(huán)式密封瓦設計，相關設計參數(shù)如表1所示。為保障密封油壓力穩(wěn)定性，系統(tǒng)中設置有平衡閥、油氫差壓閥、空氫側(cè)差壓表等裝置。系統(tǒng)在運行中，可通過空、氫兩側(cè)密封油來實現(xiàn)對發(fā)電機內(nèi)部氫氣的密封，同時對內(nèi)部密封裝置具有潤滑和冷卻作用。

1.2 設備問題

機組在運行過程中出現(xiàn)發(fā)電機氫氣純度下降速率過快。如圖1所示?？梢钥闯觯瑸楸Ｕ虾细竦臍錃饧兌?，每天都要進行1～2次補排操作，極大的增加運行維護的成本。

表1 軸密封供油系統(tǒng)設計參數(shù)

圖1 故障狀態(tài)下的氫氣參數(shù)

從表1可以看出，在機組沖轉(zhuǎn)到升負荷階段，DCS測量到的偏擺數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測量的偏擺數(shù)據(jù)均顯示汽缸向右側(cè)(即向鍋爐側(cè))偏擺0.2 mm左右。

2 問題分析

氫氣純度下降最直接的原因是空氫側(cè)密封油之間的竄流，空側(cè)密封油中攜帶的氣體置換到了氫氣系統(tǒng)，導致了氫氣純度下降。密封油系統(tǒng)中可以體現(xiàn)，空氫側(cè)密封油發(fā)生竄流的位置主要有發(fā)電機兩端密封瓦(勵磁端、汽機端)和氫側(cè)密封油箱兩處。然而，導致上述位置密封油互竄的原因很多，且不盡相同。如密封間隙過大、油氫壓差不合理等等。

2.1 密封瓦處密封油互竄

密封瓦處密封油互竄的直接原因主要有空氫側(cè)密封油壓力不平衡或者存在波動的問題。而平衡閥和空氫側(cè)差壓表是維持密封油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的關鍵裝置。

(1)平衡閥整定不合理

平衡閥是控制空氫側(cè)密封油平衡的重要設備，密封油站分別在勵磁端和汽機端裝各裝設一個平衡閥。平衡閥與密封油站空氫側(cè)差壓表共同作用實現(xiàn)對密封油系統(tǒng)的油壓進行精細調(diào)整，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡閥結(jié)構(gòu)原理圖

在對平衡閥的檢查過程中發(fā)現(xiàn)空氫側(cè)差壓表處于中間零標定區(qū)間外，可排除因平衡閥故障而造成氫氣純度下降的情況。

(2)空氫側(cè)差壓表旁路閥狀態(tài)錯誤

在對油氫系統(tǒng)進行整體管路排查過程中，發(fā)現(xiàn)空氫側(cè)差壓表下方安裝有3個截止閥，其中兩個閥門控制的介質(zhì)分別是來自空、氫側(cè)密封油壓力的進油，第三個閥門為空氫側(cè)密封油管道的旁路閥，其狀態(tài)均處于打開位置。差壓表兩端的壓力測點所測潤滑油壓力和通入平衡閥上下腔室的密封油是并聯(lián)關系，差壓表的旁通閥和空氫側(cè)差壓表也是并聯(lián)關系。然而，平衡閥是通過引入其上下腔室的空氫側(cè)密封油壓力來控制閥芯位置，從而實現(xiàn)對氫側(cè)密封油油量以及壓力的控制的。一旦差壓表旁通閥打開會使平衡閥上下腔室處于聯(lián)通狀態(tài)，將導致平衡閥失去作用，使其無法實現(xiàn)自動平衡空氫側(cè)密封油壓力的功能。因此，需保持差壓表旁通閥處于關閉狀態(tài)。

(3)油氫差壓閥壓力波動問題

氫側(cè)密封油壓力由平衡閥控制，自動維持與空側(cè)密封油壓力相同的壓力，而油氫差壓閥則起到了穩(wěn)定整個雙流環(huán)密封瓦系統(tǒng)壓力的作用，氫氣壓力與空側(cè)密封油壓力相互影響、相互作用。如果油氫差壓閥差壓產(chǎn)生波動，將破壞系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。因此還需進一步檢查密封油系統(tǒng)整體壓力是否存在異常波動問題。

通過對密封油系統(tǒng)排查發(fā)現(xiàn)，相較于氫氣純度維持較好的其它同型號機組，該機組密封油系統(tǒng)就地壓力表計讀數(shù)波動較大。

為驗證是否為油氫差壓閥對系統(tǒng)穩(wěn)定性所造成的影響，對油氫差壓閥進行重新整定。現(xiàn)對旁路閥等措施先實施微開操作，使其開度下降；同時，調(diào)高油泵出口壓力，使其開度上升等措施，最終更換新的油氫差壓閥。然而，上述措施實施后，發(fā)現(xiàn)均不能使密封油系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定，由此排除了油氫差壓閥造成系統(tǒng)壓力波動的可能性。

2.2 氫側(cè)密封油油箱故障

如前文所述，氫側(cè)密封油箱也是產(chǎn)生空氫側(cè)密封油竄流的關鍵位置之一。若出現(xiàn)空側(cè)密封油大量進入氫側(cè)密封油箱的情況，空側(cè)密封油內(nèi)的氣體將會竄入氫氣系統(tǒng)，導致氫氣純度降低。在常規(guī)情況下，氫側(cè)密封油箱產(chǎn)生竄流多是由于油箱的補排油閥門關閉不嚴密導致的。

一般情況下，如果是因為空氫側(cè)密封油壓力不平衡導致的油箱補排油，只有補油管道或者排油管道處于工作狀態(tài)。油箱補排油閥門不緊密故障的明顯特征是：補排油管道因密封油流動而出現(xiàn)溫熱現(xiàn)象。在對油箱檢查過程中發(fā)現(xiàn)其補排油管道均處于溫熱狀態(tài)?；究梢耘卸ㄊ茄a排油浮球閥出現(xiàn)故障。但為使判斷更為準確，應附加判斷空氫側(cè)密封油壓力是否穩(wěn)定，其現(xiàn)象可能隱藏在浮球閥故障現(xiàn)象中。

(1)補排油浮球閥故障分析

空、氫側(cè)密封油在正常運行工況下是兩個相對獨立的系統(tǒng)，氫側(cè)密封油密封箱油位保持穩(wěn)定，補排油浮球閥均處于閉合狀態(tài)。為排除補排油浮球閥故障，可以隔離補排油管道二次閥進行驗證。驗證結(jié)果如表2所示。

表2 補排油浮球閥故障排查表

表2中，通過改變補排油管道二次閥的狀態(tài)，可得到補排油管道溫度狀態(tài)的變化規(guī)律。對比結(jié)果可知，當補排油管道均隔離時，油箱液位出現(xiàn)緩慢下降，證明系統(tǒng)確實存在空氫側(cè)密封油竄流的問題，但竄流現(xiàn)象較輕微。當對排油管道進行隔離時，補油浮球閥將補充該部分油量，同時管道溫度下降，說明補油量下降。當補油管道隔離，排油管道處于正常狀態(tài)時，油箱液位快速下降至報警值以下，說明此時排油量遠遠超過了空氫側(cè)密封油壓力不平衡導致的液位變化。

從以上現(xiàn)象可以判定是排油浮球閥故障，從而導致氫側(cè)油箱一直處于強制排油狀態(tài)，補油閥為維持油箱液位，長期處于補油狀態(tài)，將空側(cè)密封油中的空氣帶入了氫側(cè)密封油系統(tǒng)，最終導致了氫氣純度無法維持。

(2)浮球閥故障原因分析

油箱浮球閥是由浮球、連桿、支撐架、閥芯、頂針(旁路閥)等部件構(gòu)成的，當油箱液位過高(過低)是，浮球浮起(下落)，通過連桿作用打開(關閉)閥芯，實現(xiàn)密封油補油(排油)。浮球的常見故障有浮球破損，連桿卡澀，連桿限位松脫等等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 油箱結(jié)構(gòu)原理圖

為明確浮球故障原因，對存在故障的浮球閥進行了解體分析，如圖4所示。檢查發(fā)現(xiàn)，該排油閥密封形式采用平面密封，密封材料為橡膠。在長期的運行過程中，該密封墊老化破損，導致強制排油管路處于常開狀態(tài)，排油浮球閥失去作用，從而使排油管道產(chǎn)生漏油問題。

圖4 排油浮球閥結(jié)構(gòu)

(3)空氫側(cè)壓力不平衡

空氫側(cè)密封油存在較為輕微竄流現(xiàn)象，主要原因是空氫側(cè)密封油存在壓差，雖然油壓只相差5 mm水柱。但是仍然造成密封箱液位的緩慢下降。因此，空氫側(cè)密封油壓力不平衡也是導致氫氣純度無法維持的原因之一。

2.3 氫氣純度下降的原因總結(jié)

綜上所述，該電廠氫氣純度無法維持有三個原因：

(1)空氫側(cè)差壓表旁通閥狀態(tài)錯誤

該機組氫氣純度無法維持的主要原因是空氫側(cè)差壓表旁通閥狀態(tài)錯誤，導致了氫側(cè)密封油管路平衡閥失去應有的作用，進而使空氫側(cè)密封油壓力出現(xiàn)不均衡，在密封瓦處頻繁產(chǎn)生氣體置換，導致了氫氣純度下降。

(2)排油浮球閥強制排油管路密封圈

排油浮球閥強制排油管路密封圈老化破損導致強制排油管路常開也是造成該機組氫氣純度無法維持的重要原因，補油浮球閥為維持油箱液位長期處于補油位置，將空側(cè)密封油中的空氣帶入氫側(cè)密封油系統(tǒng)，從而降低了氫氣純度。

(3)其他原因

該機組密封油系統(tǒng)空氫側(cè)密封油存在輕微偏差，導致了密封瓦處空氫側(cè)密封油互竄，油箱液位下降，補油浮球閥小流量補油。

3 改進措施及效果

針對上述引發(fā)氫氣純度下降的多種原因，分別制定針對性的改進措施：

(1)關閉空氫側(cè)差壓表旁通閥；

(2)在機組調(diào)停檢修過程中，對新更換的浮球閥進行了設計改型，采用頂針的方式，底部浮球閥頂入后，將連桿頂起，從而實現(xiàn)強制排油的目的；

(3)密封形式采用球面密封，密封材料為銅環(huán)，避免類似事件的發(fā)生。

實施效果：改進工作完成后，氫氣純度下降速率明顯放緩，如圖5所示，補排也從原有的每周一次延遲至每月一次。

圖5 改進后正常運行狀態(tài)下的氫氣參數(shù)

4 結(jié)論

針對氫冷發(fā)電機氫氣純度下降問題展開研究，特別是多種故障共同作用引起的下降問題。本文從引起空氫側(cè)潤滑油互竄的兩個關鍵位置出發(fā)，詳細分析了造成潤滑油互竄的可能原因并介紹了相應的試驗方法，并給出了相應的處理措施：

(1)密封油系統(tǒng)投運后要仔細檢查系統(tǒng)各處的閥門，尤其是空氫側(cè)差壓表旁通閥這樣容易被忽略的閥門。密封油系統(tǒng)一般由機務檢修人員維護，但是這類儀表閥門屬于儀控檢修人員維護，存在檢修盲區(qū)，在系統(tǒng)投運后應引起重視；

(2)對于氫冷發(fā)電機組在運行中應及時檢查密封油箱的液位變化以及補排油管道的溫度；對于補排油管道溫度異常的情況，及時排查原因;

(3)重新設計浮球閥對其改型，浮油箱使用銅制球形密封。