陳曉春

(國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

氫氣具有密度小、傳熱快和散熱快的特點(diǎn)，其散熱能力是空氣的8倍，所以，一般發(fā)電機(jī)采用氫氣作為換熱介質(zhì)。氫氣同時(shí)也是一種極易爆炸的危險(xiǎn)品，如果氫氣中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%的話(huà)，遇火立即產(chǎn)生爆炸。另外，發(fā)電機(jī)氫氣純度降低會(huì)影響其冷卻效果，氫氣純度每下降1%，其通風(fēng)損耗及轉(zhuǎn)子摩擦損耗就會(huì)增加11%。因此，若使發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的話(huà)，則要求機(jī)內(nèi)的氫氣純度不低于98%。

國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司三期#6，#7機(jī)組1 000 MW超超臨界機(jī)組的發(fā)電機(jī)均由上海電氣集團(tuán)股份有限公司和西門(mén)子聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為T(mén)HDF125/67，為水氫氫冷卻、無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力控制在0.5 MPa，氫氣純度要求不低于98%，機(jī)內(nèi)容氫量為100 m3。為防止氫氣泄漏，在軸端裝有浮動(dòng)式密封瓦并配以密封油系統(tǒng)，向密封瓦提供稍高于氫壓的密封油，油氫差壓控制在120 kPa左右，發(fā)電機(jī)的漏氫量要求不大于18 m3/d。

影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的因素很多，但密封油與氫氣關(guān)系最為密切，密封油的氫側(cè)與其直接接觸，密封油的壓力大于氫氣壓力，一些雜質(zhì)氣體及水分、油分子很容易混入氫氣，從而影響其純度。目前，國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司三期#6機(jī)組的氫氣純度在97%，比正常運(yùn)行要求有所偏低。

1 密封油流量與氫氣純度

密封油的流量會(huì)直接影響氫氣純度并將其帶入發(fā)電機(jī)內(nèi)，增加其水分、雜質(zhì)和氣體的數(shù)量。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)#6，#7機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油進(jìn)油流量及浮動(dòng)油流量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，#6機(jī)組的密封油、浮動(dòng)油量均明顯要高于#7機(jī)組，密封油量接近#7機(jī)組的2倍，#6機(jī)組的浮動(dòng)油量是設(shè)計(jì)值的2倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將#6機(jī)組的浮動(dòng)油汽側(cè)、勵(lì)側(cè)進(jìn)油量，通過(guò)調(diào)節(jié)閥均下調(diào)至0.2 L/s，在下調(diào)過(guò)程中，應(yīng)關(guān)注對(duì)發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)及漏氫量的影響。從結(jié)果來(lái)看，浮動(dòng)油從0.3 L/s下調(diào)至0.2 L/s時(shí)(單側(cè)浮動(dòng)油量減少0.1 L/s)，對(duì)發(fā)電機(jī)的軸承振動(dòng)及漏氫量幾乎沒(méi)有影響，但對(duì)發(fā)電機(jī)的氫氣純度影響較大。發(fā)電機(jī)氫氣純度通過(guò)定期正常補(bǔ)氫能維持在97%，原先一直是通過(guò)定期置換氫氣(利用高純度氫氣來(lái)替換純度較差的氫氣，造成大量氫氣浪費(fèi))來(lái)維持氫氣純度。因此，密封瓦的進(jìn)油量是影響氫氣純度的重要因素，發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 #6，#7機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油、浮動(dòng)油量數(shù)據(jù)記錄

圖1 發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，密封油是通過(guò)密封油進(jìn)油孔從徑向進(jìn)油，而浮動(dòng)油是通過(guò)浮動(dòng)油槽從軸向進(jìn)油，進(jìn)而形成二次密封。另外，浮動(dòng)油也起到消除密封環(huán)氫側(cè)端面卡澀而引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸過(guò)大的振動(dòng)問(wèn)題。

三期#6，#7機(jī)組的密封油氫油壓差控制在130 kPa左右，2臺(tái)機(jī)組較為接近，也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。從表1可以看出，2臺(tái)機(jī)組密封油量相差較大，在0.3 L/s左右。根據(jù)浮動(dòng)油調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，消除該差距，勢(shì)必會(huì)大大提高#6機(jī)組發(fā)電機(jī)的氫氣純度。

造成密封油量偏差的主要原因是密封瓦和軸的配合間隙關(guān)聯(lián)較大，在相同差壓下配合間隙越大，勢(shì)必要有更多的密封油量來(lái)維持差壓，反之則相反。這樣看來(lái)，對(duì)該間隙的控制至關(guān)重要，在設(shè)備實(shí)際檢修過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制該配合間隙在設(shè)計(jì)值mm 范圍內(nèi)。

2 機(jī)組負(fù)荷與氫氣純度

機(jī)組的負(fù)荷主要影響到發(fā)電機(jī)的發(fā)熱量，一般來(lái)說(shuō)，機(jī)組負(fù)荷越高其耗損就越大，需要?dú)錃馑鶐ё叩臒崃烤蜁?huì)越多，因此，它與氫氣也有一定關(guān)系。從廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(Supervisory Information System)采集機(jī)組負(fù)荷及氫氣純度數(shù)據(jù)，以#7機(jī)組2010－07－19—20數(shù)據(jù)為例。如圖2所示，在機(jī)組高負(fù)荷時(shí)，氫氣純度相對(duì)低些，低負(fù)荷時(shí)，氫氣純度相對(duì)高些，這樣，氫氣純度的波谷對(duì)應(yīng)負(fù)荷的波峰。這是因?yàn)槊芊庥偷臏囟?，特別是進(jìn)入發(fā)電機(jī)消泡室的油溫與機(jī)組負(fù)荷關(guān)系密切，機(jī)組負(fù)荷越高，氫氣的換熱負(fù)荷大，密封油溫也會(huì)升高，油溫越高，越易使水汽、油分子和其他氣體分離融入到氫氣中，從而影響了氫氣純度。另外，根據(jù)實(shí)際需要，機(jī)組負(fù)荷變化是靈活的，而密封油溫變化則需要通過(guò)氫氣換熱、傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要一定的時(shí)間，從圖2中也可以看出實(shí)際氫氣純度的變化是滯后于機(jī)組負(fù)荷的，機(jī)組負(fù)荷對(duì)氫氣純度的影響在0.3%左右。

目前，#6機(jī)組密封油溫度還是控制得不夠理想，如圖3所示。在38～47℃呈鋸齒上下波動(dòng)。相比之下，#7機(jī)組密封油溫控制得較為平穩(wěn)，在36℃左右接近下限。維持較低的密封油溫，對(duì)氫氣純度更為有利。

3 密封油箱真空與氫氣純度

圖2 #7機(jī)組負(fù)荷與氫氣純度的關(guān)系

圖3 #6，#7機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油進(jìn)油溫度變化曲線(xiàn)

從發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)來(lái)看，密封油在密封瓦氫側(cè)回油后進(jìn)入發(fā)電機(jī)消泡室內(nèi)消除泡沫，然后再進(jìn)入氫側(cè)回油箱。密封油空側(cè)回油直接進(jìn)入空側(cè)回油箱，2股油最終匯集至密封油真空箱。密封油真空箱負(fù)壓正?？刂圃冢?0 kPa，該負(fù)壓有利于密封油中水分、溶氫等雜質(zhì)氣體分離，從而起到凈化密封油的作用。因此，密封油箱真空與發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度存在著一定的關(guān)系，密封油箱真空度越高，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度相對(duì)就越高，反之，則結(jié)果相反。從圖4可以看出，當(dāng)密封油真空度從－35kPa至0 kPa變化時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度從98.3%下降至98.0%，密封油真空箱真空度對(duì)發(fā)電機(jī)純度影響在0.3%左右。

根據(jù)以上情況，安排對(duì)三期#6機(jī)組密封油真空出力進(jìn)行提升。通過(guò)調(diào)節(jié)真空泵進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，將密封油真空箱真空度控制在－70 kPa左右，在調(diào)整過(guò)程中，密封油泵出力及振動(dòng)情況正常，真空度未對(duì)其造成影響。經(jīng)過(guò)連續(xù)幾天運(yùn)行，發(fā)電機(jī)氫氣純度穩(wěn)定在97.1%，比原先提升0.1%，因此，在機(jī)組運(yùn)行情況下，調(diào)整密封油箱真空度也是控制氫氣純度的有效手段。

4 氫氣露點(diǎn)與氫氣純度

發(fā)電機(jī)氫氣干燥器通過(guò)干燥塔的分子篩，吸收氫氣中水分，使得氫氣中的含水量降低，在三期工程中，氫氣干燥器可使氫氣露點(diǎn)溫度達(dá)到－40℃。這些干燥的氫氣通過(guò)設(shè)備出口處的油氣分離器后，再回到發(fā)電機(jī)內(nèi)，這樣就達(dá)到了干燥氫氣的目的。氫氣越干燥，融入氫氣中的水分就越少，對(duì)氫氣純度就越會(huì)有利，從圖5發(fā)電機(jī)氫氣露點(diǎn)與氫氣純度關(guān)系圖來(lái)看，氫氣露點(diǎn)在－24～－13℃變化時(shí)，對(duì)氫氣純度的影響在0.2%左右。發(fā)電機(jī)維護(hù)說(shuō)明書(shū)要求發(fā)電機(jī)露點(diǎn)控制在－25～－5℃，其范圍比較大，但從圖5看，將發(fā)電機(jī)氫氣露點(diǎn)控制在－25℃，對(duì)氫氣純度更為有利。從表2中可以看出，－5℃含水量為－25℃含水量的6倍多，從這點(diǎn)來(lái)看，控制好氫氣露點(diǎn)對(duì)氫氣純度也是至關(guān)重要的。

在三期工程中，氫氣干燥器目前存在2點(diǎn)不足:

(1)干燥器進(jìn)、出口使用了油氣分離器。從廠家提供的資料來(lái)看，這種分離器采用離心式原理且免維護(hù)，氣體的凈化率只有 0.5‰ 左右，凈化能力有限。

圖4 #7機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油箱真空與氫氣純度關(guān)系

表2 氣體露點(diǎn)與含水量的關(guān)系

續(xù)表

圖5 發(fā)電機(jī)氫氣露點(diǎn)與氫氣純度關(guān)系

(2)干燥器采用時(shí)間順控模式，缺少露點(diǎn)控制方式，無(wú)法將氫氣露點(diǎn)控制在一定目標(biāo)值內(nèi)。目前運(yùn)行主要通過(guò)定期啟、停干燥器方式來(lái)控制氫氣露點(diǎn)，操作較為復(fù)雜。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，發(fā)電機(jī)密封油若直接與機(jī)內(nèi)氫氣接觸，油中水分、雜質(zhì)氣體與油分子會(huì)擴(kuò)散到氫氣中，從而影響發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度。要維持密封油較好的品質(zhì)，必須控制氫氣純度，應(yīng)對(duì)密封油流量、溫度、真空、氫氣露點(diǎn)等指標(biāo)進(jìn)行有效控制。在三期工程中，通過(guò)減少浮動(dòng)油量和提升密封油箱真空度，#6機(jī)組氫氣純度基本能維持在97.1%。利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)密封瓦配合間隙進(jìn)行檢查和調(diào)整，使其密封油量與#7機(jī)組接近，這樣，其氫氣純度將會(huì)有更大的改善。對(duì)于#6機(jī)密封油溫控制不佳的問(wèn)題，主要從改善調(diào)節(jié)品質(zhì)著手，如增加節(jié)流孔板等。發(fā)電機(jī)氫氣干燥器可通過(guò)可編程控制器(PLC)升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)控制模式。對(duì)于氫氣的凈化，目前市場(chǎng)上有納米凈化裝置，但在氫氣系統(tǒng)中使用不多，其可行性有待進(jìn)一步探索。

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