徐新果,李豐均,姚 坤

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

大功率火電機(jī)組多用氫氣冷卻發(fā)電機(jī)。為防止氫氣爆炸，同時(shí)，維持氫氣系統(tǒng)內(nèi)氫氣純度，故采用密封油將發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)與外部進(jìn)行隔絕[1]。然而，整個(gè)密封油系統(tǒng)設(shè)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(duì)氫氣純度的影響機(jī)理，對(duì)改善機(jī)組運(yùn)行安全性至關(guān)重要。文獻(xiàn)[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(shí)的變化程度, 改善油-氫差壓波動(dòng)情況。文獻(xiàn)[4]指出未關(guān)閉啟動(dòng)排油閥導(dǎo)致氫側(cè)密封油流入空側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致空側(cè)對(duì)氫側(cè)進(jìn)行補(bǔ)油，降低了氫氣純度。文獻(xiàn)[5]則指出密封油系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀表不可靠同樣會(huì)影響氫氣純度。文獻(xiàn)[6]分析了密封油各項(xiàng)指標(biāo)與氫氣純度的關(guān)系。

此外，部分學(xué)者在研究氫氣純度影響機(jī)理的同時(shí)，還提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施[7]。文獻(xiàn)[8]給出了在不停機(jī)條件下解決補(bǔ)油浮球閥故障問題的手段。文獻(xiàn)[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(zhǔn)確、氫側(cè)油箱浮球閥不動(dòng)作、密封瓦間隙過大等等，并據(jù)此提出了針對(duì)性的整改措施。同時(shí)，有研究從機(jī)理上闡述了上述特征對(duì)氫氣純度的影響，進(jìn)一步分析了密封油溫度、氫側(cè)供油管路和平衡閥信號(hào)管路節(jié)流以及排煙風(fēng)機(jī)和氫冷器設(shè)備異常對(duì)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(yīng)的措施。然而，上述處理手段僅是針對(duì)某一種具體故障，缺乏一定的指導(dǎo)性。特別是在多數(shù)情況下，氫氣純度降低是由多個(gè)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(gè)關(guān)鍵位置展開分析，詳細(xì)論述了可能的故障原因并給出相應(yīng)的檢測(cè)方法。文中所提出檢查及分析方法對(duì)指導(dǎo)解決其它機(jī)組同類故障具有一定的借鑒意義。

1 設(shè)備問題分析

1.1 設(shè)備概況

某電廠配備哈電集團(tuán)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(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)計(jì)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(shè)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(yùn)行中，可通過空、氫兩側(cè)密封油來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣的密封，同時(shí)對(duì)內(nèi)部密封裝置具有潤滑和冷卻作用。

1.2 設(shè)備問題

機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(jìn)行1～2次補(bǔ)排操作，極大的增加運(yùn)行維護(hù)的成本。

表1 軸密封供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)組沖轉(zhuǎn)到升負(fù)荷階段，DCS測(cè)量到的偏擺數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(dǎo)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(jī)兩端密封瓦(勵(lì)磁端、汽機(jī)端)和氫側(cè)密封油箱兩處。然而，導(dǎo)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(dòng)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(guān)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(shè)備，密封油站分別在勵(lì)磁端和汽機(jī)端裝各裝設(shè)一個(gè)平衡閥。平衡閥與密封油站空氫側(cè)差壓表共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)密封油系統(tǒng)的油壓進(jìn)行精細(xì)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(duì)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(biāo)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(cuò)誤

在對(duì)油氫系統(tǒng)進(jìn)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(gè)截止閥，其中兩個(gè)閥門控制的介質(zhì)分別是來自空、氫側(cè)密封油壓力的進(jìn)油，第三個(gè)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(cè)點(diǎn)所測(cè)潤滑油壓力和通入平衡閥上下腔室的密封油是并聯(lián)關(guān)系，差壓表的旁通閥和空氫側(cè)差壓表也是并聯(lián)關(guān)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)使平衡閥上下腔室處于聯(lián)通狀態(tài)，將導(dǎo)致平衡閥失去作用，使其無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guān)閉狀態(tài)。

(3)油氫差壓閥壓力波動(dòng)問題

氫側(cè)密封油壓力由平衡閥控制，自動(dòng)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(gè)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(dòng)，將破壞系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。因此還需進(jìn)一步檢查密封油系統(tǒng)整體壓力是否存在異常波動(dòng)問題。

通過對(duì)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(hào)機(jī)組，該機(jī)組密封油系統(tǒng)就地壓力表計(jì)讀數(shù)波動(dòng)較大。

為驗(yàn)證是否為油氫差壓閥對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性所造成的影響，對(duì)油氫差壓閥進(jìn)行重新整定?，F(xiàn)對(duì)旁路閥等措施先實(shí)施微開操作，使其開度下降；同時(shí)，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(shí)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(dòng)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(guān)鍵位置之一。若出現(xiàn)空側(cè)密封油大量進(jìn)入氫側(cè)密封油箱的情況，空側(cè)密封油內(nèi)的氣體將會(huì)竄入氫氣系統(tǒng)，導(dǎo)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(bǔ)排油閥門關(guān)閉不嚴(yán)密導(dǎo)致的。

一般情況下，如果是因?yàn)榭諝鋫?cè)密封油壓力不平衡導(dǎo)致的油箱補(bǔ)排油，只有補(bǔ)油管道或者排油管道處于工作狀態(tài)。油箱補(bǔ)排油閥門不緊密故障的明顯特征是：補(bǔ)排油管道因密封油流動(dòng)而出現(xiàn)溫?zé)岈F(xiàn)象。在對(duì)油箱檢查過程中發(fā)現(xiàn)其補(bǔ)排油管道均處于溫?zé)釥顟B(tài)?；究梢耘卸ㄊ茄a(bǔ)排油浮球閥出現(xiàn)故障。但為使判斷更為準(zhǔn)確，應(yīng)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(bǔ)排油浮球閥故障分析

空、氫側(cè)密封油在正常運(yùn)行工況下是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，氫側(cè)密封油密封箱油位保持穩(wěn)定，補(bǔ)排油浮球閥均處于閉合狀態(tài)。為排除補(bǔ)排油浮球閥故障，可以隔離補(bǔ)排油管道二次閥進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 補(bǔ)排油浮球閥故障排查表

表2中，通過改變補(bǔ)排油管道二次閥的狀態(tài)，可得到補(bǔ)排油管道溫度狀態(tài)的變化規(guī)律。對(duì)比結(jié)果可知，當(dāng)補(bǔ)排油管道均隔離時(shí)，油箱液位出現(xiàn)緩慢下降，證明系統(tǒng)確實(shí)存在空氫側(cè)密封油竄流的問題，但竄流現(xiàn)象較輕微。當(dāng)對(duì)排油管道進(jìn)行隔離時(shí)，補(bǔ)油浮球閥將補(bǔ)充該部分油量，同時(shí)管道溫度下降，說明補(bǔ)油量下降。當(dāng)補(bǔ)油管道隔離，排油管道處于正常狀態(tài)時(shí)，油箱液位快速下降至報(bào)警值以下，說明此時(shí)排油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了空氫側(cè)密封油壓力不平衡導(dǎo)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(dǎo)致氫側(cè)油箱一直處于強(qiáng)制排油狀態(tài)，補(bǔ)油閥為維持油箱液位，長期處于補(bǔ)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(dǎo)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(dāng)油箱液位過高(過低)是，浮球浮起(下落)，通過連桿作用打開(關(guān)閉)閥芯，實(shí)現(xiàn)密封油補(bǔ)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(duì)存在故障的浮球閥進(jìn)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(yùn)行過程中，該密封墊老化破損，導(dǎo)致強(qiáng)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(dǎo)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(gè)原因：

(1)空氫側(cè)差壓表旁通閥狀態(tài)錯(cuò)誤

該機(jī)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(cuò)誤，導(dǎo)致了氫側(cè)密封油管路平衡閥失去應(yīng)有的作用，進(jìn)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(dǎo)致了氫氣純度下降。

(2)排油浮球閥強(qiáng)制排油管路密封圈

排油浮球閥強(qiáng)制排油管路密封圈老化破損導(dǎo)致強(qiáng)制排油管路常開也是造成該機(jī)組氫氣純度無法維持的重要原因，補(bǔ)油浮球閥為維持油箱液位長期處于補(bǔ)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(jī)組密封油系統(tǒng)空氫側(cè)密封油存在輕微偏差，導(dǎo)致了密封瓦處空氫側(cè)密封油互竄，油箱液位下降，補(bǔ)油浮球閥小流量補(bǔ)油。

3 改進(jìn)措施及效果

針對(duì)上述引發(fā)氫氣純度下降的多種原因，分別制定針對(duì)性的改進(jìn)措施：

(1)關(guān)閉空氫側(cè)差壓表旁通閥；

(2)在機(jī)組調(diào)停檢修過程中，對(duì)新更換的浮球閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(shí)施效果：改進(jìn)工作完成后，氫氣純度下降速率明顯放緩，如圖5所示，補(bǔ)排也從原有的每周一次延遲至每月一次。

圖5 改進(jìn)后正常運(yùn)行狀態(tài)下的氫氣參數(shù)

4 結(jié)論

針對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)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(gè)關(guān)鍵位置出發(fā)，詳細(xì)分析了造成潤滑油互竄的可能原因并介紹了相應(yīng)的試驗(yàn)方法，并給出了相應(yīng)的處理措施：

(1)密封油系統(tǒng)投運(yùn)后要仔細(xì)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(jī)務(wù)檢修人員維護(hù)，但是這類儀表閥門屬于儀控檢修人員維護(hù)，存在檢修盲區(qū)，在系統(tǒng)投運(yùn)后應(yīng)引起重視；

(2)對(duì)于氫冷發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中應(yīng)及時(shí)檢查密封油箱的液位變化以及補(bǔ)排油管道的溫度；對(duì)于補(bǔ)排油管道溫度異常的情況，及時(shí)排查原因;

(3)重新設(shè)計(jì)浮球閥對(duì)其改型，浮油箱使用銅制球形密封。